Лазерные лучи, сходящиеся под значительными углами фокусировки, имеют разнообразные приложения, включая фотоакустическую спектроскопию с кварцевым усилением, визуализацию с высоким пространственным разрешением и профилометрию. Из-за ограниченной применимости параксиального приближения, которое справедливо только для сценариев плавной фокусировки, численное моделирование становится необходимым для достижения оптимальной оптимизации параметров для систем визуализации диагностики, которые используют сходящиеся лазерные лучи. Авторы представили новую методологию для моделирования лазерных лучей, резко сфокусированных на мутной рассеивающей среде, подобной ткани, путем использования однонаправленного приближения уравнения Гельмгольца. Предлагаемый подход к моделированию учитывает сложную структуру биологических тканей, демонстрируя его способность эффективно моделировать широкий спектр случайных многослойных сред, напоминающих ткань. Применяя эту методологию к гауссовому лазерному лучу с параболическим волновым фронтом, прогноз выявляет наличие двух горячих точек вблизи области фокусировки. Область горячей точки интенсивности, близкая к максимальной, имеет продольный размер около 3–5 м и поперечный размер около 1–2 м. Эти значения подходят для оценки пространственного разрешения при визуализации тканей при использовании остро сфокусированных лазерных лучей. Моделирование также предсказывает область горячей точки интенсивности, близкую к максимальной, с поперечным и продольным размерами около 1 м, расположенную сразу за фокусным расстоянием для лазерных лучей в форме Бесселя с параболическим волновым фронтом. Результаты моделирования показывают, что оптические методы визуализации, использующие лазерные лучи с волновым фронтом, создаваемым линзой аксикон, будут демонстрировать ограниченное пространственное разрешение. Длина волны, используемая в модельных исследованиях для оценки размеров пятна фокусировки, выбирается в диапазоне, типичном для оптической когерентной томографии, что дает представление об ограничении пространственного разрешения. Ключевое преимущество подхода однонаправленного приближения уравнения Гельмгольца перед параксиальным приближением заключается в его способности моделировать распространение лазерного луча с непараболическим волновым фронтом.
Лаборатория лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения
Laboratory of Laser Molecular Imaging and Machine Learning