Учёные-материаловеды могут узнать много нового о материале, облучая его лазером. Нелинейная оптическая микроскопия — это специализированный метод визуализации, который ищет изменения цвета интенсивного лазерного света. Исследователи могут собирать данные о том, как свет взаимодействует с образцом, и через длительные и дорогостоящие анализы характеризовать структуру материала и другие его свойства.
Теперь исследователи из Пенсильванского государственного университета разработали вычислительную систему, которая может интерпретировать изображения, полученные с помощью нелинейной оптической микроскопии, для детальной характеристики материала.
Команда опубликовала свой подход в журнале Optica.
«Нелинейная оптическая микроскопия — важный инструмент, который может раскрыть структурную информацию о различных материалах», — сказал ведущий автор Альберт Сучава, докторант в области материаловедения и инженерии в Пенсильванском государственном университете.
«Метод, который ищет экзотические взаимодействия между веществом и светом, может быть использован для наблюдения вещей в образцах материалов, обычно невидимых для нас. Образцы, которые вы можете изучать с помощью этой техники, могут быть из любого источника. Метод может быть использован во многих областях: от биологии до квантовых вычислений».
Глаза человека воспринимают мир через линейные оптические взаимодействия, такие как отражение, преломление и поглощение. В нелинейной оптической микроскопии используются сфокусированные лазерные лучи для получения более интенсивного света, чем можно получить от обычных источников света, таких как солнечный свет. Этот интенсивный свет может создавать новые виды оптических сигналов, которые обнаруживаются для формирования изображения.
«Мы использовали наше понимание классических оптических микроскопов для разработки вычислительного инструмента, который интерпретирует эти изображения, что позволяет определять свойства материала в микроскопическом масштабе», — говорится в работе.
Исследователи отметили, что их работа началась, когда они наблюдали неожиданные явления на микроскопических изображениях и задались вопросом, связано ли это с образцом или микроскопом.
«Этот проект начался, когда мы проводили нелинейную микроскопию на образце, который, как мы думали, мы очень хорошо понимаем, но на изображениях мы видели то, что не могли объяснить, почти как оптическую иллюзию», — сказал Сучава.
«Мы потратили очень много времени, чтобы убедиться, что наблюдения были не просто оптической иллюзией, а точными данными. Мы должны были убедиться, что можем точно определить, что делает микроскоп со светом и с нашим зондом, когда он сфокусирован очень плотно. Наш подход фокусируется на моделировании эффектов, которые оказывает плотная фокусировка лазера на поляризацию света, взаимодействующего с образцом».
Свет распространяется в виде электромагнитных волн с уникальными частотами, и взаимодействие атомов и молекул со светом, также известное как электромагнитное излучение, предоставляет информацию об их структуре.
«Свет действительно играет центральную роль в восприятии нашего мира; на самом деле, наше чувство физической реальности определяется тем, что мы видим», — сказал Венкатраман Гопалан, профессор материаловедения и инженерии в Пенсильванском государственном университете и соавтор статьи.
«Визуализация с помощью света очень важна, и мы постоянно ищем новые способы визуализации вещей. Всё дело во взаимодействии света с атомами и рассеянии».
Электромагнитный спектр включает в себя множество типов световых волн, от радиоволн до гамма-лучей. Каждый тип света имеет разную длину волны и частоту, и учёные могут использовать информацию о том, как объекты и материалы излучают, поглощают, пропускают или отражают свет, для исследования их свойств.
«Атомы вибрируют по-разному и создают музыку; они танцуют под разные ритмы, а свет подобен музыке», — сказал Гопалан. «От электронов до ядер, от кластеров атомов до их спинов — все они как бы танцуют на разных частотах. Это почти как опера. И когда, например, вы хотите узнать, как вибрируют атомы, вы можете отправить свет одного цвета, и атомы могут вибрировать и поглощать часть этого света».
«Свет, который отражается обратно, немного короче и другого цвета. У него немного большая длина волны и меньшая частота, потому что это отражает немного энергии, которую он отдал. Изучение структуры атомов и вибраций в молекулах на атомном уровне даёт очень хорошую характеристику материала».
Для этого исследования команда использовала технику, известную как микроскопия с генерацией второй гармоники.
«Генерация второй гармоники — это когда материал изменяет цвет света, удваивая его частоту», — сказал Гопалан. «Он может обнаруживать сигналы, которые указывают на однобокий танец электронов, который может выявить полярность материалов. Это удвоение частоты может превратить инфракрасное излучение в синий цвет, который исходит от этого однобокого танца электронов внутри атомов в этих твёрдых телах».
Учёные говорят, что могут создать изображение из сигналов, но истинная характеристика материала требует больше, чем просто создание изображения.
«Нам нужно знать, что происходит, что делают атомы, что происходит с локальными свойствами, но то, что нам говорит изображение, было проблемой, потому что информации гораздо больше, чем просто показать и рассказать», — сказал Гопалан.
Цель состояла в том, чтобы разработать систему, которая точно моделирует взаимодействие плотно сфокусированного света с образцами в нелинейной оптической микроскопии, предоставляя надёжную количественную информацию, по словам исследователей.
Команда протестировала свою систему на различных эталонных материалах, сравнивая результаты с известными свойствами. Сучава отметил, что, делая это, они также смогли извлечь количественную информацию из образцов. Понимание конкретных особенностей наряду с количественной информацией имеет решающее значение для разработки новых материалов и понимания их свойств, сказал Сучава.
