Лазерный мир

Физики из университета ИТМО разработали экспресс-метод определения распределения частиц в оптически-прозрачных средах на основе голограмм. Метод поможет практически моментально определять концентрацию загрязнений в жидкостях и газах, а также поможет в изучении микроорганизмов. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Correlation Characterization of Particles in Volume Based on Peak-to-Basement Ratio

We propose a new express method of the correlation characterization of the particles suspended in the volume of optically transparent medium. It utilizes inline digital holography technique for obtaining two images of the adjacent layers from the investigated volume with subsequent matching of the cross-correlation function peak-to-basement ratio calculated for these images. After preliminary calibration via numerical simulation, the proposed method allows one to quickly distinguish parameters of the particle distribution and evaluate their concentration. The experimental verification was carried out for the two types of physical suspensions. Our method can be applied in environmental and biological research, which includes analyzing tools in flow cytometry devices, express characterization of particles and biological cells in air and water media, and various technical tasks, e.g. the study of scattering objects or rapid determination of cutting tool conditions in mechanisms.
https://www.nature.com/articles/srep43840

Анализ распределения и размеров частиц в жидкостях или аэрозоле как правило применяется при определении загрязнений воздуха и технологических или биологических жидкостей. Существующие методы требуют долгой подготовки или больших вычислительных мощностей, а некоторые из них не могут анализировать среды с высокой концентрацией частиц. К примеру, широко используется метод динамического рассеяния света, в котором измеряется рассеяние лазерного луча на частицах в жидкости. Но он позволяет определить только размер частиц, и имеет другие ограничения.

Ученые попытались совместить в новом методе два важных свойства: скорость, позволяющая использовать метод для экспресс-диагностики и алгоритм обработки, не требующий больших вычислительных мощностей. Технология основана на снятии трехмерной голограммы Габора – первого метода голографии, представленного в 1947 году. В процессе снятия голограмм записывается не только интенсивность света, как в обычной фотографии, но и его фаза. Это позволяет получать объемное изображение снимаемого объекта.

С помощью лазерной голографии исследователи получали трехмерное изображение частиц в жидкости. За счет того, что лазер излучает когерентный свет исследователи могли фокусироваться на конкретных слоях жидкости уже после съемки, с помощью математических алгоритмов. Таким образом, ученые извлекали из трехмерного изображения всего объема два плоских снимка соседних слоев, которые сравнивали и обрабатывали с помощью корреляционного анализа, сравнивая их схожесть. Полученную корреляционную зависимость распространяли на весь объем и высчитывали концентрацию частиц в среде, их прозрачность, размер и среднее расстояние между ними.

Представленный метод может применяться в двух режимах. Без предварительной калибровки для конкретного типа частиц и жидкости можно лишь сравнивать концентрации, к примеру, определять большую из двух. Если же предварительно снять несколько голограмм и определить размер, форму и прозрачность частиц, можно мгновенно определять концентрацию во всем объеме или в конкретном слое.

Ученые надеются, что их метод может быть в скором времени внедрен в областях, где необходим быстрый и легкий анализ, к примеру, мониторинг металлической стружки и пыли в машинном масле. Эксперименты показали, что метод может применяться как для статичной, так и для подвижной жидкости. Отдельно ученые указывают возможность применения в биологических нуждах, к примеру отслеживание количества и состояния планктона в воде или обнаружение вирусов в живых клетках.

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/04/25/itmo-holorgam