Оптические приборы в биофизике

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
____________________Е.Г.Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Оптические приборы в биофизике
Направление подготовки
Физика живых систем
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины «Оптические приборы в биофизике»
состоят в обеспечении студентов предметными знаниями, умениями и
навыками в области математических и естественно-научных сфер знаний,
связанных с одним из основных направлений современной когерентной
оптики- физики лазеров и волоконной оптики, а также с оптическими
методами исследования и контроля биологических объектов и живых систем,
применяемых в исследовательской и медицинской практике, в выработке
практических навыков решения физических проблем в биофизике и ее
практических приложениях, в получении высшего профессионально
профилированного образования в области физики, позволяющего
выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за
рубежом, обладать универсальными и предметно специализированными
компетенциями,
способствующими
его
социальной
мобильности,
востребованности на рынке труда и успешной профессиональной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина (Б3.ДВ1.1) «Оптические приборы в биофизике» включена в
вариативную части профессионального цикла (Б3) и состоит из двух частей.
Часть I, «Когерентно-оптические методы в биофизике» призвана
формировать знания в области теории и практики когерентно-оптических
методов контроля и диагностики в физике живых систем, в биологии и
медицине.
Часть II, «Лазеры и волоконные световоды в биофизических
исследованиях» призвана формировать знания в области теории когерентных
оптических систем с точки зрения принципов преобразования комплексных
оптических сигналов.
При освоении данной дисциплины необходимы знания по следующим
разделам общего курса физики: электричество и магнетизм, колебания и
волны, волновая оптика, а также математики: математический анализ,
аналитическая геометрия, теория функций комплексного переменного,
дифференциальные уравнения.
Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными
пособиями и монографической учебной литературой, умение решать
физические задачи, требующие применения дифференциального и
интегрального
математического
аппарата,
умение
производить
приближенные преобразования аналитических выражений, навыки работы на
компьютере с математическими пакетами программ (например, MathCad,
MatLab, Mathematica), графическим (например, OriginPro), графическим для
схемных решений (например, CorelDraw) и текстовыми (например, MS Word,
2
MS Excel) редакторами, умение программировать (например, в среде MS
Quick BASIC) и использовать численные методы решения физических задач,
иметь навыки работы на физических экспериментальных установках, умение
оформления результатов экспериментов с использованием графического
материала и с оценкой погрешностей измерений.
Знания, полученные при освоении данной дисциплины, необходимы
при освоении других дисциплин профессионального цикла профиля
«Биофизика»,
таких,
как
«Спецпрактикум»,
«Анализ
сложных
биофизических сигналов», а также при подготовке квалификационных работ
итоговой аттестации.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Оптические приборы в биофизике»
В процессе освоения обучаемым дисциплины «Оптические приборы в
биофизике»
достигается
освоение
общекультурных
(ОК)
и
профессиональных (ПК) компетенций, характеризуемых:
 способностью использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных наук
(ОК-1);
 способностью собирать, обрабатывать и интерпретировать с
использованием современных информационных технологий
данные,
необходимые для формирования суждений по соответствующим
социальным, научным и этическим проблемам (ОК-4);
 способностью владеть основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с
компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
 способностью использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области информатики и современных
информационных технологий, навыки использования программных средств и
навыков работы в компьютерных сетях; умение создавать базы данных и
использовать ресурсы Интернет (ОК-17);
 способностью использовать базовые теоретические знания для
решения профессиональных задач (ПК-1);
 способностью применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
 способностью эксплуатировать современную физическую аппаратуру и
оборудование,
диагностическое
и
терапевтическое
медицинское
оборудование (ПК-3);
 способностью использовать специализированные знания в области
физики, химии и биологии для освоения профильных биофизических
дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4);
3
 способностью применять на практике базовые общепрофессиональные
знания теории и методов биофизических исследований (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-5);
 способностью пользоваться современными методами обработки,
анализа и синтеза биофизической информации (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-6);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать
- математические основы теории когерентности света и теории проявления
когерентности в оптических явлениях;
- теоретические основы когерентности света и закономерности ее проявления
в оптических системах и методах измерений и формирования изображений;
- теоретические основы когерентных методов исследования живых систем;
- функциональные и метрологические возможности когерентно-оптических
методов и систем анализа, измерительного контроля и диагностики
биологических объектов и живых систем.
- Основы полуклассической теории лазеров;
-Теоретические основы взаимодействия резонансного излучения с
неравновесной средой веществом, состоящей из атомов, молекул,
кристаллов, включая полупроводники
- Основы теории открытых оптических резонаторов;
-Основные понятия когерентности оптических полей, когерентные свойства
оптических полей и теорию использования Фурье-преобразования в
описании когерентных свойств оптических полей;
- Области применения методов лазерной физики и ее приложениях в
лазерных измерениях, системах формирования изображений. передачи
сигналов и изображений. в голографии, в биомедицинских диагностических
приложениях лазерных методов и систем.
Уметь
- излагать и критически анализировать основные положения теории
когерентности света и теории ее проявления в оптических явлениях;
- пользоваться теоретическими положения теории когерентности для анализа
процессов формирования оптических, сигналов, изображений, в
интерференционных и дифракционных оптических измерительных
системах и устройствах обработки информации.
- излагать
и
критически
анализировать
основные
положения
полуклассической теории лазеров;
теории оптических резонаторов, рассчитывать расходимость лазерных
пучков и размеры пучков на зеркалах;
4
- пользоваться теоретическими основами Фурье-оптики, нелинейной оптики
и оптической спектроскопии для измерения основных параметров
лазерного
излучения,
включая
когерентные,
спектральные
и
поляризационные свойства излучения.
Владеть
- практическими навыками экспериментальной работы с оптическими
приборами и установками, принцип действия которых основан на явлениях
дифракции и интерференции когерентных оптических полей.
- методами Фурье-оптики, теории излучения и спектроскопии для
теоретического анализа когерентности лазерных полей и их преобразования
оптическими системами;
- методами расчета оптических резонаторов; включая устойчивость;
- практическими навыками экспериментальной работы с газовыми,
твердотельными и полупроводниковыми лазерами и умением управления
параметрами излучения.
4. Структура и содержание дисциплины «Оптические приборы в
биофизике»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц (всего —
216 часов) , из них 86 часов лекционных, 50 — лабораторных и 44 часа на
самостоятельную работу. Из них, в 6 семестре — 32 часа лекционных и 32лабораторных; в 7 семестре — 54 часа лекционных и 18 — лабораторных.
Форма итоговой аттестации — экзамен.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Формы
текущего
контроля
Виды учебной работы,
успеваемости
включая
Сем Неделя
(по неделям
самостоятельную
естр семестра
семестра)
работу студентов и
Формы
трудоемкость (в часах)
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Часть 1. Когерентно-оптические методы в биофизике
1 Физические основы
6
1,2,3 Л(6) Лаб(6) СР(4) УО-1
2
3
когерентно-оптических
методов.
Оптическая
6
интерферометрия в
физике живых систем.
Оптическая голография в 6
4,5,6,7 Л(8)
Лаб(8) СР(6) УО-1
8,9,10, Л(8)
Лаб(8) СР(6) УО-1
5
физике живых систем.
11
Когерентно оптические 6
12,13 Л(4) Лаб(4) СР(4) УО-1
методы в
офтальмологии.
5 Оптическая
6 14,15,16 Л(6) Лаб(6) СР(4) Зачет по 1
поляризационная
части
диагностика живых
дисциплины
систем.
Часть 2. Лазеры и волоконные световоды в биофизических
исследованиях
1
Газовые лазеры7
1,2 Л(8)
СР(2) УО-1
атомарные, ионные,
молекулярные
2 Твердотельные
лазеры,7
3,4 Л(8)
СР(3) УО-1
4
3
4
5
6
7
полупроводниковые лазеры
Открытые
оптические7
резонаторы,
типы
резонаторов, устойчивость
Одночастотный
и7
многочастоные
режимы
генерации лазеров. Методы
синхронизация мод в лазерах
Основные
свойства7
оптических
волокон,
Числовая апертура, потери,
многомодовые
и
одномодовые волокна.
Волоконно-оптический
7
ОМА;
Лазерный
Раман
конфокальный томограф
Лазерный
конфокальный7
томограф. ОСТ
5,6
Л(8)
СР(4) УО-1
7,8
Л(8)
СР(4) УО-1
9,10,11, Л(10) Лаб(6) СР(3) УО-1
12
13,14,15 Л(6)
Лаб(6) СР(3) УО-1
16,17,18 Л(6)
Лаб(6) СР(3) Итоговый
экзамен по
дисциплине
4.2. Содержание дисциплины
Часть 1. Когерентно-оптические методы в биофизике
1. Физические основы когерентно-оптических методов.
1.1. Интерференция света. Коэффициент модуляции интерференционных
полос. Зависимость коэффициента модуляции интерференционного
сигнала от степени когерентности света.
1.2. Временная когерентность света. Функция временной когерентности.
Теорема Винера-Хинчина. Проявление временной когерентности в
оптической интерферометрии. Принципы Фурье-спектроскопии.
6
1.3. Пространственная когерентность. Радиус пространственной
когерентности. Теорема Ван-Циттерта-Цернике. Проявление
пространственной когерентности в интерференционных системах.
Интерференционный опыт Юнга. Интерферометр Рэлея.
Интерферометры сдвига.
1.4. Проявление когерентности света в оптических системах формирования
изображения. Когерентные и некогерентные системы оптической
микроскопии. Поперечное пространственное разрешение микроскопов.
Условия когерентного, частично когерентного и некогерентного
освещения предмета в оптическом микроскопе.
1.5. Спекл-модуляция в лазерном и частично когерентном свете.
Субъективные и объективные спеклы. Спеклы в системах формирования
изображений рассеивающих объектов.
2. Оптическая интерферометрия в физике живых систем
2.1. Лазерная интерферометрия для определения формы, перемещений,
скорости, вибраций, деформаций отражающих объектов и определения
оптической плотности прозрачных объектов. Интерферометры
Майкельсона, Маха-Цендера, Рэлея, Жамена, Физо. Интерферометры
поперечного сдвига..
2.2. Интерференционные лазерные методы измерения скорости потока
частиц. Лазерная анемометрия. Рассеяние лазерного излучения случайно
неоднородными средами - биологическими тканями. Лазерная
интерферометрия кровотока и лимфотока. Лазерная Доплеровская
диагностика. Лазерные методы гетеродинирования.
2.2. Интерференционная микроскопия в частично когерентном свете.
Интерференционный микроскоп Линника. Полнопольная оптическая
когерентная томография.
2.3. Пространственно частотная фильтрация в оптической микроскопии.
Темнопольная микроскопия. Фазовоконтрастный микроскоп Цернике.
2.3. Теория оптической когерентной томографии. Методы оптической
когерентной томографии. Оптическая когерентная томография во
временной области. Спектральный метод оптической когерентной
томографии. Продольное и поперечное разрешение методов оптической
когерентной томографии. Оптические схемные решения для оптической
когерентной томографии. Области применения оптической когерентной
томографии в физике живых систем.
3. Оптическая голография в физике живых систем.
3.1. Теоретические и физические основы оптической голографии. Виды
оптических голограмм. Свойства голограмм. Техника и методика
голографического эксперимента. Источники света (лазеры) и
регистрирующие среды для голографии. Схемные решения для
7
голографических метродов. Восстановление мнимого и действительного
голографических изображений.
3.2. Принципы голографических интерференционных измерений. Методы
голографической интерферометрии реального времени, двух
экспозиций, с усреднением во времени, стробоскопический.
Голографическая интерферометрия фазовых объектов, нестационарных
объектов и быстропротекающих процессов. Методы интерпретации
голографических интерферограмм.
3.3. Методы цифровой оптической голографии. Матричные фотоприемники
для цифровой голографии: ПЗС-матрицы и КМОП-матрицы. Оптические
схемы записи оптических цифровых голограмм: Фурье-голография,
безлинзовая Фурье-голография, безлинзовая Фурье-голография
сфокусированного изображения, голография Френеля.
3.4. Цифровая голографическая интерферометрия биологических объектов.
Цифровая голографическая фазовая микроскопия биологических
объектов.
4. Когерентно оптические методы в офтальмологии.
4.1. Обработка пространственной информации в зрительной системе.
Острота зрения при некогерентном и когерентном освещении.
Субъективный спекл-эффект в зрительной системе.
4.2. Определение остроты зрения и контрастной чувствительности
зрительного тракта путем генерации синусоидальных
интерференционных картин на сетчатке глаза. Лазерная
интерференционная ретинометрия. Влияние помутнения хрусталика.
4.3. Определение оптических параметров глаза созданием на сетчатке
динамических спекл-картин. Спеклоскоп.
5. Оптическая поляризационная диагностика живых систем
5.1. Основные поляризационные характеристики лазерного излучения,
рассеянного пространственно-неоднородными средами. Вектор Стокса.
Матрица Мюллера. Степень поляризации рассеянного излучения как
параметр визуализации.
5.2. Особенности процесса деполяризации зондирующего лазерного
излучения при распространении в пространственно-неоднородном слое.
Влияние размерного параметра рассеивающих частиц и геометрии
рассеяния. Эффект существования остаточной поляризации при
обратном рассеянии зондирующего лазерного излучения.
5.3. Сравнение эффективности метода визуализации макронеоднородностей
в рассеивающей среде с другими методами, используемыми в
биомедицинской диагностике. Перспективы использования метода
поляризационной визуализации для анализа структуры биологических
объектов.
8
Часть 2. Лазеры и волоконные световоды в биофизических
исследованиях
1. Спонтанные и вынужденные переходы. Инверсная среда. Доплеровская и
лоренцевская ширина линии излучения. Коэффициент усиления. Выходная
оптическая мощность в лазерах, зависимость от параметра насыщения и
усиления. Оптимальные условия генерации. Потери в резонаторе,
оптимальные коэффициенты пропускания зеркал.
2. Открытые оптические резонаторы, типы резонаторов, гауссовские пучки
диаграмма
устойчивости.
Сложные
оптические
резонаторы,
их
функциональное назначение. Собственные типы волн в резонаторе, моды
высших порядков гауссова пучка, методы селекции поперечных и
продольных типов колебаний в резонаторах лазеров. Одночастотный и
многочастотный режим генерации лазеров. Число возбуждаемых продольных
мод. Конкуренция мод. Методы активной синхронизации мод. Генерация
оптических импульсов. Связь длительности импульсов с шириной линии
излучения. Применение в биомедицинской диагностике.
3. Пространственная и временная когерентность излучения лазеров.
Одночастотные и многочастотные режимы.
Методы
измерения
пространственной и временной когерентности. Лазерные интерферометры.
Типичные значения длины когерентности лазеров и спонтанного излучения
атомов или молекул в газообразном состоянии и конденсированных средах.
Низко-когерентные оптические томографы.
4. Газовые лазеры. Основные методы возбуждения. Механизм создания и
насыщения инверсии в гелий-неоновом лазере. Кинетические уравнения.
Особенности применения в диагностической и низкоэнергетической
медицине.
5. Ионные лазеры. Лазеры на парах металлов. Катафорез. Механизм создания
и насыщения инверсии в гелий-кадмиевом лазере.
Ионный аргоновый лазер. Механизмы создания инверсии. Особенности
применения в офтальмологии.
6. Молекулярные лазеры. Электронные, колебательные и вращательные
спектры молекул. Нормальные колебания многоатомных молекул. Механизм
создания инверсии в лазере на углекислом газе. Особенности спектральных
характеристик.
Газовые лазеры на электронных переходах молекул. Принцип ФранкаКондона. Азотный лазер. Эксимерные лазеры и технология
Применения в лазерной хирургии.
9
7. Твердотельные лазеры. Трех и четырех уровневые схемы. Уровни энергии
иона неодима и хрома. Безизлучательная релаксация в твердом теле.
Особенности спектральных, динамических и энергетических характеристик
лазеров на алюмо-иттриевом гранате с неодимом на титан сапфире и рубине.
Твердотельные лазеры c диодной накачкой.
Применение в биомедицинской диагностике.
8. Полупроводниковые лазеры. Зоны структура полупроводников с p - n
переходом. Уровень Ферми. Поглощение и излучение в вырожденных
полупроводниках. Условие получения инверсии. Гетероструктуры.
Особенности динамических характеристик лазеров. Релаксационные
колебания и их проявление в молекулярных и полупроводниковых лазерах.
Применение в фотодинамической и фототермической терапии.
9.Флуктуации мощности и частоты излучения лазеров и методы их
подавления. Шумы газоразрядных, твердотельных и полупроводниковых
лазеров.
10.Основные свойства оптических волокон. Числовая апертура, потери,
многомодовые и одномодовые волокна. Медицинские волоконные световоды
и облучатели биотканей.
Планарные волноводы, лучевой подход. Преломление световой волны на
границе раздела диэлектриков. ТЕ- и ТМ- волны. Планарные волноводы,
лучевой подход. Угол полного внутреннего отражения. Эффект ГуссаХенхена.
11. ТЕ- и ТМ- моды волновода со ступенчатым профилем показателя
преломления.Световые волны вблизи двух границ раздела сред: диэлектрикдиэлектрик. Направляемые и вытекающие моды, моды излучения.
12.Биомедицинские волоконно-оптические датчики и зонды.
Волоконно-оптический ОМА
Лазерный Рамановский конфокальный томограф.
13.Волоконно-оптический
низко-когерентный
томограф.
Лазерный
конфокальный томограф. Особенности применения ОСТ в офтальмологии.
Поляризационный ОСТ. Спектральный ОСТ. Лазерный конфокальный
томограф HRT II.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Оптические приборы в биофизике»
используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации,
nрактuческие занятия - лабораторные работы, контрольные работы,
самостоятельные работы.
10
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и
обсуждение наблюдаемых оптических явлений и эффектов, компьютерные
демонстрации с использованием современных цифровых систем
изобразительной техники.
В рамках практических лабораторных занятий предусмотрены:
детальный разбор физических основ основных разделов лекционного курса с
решением физических задач по основным разделам содержания дисциплины,
выполнением лабораторных работ и выполнение контрольных работ по всем
разделам.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- изучение теоретического и технического материала по методическим
руководствам и документации.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная
сверхкороткая самостоятельная работа
обучающихся по изучению теоретического лекционного материала и
итогам самостоятельной работы; контроль выполнения этой работы
предусмотрен в начале каждого лекционного занятия по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях
предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых
выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль
выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках
промежуточного контроля по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического
характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины
предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на
лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной
работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением;
контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при
11
завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде
отчету по этому виду самостоятельной работы;
- решение рекомендованных задач из сборника задач по волновой оптике
предполагается еженедельным при подготовке к практическим занятиям и
при усвоении теоретического лекционного материала; контроль
выполнения этой работы предусмотрен на практических лабораторных
занятиях;
- изучение теоретического материала по методическим руководствам к
специальному физическому практикуму по оптике предусмотрен с отчетом
о проделанной работе на практических лабораторных занятиях.
Задания для самостоятельной работы:
Получить выражения для интерференционных сигналов лазерного
интерферометра Майкельсона: (1) при равномерном перемещении
одного зеркала; (2) при равноускоренном перемещении зеркала; (3) при
гармонических колебаниях зеркала; (4) при затухающих гармонических
колебаниях зеркала; представить сигналы в графической форме с
использованием компьютерных математических пакетов численных
вычислений.
2. Получить
выражения
для
интерференционных
сигналов
низкокогерентного интерферометра Майкельсона: (1) при равномерном
перемещении одного зеркала; (2) при гармонических колебаниях
зеркала; представить сигналы в графической форме с использованием
компьютерных математических пакетов численных вычислений.
3. Получить выражения для картины интерференции света на выходе
лазерного интерферометра Майкельсона при использовании: (1) плоской
волны на его входе; (2) сферической волны; представить
интерференционную картину в графической форме изображения в
градациях серого с использованием компьютерных математических
пакетов численных вычислений.
4. Для лазерного интерферометра Майкельсона вибраций описать
алгоритм определения параметров гармонических вибраций – частоты и
амплитуды колебаний, по параметрам интерференционного сигнала.
Получить выражение для спектра интерференционного сигнала при
гармонических колебаниях зеркала интерферометра Майкельсона: (1) в
предположении бесконечной длины реализации сигнала; (2) при конечном
времени записи сигнала.
1.
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля:
Часть I.
12
1. Физические основы когерентно-оптических методов.
1.1. Используя основное уравнение интерференции оптических волн
построить график для интерференционного сигнала в зависимости от
разности хода при интерференции волн с ограниченной временной
когерентностью и численным методом исследовать зависимость
параметров сигнала от ширины частотного спектра оптического
излучения.
1.2. На основе теоремы Ван-Циттерта-Цернике оценить радиус
пространственной когерентности естественных и искусственных
протяженных источников света.
1.3. На основе теоремы Винера-Хинчина определить в явном виде функции
временной когерентности оптических полей с заданными параметрами
частотного спектра и сделать оценки длин временной когерентности. В
графической
форме
отобразить
зависимость
интенсивности
интерференционного сигнала для определенных функций временной
когерентности. Сформулировать принципы и охарактеризовать способы
определения спектрального состава излучения в методе Фурьеспектроскопии с компьютерной обработкой сигнала спектрографа.
1.4. Определить условия когерентного, частично когерентного и
некогерентного процессов формирования изображений в микроскопии.
Определить предельное пространственное разрешение в микроскопии.
1.5. Сформулировать условия возникновения спекл-эффекта в частично
когерентном свете в системах формирования изображений.
2. Оптическая интерферометрия в физике живых систем
2.1. Сформулировать принципы лазерной интерферометрии для
определения формы объектов, перемещений, скорости, вибраций,
деформаций. Объяснить принципы измерения микросмещений объекта с
помощью интерферометра Майкельсона.
2.2.
Объяснить
физические
основы
лазерной
Доплеровской
интерферометрии кровотока и лимфотока.
2.2. Объяснить принципы интерференционной микроскопии в частично
когерентном свете, устройство интерференционного микроскопа
Линника и принципы полнопольной оптической когерентной
томографии.
2.3. Объяснить принципы и методы оптической когерентной томографии во
временной области и спектральный метод. Определить продольное и
поперечное разрешение методов оптической когерентной томографии
при заданных спектральных параметров источника света. Нарисовать
схемы волоконно-оптических когерентных томографов, используемых в
задачах мониторинга биологических тканей.
3. Оптическая голография в физике живых систем.
13
3.1. Дать определение понятию «голограмма». Перечислить типы
оптических голограмм, их свойства и схемы записи аналоговых
голограмм. Определить необходимую разрешающую способность
фоторегистрирующих сред в голографии. Определить схемы
восстановления мнимого и действительного голографических
изображений.
3.2. Сформулировать принципы голографической интерферометрии и
методов интерпретации голографических интерферограмм.
3.3.
Объяснить
принципы
цифровая
оптической
голографии.
Сформулировать требования к разрешающей способности матричных
фотоприемников для цифровой голографии. Определить схемы записи
цифровых Фурье-голограмм и численные методы восстановления
комплексной амплитуды объектного поля.
3.4. Цифровая голографическая фазовая микроскопия биологических
объектов.
4. Когерентно оптические методы в офтальмологии.
4.1. Субъективный спекл-эффект в зрительной системе.
4.2. Лазерная интерференционная ретинометрия.
4.3. Определение оптических параметров глаза созданием на сетчатке
динамических спекл-картин.
5. Оптическая поляризационная диагностика живых систем
5.1. Основные поляризационные характеристики лазерного излучения,
рассеянного пространственно-неоднородными средами. Степень
поляризации рассеянного излучения как параметр визуализации.
5.2. Особенности процесса деполяризации зондирующего лазерного
излучения при распространении в пространственно-неоднородном слое.
5.3. Сравнение эффективности метода визуализации макронеоднородностей
в рассеивающей среде с другими методами, используемыми в
биомедицинской диагностике.
Часть II.
1.Когерентные
свойства
когерентности.
Теоремы
оптических
полей.
Винера-Хинчина
и
Функция
взаимной
Ван-Циттерта-Цернике.
2.Методы измерения временной и пространственной когерентности.
3. Особенность временной и пространственной когерентности лазеров в
одночастотном и многочастотном режиме.
4.Ширина линии излучения лазера.
5.Диапазон частотной перестройки лазеров при изменении длины резонатора.
6. Виды оптических волноводов, условия полного внутреннего отражения.
14
7. Возбуждение оптических волноводов, числовая апертура.
8. Уширение оптических импульсов в волноводах, виды дисперсии.
9. Измерение модовой дисперсии в мало и многомодовых оптических
световодах и фотонных кристаллах.
Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
(перечень экзаменационных вопросов):
Часть I.
1. Основное уравнение интерференции оптических волн.
2. Зависимость
видности
полос
и
коэффициента
модуляции
интерференционного сигнала от степени когерентности.
3. Пространственная когерентность. Радиус пространственной когерентности.
Теорема Ван-Циттерта-Цернике.
4. Проявление ограниченной пространственной когерентности в оптических
системах. Интерференционный опыт Юнга.
5. Временная когерентность света. Функция временной когерентности.
Теорема Винера-Хинчина.
6. Проявление временной когерентности в интерферометрии. Принципы
Фурье-спектроскопии.
7. Проявление когерентности в оптических системах формирования
изображения. Когерентные, частично когерентные и некогерентные
системы микроскопии.
8. Спекл-эффект в лазерном и частично когерентном свете. Субъективные и
объективные спеклы.
9. Методы лазерной интерферометрии для определения формы объектов,
перемещений, скорости, вибраций, деформаций.
10.Интерферометр Майкельсона. Измерение микросмещений объекта с
помощью интерферометра Майкельсона.
11.Лазерные методы измерения скорости измерения потока частиц (лазерная
анемометрия).
12.Интерференционная микроскопия в частично когерентном свете.
Интерференционный микроскоп Линника.
13.Полнопольная оптическая когерентная томография.
14.Темнопольная микроскопия. Фазовоконтрастный микроскоп Цернике.
15.Принципы оптической когерентной томографии.
16.Оптическая когерентная томография во временной области.
17.Спектральный метод оптической когерентной томографии.
15
18.Схемные решения для оптической когерентной томографии и области ее
применения.
19.Основное уравнение голографии. Типы оптических голограмм.
20.Голограммы Френеля. Голограммы Фурье. Голограммы сфокусированных
изображений. Объемные отражательные голограммы Денисюка.
21.Голографические схемы. Восстановление мнимого и действительного
голографических изображений.
22.Техника и методика голографического эксперимента. Источники света и
регистрирующие среды для голографии.
23.Голографическая
интерферометрия.
Методы
голографической
интерферометрии реального времени, двух экспозиций, с усреднением во
времени, стробоскопический.
24.Цифровая оптическая голография.
25.Цифровая голографическая фазовая микроскопия биологических объектов.
26.Цифровая голографическая интерферометрия биологических объектов.
27.Острота зрения при некогерентном и когерентном освещении.
Субъективный спекл-эффект в зрительной системе.
28.Лазерная интерференционная ретинометрия.
29.Определение оптических параметров глаза созданием на сетчатке
динамических спекл-картин. Спеклоскоп.
30.Основные поляризационные характеристики лазерного излучения,
рассеянного пространственно-неоднородными средами.
31.Особенности процесса деполяризации зондирующего лазерного излучения
при распространении в пространственно-неоднородном слое.
Часть II.
1. Одночастотный режим генерации лазеров. Особенности однородного и
неоднородного уширения линий.
2. Многочастотный режим генерации лазеров. Число возбуждаемых
продольных мод.
3. Методы селекции продольных типов колебаний в лазерах.
Конкуренция мод.
4. Методы активной синхронизации мод. Генерация оптических
импульсов. Связь длительности импульсов с шириной линии
излучения.
5. Открытые оптические резонаторы, типы резонаторов.
6. Сложные оптические резонаторы, их функциональное назначение.
16
7. Собственные типы волн в резонаторе, моды высших порядков
гауссова пучка, методы селекции поперечных типов колебаний в
резонаторах лазеров.
8. Методы селекции связанных переходов в активной среде лазеров.
Параметр связи волн, конкуренция переходов.
9. Выходная оптическая мощность в лазерах, зависимость от параметра
насыщения и усиления. Оптимальные условия генерации.
10. Потери в лазерном резонаторе, оптимальные коэффициенты
пропускания зеркал.
11. Релаксационные колебания в лазерах, их зависимость от параметров
активной среды и резонатора. Особенности релаксационных колебаний
полупроводниковых и молекулярных лазеров.
12. Пространственная и временная когерентность излучения лазеров.
13. Флуктуации мощности и частоты излучения лазеров. Шумы
газоразрядных, твердотельных и полупроводниковых лазеров.
14. Конфокальный оптический резонатор. Устойчивость лазерных
резонаторов.
15.Когерентные свойства оптических полей. Функция взаимной
когерентности. Теоремы Винера-Хинчина и Ван-Циттерта-Цернике.
16.Пространственная когерентность. Теорема Ван-Циттерта-Цернике.
17.Интерференция частично-когерентного света. Метод низкокогерентной
интерферометрии и томографии.
18.Временная когерентность света. Теорема Винера-Хинчина. Принципы
Фурье-спектроскопии.
19.Лучевой подход в теории оптических волноводов. Виды оптических
волноводов, условия полного внутреннего отражения, yсловие
поперечного фазового резонанса.
20.Характеристические уравнения для полей TE и TM поляризации
планарного волновода.
21.Волновой подход в теории оптических волноводов.
17
22.Поперечные TE и TM моды планарного волновода, условия отсечки.
23.Возбуждение оптических волноводов, числовая апертура и апертурный
угол волновода, определение амплитуд мод.
24.Моды волноводов с круглым поперечным сечением.
25.Классификация мод волновода с круглым поперечным сечением и
ступенчатым профилем показателя преломления.
26.Приближение слабонаправляющего волновода. Линейно
поляризованные моды волновода с круглым поперечным сечением.
27.Уширение оптических импульсов в волноводах, виды дисперсии.
28.Конечно-разностный метод решения волновых уравнений.
29.Распространение светового пучка в нелинейном волноводе,
нелинейные моды.
30. Возможность измерения дисперсии световодов и фотонных
кристаллов при зондировании низко-когерентным оптическим
излучением.
31. Частотные и когерентные оптические методы определения дисперсии
оптических волокон.
32. Методы определения потерь в световодах.
33.Измерение дисперсии одномодовых световодов.
34.Спектральные свойства микроструктурных волокон.
35.Генерация суперконтинуума на основе микроструктурного волокна при
возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Оптические приборы в биофизике»
а) основная литература:
1. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях. М.: Физматлит. 2010. 488 с.
18
2. Когерентно-оптические методы в измерительной технике и
биофотонике. /В.П. Рябухо, В.В. Лычагов, А.Л. Кальянов, И.В. Федосов,
О.А. Перепелицына, Б.Б. Горбатенко, Л.А. Максимова. Под ред. проф.:
Рябухо В.П. и Тучина В.В. – Изд-во Саттелит, 2009. 127 с. ISBN: 978-5904395-06-3.
б) дополнительная литература:
1. Лычагов В.В. Рябухо В.П. Учебное пособие Низкокогерентная
интерференционная микроскопия и томография. Краткий курс лекций.
Саратовский государственный университет. Электронная библиотека
кафедры оптики и биофотоники. 2010 27 c.
2. Скалли М.О. И др. Квантовая оптика Переведено с англ. Калаевым
А.А. и др, Под редакцией Самарцева В.В.-М:ФИЗМАТЛИТ 2003510[2], Библиография: ISBN-5-9221-0398-9; ISBN-0-521-43458-0
3. Дудкин В. И., Пахомова Л. Н. Квантовая электроника. Приборы и их
применение Учебное пособие/ В.И. Дудкин, Л.Н. Пахомова М:
Техосфера
2006-432
с.илл.
Мир
электроники.
Библиогрфия с 430-432 , ISBN: 5-94836-076-8
4. Ларкин А. И., Юу Ф. Т. С. Когерентная фотоника /А.И.Ларкин,
Ф.Т.Юу-М:Бином лаб.знаний-2007-316[4] c: ил. Библиография в конце
главы,ISBN-978-5-94774-378-4
5. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры.Колебания,
волны, структура / Н.В. Карлов, Н.А.Кирченко; М:ФИЗМАТЛИТ, 2001496 с: ил-ISBN 5-9221-0205-2
6. Локшин Г.Р. Основы радиооптики: Учебное пособие. – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2009. – 344 с.
7. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи Волоконнооптические системы связи/Р Фриман; пер.с англ., под редакцией
Слепова, 3е изданиедоп., М:Техносфера 2006-495 [1] с рис., табл.,
с рис.,табл., ( Мир электроники), Бибилиография в конце, ISBN:594836-031-8; ISBN:5-10-005433-8
8. Розеншер Э. Оптоэлектроника /Э .Розеншер, Б.Винтер: перев. с
французского под редакцией Ермакова; 2е издание. М: Техносфера
2006-588 рис,табл., ( Мир электроники), Бибилиография в конце,
ISBN:5-94836-031-8; ISBN:5-10-005433-8
19
9. Абрамочкин Е.Г., Волостников В.Г. Современная оптика гауссовых
пучков. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2010. 184 стр.
10.В. В. Лычагов, А. Л. Кальянов, В. П. Рябухо. Низкокогерентная
микроинтерферометрия внутренней структуры кристаллизовавшейся
плазмы крови. Оптика и спектроскопия, 2009, том 107, № 6, с. 909–
916.
11.Лычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л., Смирнов И.В.
Низкокогерентная
интерферометрия
слоистых
структур
в
полихроматическом свете с цифровой записью и обработкой
интерферограмм. Компьютерная Оптика. 2010. Т.34. В.4. С. 23-36.
12.А.Л. Кальянов, В.В Лычагов, Л.И. Малинова, А.А. Пайзиев, В.П.
Рябухо. Низкокогерентная полнопольная интерферометрия объемной
структуры кристаллизовавшейся капли солевого раствора белка.
Компьютерная Оптика. 2010. Т.34. В.1. С.90-100.
13.Гуров И.П. Оптическая когерентная томография: принципы, проблемы
и перспективы. /В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики.
/Под ред. И.П. Гурова и С.А.Козлова. СПб :СПбГУ ИТМО, 2004. С. 630.
14.Балтийский С.А., Гуров И.П., Де Никола С., Коппола Д., Ферраро П.
Современные методы цифровой голографии.  В кн.: Проблемы
когерентной и нелинейной оптики /Под ред. И.П. Гурова и С.А.
Козлова. - СПб: СПбГУ ИТМО. 2004. C. 91-117.
15.И.П. Гуров Компьютерная фотоника: принципы, проблемы и
перспективы. //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2005.
Вып. 21. С. 5-20. http://faculty.ifmo.ru/kf/docs/Computer_Photonics.pdf
16.Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Статистическая радиофизика
и оптика. Случайные колебания и волны в линейных системах. Москва,
ФИЗМАТЛИТ, 2010. 428 стр.
17.Горелик Г. С. Колебания и волны Учебное пособие /Г.С. Горелик, под
редакцией
С.М.
Рытова,
ред.
совет:Н.Н.
Кудрявцев
3е изданиеМ:ФИЗМАТЛИТ 2008-655[1] c: рис. Библиография с 649.
Предметный
указатель:
с
650-655
ISBN: 978-5-9221-0776-1
18.Ермаков О. Прикладная оптоэлектроника Руководство/ О.Н. ЕрмаковМ:Техносфера 2004-414 [2] с рис.- (Мир электроники); Библиография
в конце главы, ISBN: 5-94836-0237
19.Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М: Наука. 1983.
20.Звелто О. Физика лазеров. М: Мир. 1979.
21.Ярив Я. Квантовая электроника. М: Советское радио 1980
22.Тучин В.В. Динамические процессы в газоразрядных лазерах .
23.М:Энергоатомиздат .1990 .
24.Справочник по лазерам.2 тома.Под ред. А.М.Прохорова. М:Советское
радио.1978.
20
25.Мейтлэнд А. , Данн М. Введение в физику лазеров. М:Наука .1978.
26.Полупроводниковые инжекционные лазеры.
Динамика,модуляция,спектры.М: Радио и связь .1980.
27.Рябухо В.П., Лякин Д.В. Теорема Винера-Хинчина в теории
пространственной когерентности в курсах статистической оптики и
радиофизики. Физическое образование в вузах. 2005. Т.11 В.3. С. 107118
28.Абрамочкин Е.Г., Волостников В.Г. Современная оптика гауссовых
пучков. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2010. 184 стр.
29.Манцызов Б.И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных
кристаллов. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009. 208 стр.
30.Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника
эксперимента.; Demtröder W. Laser Spectroscopy V. 1: Basic Principles;
V. 2: Experimental Techniques/ 4th edition. Berlin, Heidelberg, SpringerVerlag, 2008/ Пер. с англ.; под ред. Мельникова Л.А. М.: Интеллект,
2011.
31. Желтиков А.М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума
сверхкороткими лазерными импульсами // Успехи физ. наук 2006. Т.
176, №6. С. 623–649.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Когерентно-оптические методы в физике живых систем »
8.1. Лекционное материально-техническое обеспечение:
Кодоскоп для демонстраций оптического эксперимента, компьютер,
мультимедийный проектор, видеокамера и ПЗС-камера.
Лабораторные работы оптического практикума
Принципы низкокогерентной интерферометрии и томографии.
Принципы Фурье-спектроскопии.
Интерференционный микроскоп.
Сканирующий интерференционный микроскоп – принципы полнопольной
когерентной томографии биологических тканей.
5. Цифровой голографический фазовый микроскоп.
1.
2.
3.
4.
Специальный оптический практикум: Голография и голографические
измерения:
Лабораторная работа № 1. Голограммы Фурье.
Лабораторная работа № 2. Измерение малых углов наклона методом спеклфотографии в фурье-плоскости.
Лабораторная работа № 3. Измерение малых поперечных смещений
методом спекл-фотографии сфокусированного изображения.
21
Лабораторная работа № 4. Исследование деформаций методом
голографической интерферометрии.
Лабораторная
работа
№
5.
Цифровая
голографическая
интерферометрия фазовых объектов.
Специальный оптический практикум-1:
ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛАЗЕРОВ И СВЕТОВОДОВ
Лабораторная работа № 1. Спектр излучения полупроводникового лазера в
зависимости от параметра превышения усиления над потерями.
Лабораторная работа № 2. Спектр излучения He-Ne газового лазера в
многомодовом и одномодовом многочастотном режиме.
Лабораторная работа № 3. Оптический спектр твердотельного лазера с
диодной накачкой и генератором второй гармоники.
Лабораторная работа № 4. Лазерный гауссов пучок.
Лабораторная работа № 5. Высшие поперечные моды в лазерных
резонаторах.
Лабораторная работа № 6. Поляризационные и пространственные
характеристики лазерного диода.
Лабораторная работа № 7. Пространственная когерентность газовых и
твердотельных лазеров в интерференционной схеме Юнга.
Лабораторная работа № 8.Временная когерентность лазерного диода в
одночастотном и многочастотном режиме.
Лабораторная работа № 9.Временная когерентность He-Ne газового лазера и
ее связь оптическим спектром излучения.
Лабораторная работа № 10. Низко-когерентный оптический томограф.
Лабораторная работа №11. Лазерный интерферометр Маха-Цендера.
Лабораторная работа № 12. Измерение основных параметров одномодового
световода при исследовании расходимости гауссова пучка.
Лабораторная работа № 13. Исследование спекл-структуры высших
волноводных мод в многомодовых ступенчатых и градиентных световодах.
Лабораторная работа № 14. Поляризационные и пространственные
характеристики одномодовых и многомодовых световодов .
Лабораторная работа № 15. Измерение модовой дисперсии в мало и
многомодовых оптических световодах и фотонных кристаллах при
зондировании лазерым излучением с управляемой когерентностью.
Лабораторная работа № 16. Измерение модовой дисперсии в многомодовых
оптических волокнах лазерами с перестраиваемой частотой.
22
Лабораторная работа № 17. Измерение основных параметров
микроструктурного волокна при исследовании расходимости гауссова пучка.
Лабораторная работа № 18. Измерение показателя преломления
биологических жидкостей с помощью низко-когерентного томографа.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилю подготовки
Биофизика.
Авторы:
Зав. кафедрой оптики и биофотоники
д.ф.-м.н., профессор
В.В. Тучин
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
В.П. Рябухо
Доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.ф.-м.н., с.н.с.
Г.Г.Акчурин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от __20 мая 2011__года, протокол № _____6/11_____.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
23