«Наша система пытается выйти за рамки «посмотреть и увидеть», чтобы на самом деле сказать, почему изображение выглядит именно так», — сказал Сучава. «Мы хотим знать, какая дополнительная информация может быть скрыта в том, как изображения меняются при использовании разных источников света или разной оптики. Мы предполагаем, что эта система поможет стандартизировать подход к анализу данных в сообществе нелинейной оптики, чтобы улучшить согласованность и воспроизводимость характеристики материалов».
«Мы думаем, что нашли способ взглянуть на эту проблему, который проще, чем у других людей, и при этом даёт очень хорошее согласие с известными образцами. Сопоставляя свойства материала вместо того, чтобы просто делать снимок, мы можем помочь создать библиотеку свойств материала, которые можно использовать в различных приложениях».
Источник:
Пенсильванский государственный университет.
computational framework that can interpret the nonlinear optical microscopy images to characterize the material in microscopic detail.»,»The team has published its approach in the journal Optica.»,»\»Nonlinear optical microscopy is an important tool that can reveal structural information about different materials,\» said lead author Albert Suceava, doctoral student in materials science and engineering at Penn State.»,»\»The method, which looks for exotic interactions between matter and light, can be used to see things in material samples normally invisible to us otherwise. The samples you can study with this technique can come from anywhere. The method can be used in many fields ranging from biology to even quantum computing.\»»,»The way our eyes see the world is through linear optical interactions like reflection, refraction and absorption, Suceava explained.»,»\»Whereas in nonlinear optical microscopy, we use focused laser beams to get light that is more intense than what you can get with everyday light sources like sunlight,\» Suceava said. \»And this intense light can produce new kinds of optical signals that are detected to form an image. We can understand something about the structure of the material by looking at how these new signals change across a sample, or how they change with something like the polarization of the laser source.»,»\»From there, we used our understanding of classical optical microscopes to develop a computational tool to interpret these images, which enables the determination of material properties at the microscopic scale.\»»,»The work came about, the researchers said, when they observed unexpected phenomena in microscopy images and questioned whether it was due to the sample or the microscope.»,»\»This whole project started when we were doing nonlinear microscopy on a sample that we thought we understood very well but we were seeing things in our images that we couldn’t explain, almost like an optical illusion,\» Suceava said.»,»\»So, we took a very long time to ensure the observations were not just an optical illusion but accurate data. We had to make sure that we were able to break down exactly what the microscope is doing to the light and to our probe when it’s focused very tightly. Our approach focuses on modeling the effects that tight laser focusing has on the polarization of light that is interacting with the sample.\»»,»Light travels in the form of electromagnetic waves with unique frequencies, and the interaction of atoms and molecules with light—also known as electromagnetic radiation—provides information about their structure.»,»\»Light is really central to seeing our world; in fact, our sense of physical reality is dominated by what we see,\» said Venkatraman Gopalan, professor of materials science and engineering at Penn State and co-author on the paper. \»Imaging with light is very fundamental and we are constantly looking at new ways of imaging things. It’s all light interacting with atoms and scattering.\»»,»The electromagnetic spectrum has many types of light waves, ranging from radio waves to gamma rays. Each type of light has a different wavelength and frequency, and scientists can use the information on how objects and materials emit, absorb, transmit or reflect light to investigate their properties.»,»\»Atoms vibrate differently and make music; they dance to different beats, and light is like music,\» Gopalan said. \»From electrons to nuclei to clusters of atoms to their spins, they all sort of dance at different frequencies. It’s almost like an opera. And when, for example, you want to know how atoms are vibrating, you may send in one color of light, and the atoms may vibrate and absorb some of that light.»,»\»The light that’s reflected back is slightly shorter and different in color. It has a slightly longer wavelength and smaller frequency, because that reflects the little bit of energy it gave off. Looking at the atomic scale structure and vibrations in molecules gives a very good signature of the material.\»»,»There are many techniques of using light to study the properties of materials ranging from X-rays to thermal imaging. For this research, the team employed a technique known as second harmonic generation microscopy.»,»\»Second harmonic generation is where a material changes the color of light by doubling its frequency,\» Gopalan said. \»It can detect signals that indicate a lopsided dance of electrons, which can reveal the polarity of materials. This doubling of frequency can turn an infrared into blue, which comes from this lopsided dance of electrons inside the atoms in these solids.\»»,»The scientists say they can make an image from the signals, but truly characterizing a material requires more than just creating an image.»,»\»We need to know what is going on, what the atoms are doing, what’s going on with local properties, but what the image is telling us has been a challenge because there’s a lot more information than show and tell,\» Gopalan said.»,»The goal was to develop a framework that accurately models the interaction of tightly focused light with samples in nonlinear optical microscopy, providing reliable quantitative information, according to the researchers.»,»The team tested their framework on a variety of reference materials, comparing the results to known properties. Suceava noted that by doing this, they were also able to extract quantitative information from samples. Understanding the specific features, along with the quantitative information, is critical for developing new materials and understanding their properties, Suceava said.»,»\»Our framework tries to move beyond ‘look-and-see’ to actually say why an image looks the way it does,\» Suceava said. \»We want to know what additional information could be buried in the way images change with different light sources or different optics. We envision this framework as helping standardize the approach for data analysis in the non-linear optics community to improve the consistency and reproducibility of characterizing materials.»,»\»We think that we found a way to look at this problem that’s simpler than how other people have done it and still gives very good agreement with known samples. By mapping the material properties instead of just snapping a photo, we can help build a library of material properties that can be used in various applications.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tPennsylvania State University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник