Diploma (M.Sc.) thesis: A short survey

Since nobody will be interested in these things, I did not waste any time in translating these texts into English. Upon request a postscript version of the complete text (in German) is available.

Einleitung

Im täglichen Leben sind wir ständig von Licht und Materie, die miteinander in Wechselwirkung stehen, umgeben. Insbesondere tritt häufig das Problem auf, daß streuende Medien unsere Sicht beeinflußen. So führen Nebelbänke, die sich oft in unübersichtlichen Kurven bilden, Jahr für Jahr zu Massenkarambolagen mit großen Personen- und Sachschäden. Ebenso 'trüben' nur allzuoft Wolken die Freude am wohlverdienten Wochenendausflug.
Obige Beispiele illustrieren zwei vollkommen unterschiedliche Situationen: zum einen die Transillumination, bei der man den Weg des Lichtes durch ein streuendes Medium hindurch betrachtet (Sonnenlicht durchdringt Wolken), und zum anderen die Rückstreuung, wenn z.B. ein Auto mit Licht im Nebel fährt.
Für experimentelle Untersuchungen ist die Transillumination in der Regel einfacher handzuhaben, da man von beiden Seiten an das streuende Medium herankommt und in der Regel relativ hohe Lichtintensitäten vorliegen. Rückstreuexperimente sind dagegen meist durch relativ schwache Signale gekennzeichnet. Dafür reicht es jedoch aus, daß das zu untersuchende Medium nur von einer Seite zugänglich ist. Dies ist der Hauptgrund, weshalb an Rückstreuexperimenten ein großes Interesse besteht:
Effektive Verfahren zur Untersuchung der Rückstreuung erlauben beispielsweise die Untersuchung von Industrieabgasen aus großen Entfernungen, sowie das Studium von Wolken vom Boden aus. Bei diesen Verfahren werden analog zum RADAR (RADAR ist die Abkürzung von RAdio Detecting And Ranging.) kurze Lichtimpulse in das zu untersuchende Medium geschickt und das zurückgestreute Licht beobachtet. Diese Technik wird deshalb als LIDAR bezeichnet. Je nach Anwendungsgebiet benutzt man unterschiedliche Lichtquellen, deren Wellen- und Impulslängen optimal an die zu untersuchende Substanz angepaßt sein müssen.
Ein weiterer interessanter Themenkomplex, in dem die Rückstreuung zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die medizinische Anwendung von LIDAR-Systemen zur Untersuchung von menschlichem Gewebe. Gegenüber Röntgenuntersuchungen bieten die auf Licht basierenden LIDAR-Systeme den Vorteil geringerer Nebenwirkungen. Ultraschallmethoden bieten, beispielsweise bei der Untersuchung von inneren Organen, Verfahren mit guter Ortsauflösung (Die verwendete Frequenz liegt im Megaherzbereich, was erreichbare Auflösungen von unter 0.1mm ergibt.). In anderen Bereichen -insbesondere in der Dermatologie- sind weder Röntgen- noch Ultraschallverfahren bisher zufriedenstellend anwendbar. Betrachtet man die Häufigkeit, mit der etwa Hautkrebs auftritt, und wie gut die Heilungschancen bei diesem Typ von Krebs sind, wenn er nur früh genug erkannt wird, so ist hier ein besonderer Bedarf an neuen Verfahren zur Früherkennung gegeben. Optischen Verfahren kommt hier zugute, daß sich Tumorgewebe meist in den Streu- und Absorptionseigenschaften von gesundem Gewebe unterscheidet. Besonders interessant ist hier der nahinfrarote Spektralbereich, in dem menschliche Haut eine geringe Absorption aufweist und somit die Eigenschaften der Streuung besonders gut zu untersuchen sind. Ein LIDAR-System zur Untersuchung von Haut sollte bis zu einer Tiefe von etwa 1mm in die Haut 'hineinsehen' können. Ferner ist eine möglichst hohe Auflösung im Bereich von 50um anzustreben, um dem Arzt einen möglichst guten Überblick über Lage und Art der Veränderung zu geben. Für diese Aufgabe sind die in den letzten zehn Jahren entwickelten Titan-Saphir-Laser vortrefflich geeignet. Zusammen mit einem ultraschnellen Lichtdetektor, der mit einem nichtlinearen Kristall realisiert werden kann, läßt sich so ein Femtosekunden-LIDAR-System aufbauen, das obige Anforderungen erfüllt.
In dieser Arbeit wird ein solches LIDAR-System zunächst charakterisiert und dann seine Leistungsfähigkeit an Modellsystemen für Tumore demonstriert. Als streuendes Medium wurden dabei kleine, in Wasser suspendierte Polystyrol-Kügelchen verwendet. Mit diesen können -je nach Kugelgröße und Konzentration- die optischen Parameter der Suspension nahezu beliebig 'eingestellt' werden. Mit der Mie-Theorie steht für das Streuverhalten dieser Suspensionen außerdem eine gute theoretische Beschreibung zur Verfügung. Zur Erweiterung des physikalischen Verständnisses, insbesondere bezüglich der Einflüsse der Parameter des optischen Aufbaus auf die Ergebnisse der Messungen, werden ein Monte-Carlo-Programm und damit erstellte Simulationen einiger Messungen präsentiert.
Seit langem ist bekannt, daß sich beispielsweise Bienen, wenn die Sonne durch Wolken verdeckt ist, bei ihren Sammelflügen an polarisiertem Licht orientieren. Dieser polarisierte Anteil entsteht, wenn das Sonnenlicht durch die Wolken auf die Erde gelangt. Der Einfluß der Rückstreuung auf die Polarisation des Lichtes wird in einem eigenen Kapitel, gefolgt von Messungen zu einem Phänomen, genannt 'Schwache Lokalisierung', dargestellt. Als kleiner Seitenblick wird an einem Aerosol demonstriert, wie mittels dieses Femtosekunden-LIDAR-Systems ein handliches Modell für die Meteorologie zur bodengestützten Untersuchung von Wolken realisiert werden könnte.
Messungen an menschlicher Haut, welche direkt nach dem Entfernen im Operationssaal der dermatologischen Klinik der Ludwig-Maximilians-Universität ins Labor transportiert und vermessen wurde, zeigen die praktische Anwendbarkeit des vorgestellten LIDAR-Systems und schließen die Arbeit ab.

Inhalt

  1. Streutheorie
  2. Der Aufbau
    Der Titan-Saphir-Laser
    Der Messplatz
  3. Monte-Carlo-Rechnungen
    Geometrisches Modell
    Das spezielle Programm
  4. Charakteristische Parameter des Aufbaus
    Direkte Messung
    Strahlprofil, Strahldivergenz
    Bestimmung des Akzeptanzwinkels
    Berechnung der Detektorgrösse
    Auflösungsvermögen
    Indirekt mit dem Monte-Carlo-Programm
    Zusammenfassung aller Parameter
  5. Objekte in streuenden Medien
    Dauerstrichcharakterisierung der Objekte mittels einer CCD-Zeile
    2D-Scans von Nadeln
    3D-Scan einer kleinen Kugel
  6. Reflektierende Grenzflächen
  7. Schwache Lokalisierung
    Theorie
    Messungen
  8. Untersuchung eines Aerosols
  9. Untersuchung von Haut

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde ein Femtosekunden-LIDAR-System, basierend auf einem Titan-Saphir-Laser, vorgestellt. Durch verschiedene Messungen erfolgte eine umfassende Charakterisierung des Systems. Dabei wurden nicht nur die für ein LIDAR-System besonders interessanten Größen, Detektorgröße und Akzeptanzwinkel, sondern auch die räumliche Auflösung bestimmt. Sowohl zur Verifikation der erhaltenen Werte für die Detektorgröße und den Akzeptanzwinkel als auch zur Erleichterung der Interpretation der späteren Messungen wurde ein Monte-Carlo-Programm vorgestellt, welches das Experiment modelliert und die experimentellen Ergebnisse in allen Fällen ausgezeichnet gut reproduziert.
Verschiedene Untersuchungen mit diesem LIDAR-System sollten dessen Anwendungsmöglichkeiten zeigen. Dabei wurden einerseits die Abbildungseigenschaften des LIDAR-Systems durch die Aufnahme von Bildern kleiner Objekte, welche sich in stark streuenden Modellsubstanzen befanden, demonstriert. Hierbei konnten die Objekte noch in Tiefen dargestellt werden, die anderen Verfahren wie z.B. der Mikroskopie unzugänglich sind. Andererseits konnten aber aus den Streukurven auch theoretische Erkenntnisse gewonnen werden: Zum einen konnte der theoretisch vorhergesagte Verlauf für die mit der Zeit zunehmende Depolarisierung des zurückgestreuten Lichtes bestätigt werden. Zum anderen gestattete die Messung von Streukurven bei Streuwinkeln, die etwas kleiner als 180 Grad waren, die Existenz der schwachen Lokalisierung nachzuweisen. Dabei zeigte sich die theoretische Vorhersage bestätigt, daß für Streuwinkel nahe 180 Grad eine deutliche Erhöhung des gemessenen Signales zu erwarten ist.
Die Untersuchung eines Aerosols hat gezeigt, daß sich mit dem LIDAR-System auch ein handliches Modell für die Untersuchung von Wolken entwickeln ließe. Dieses Modell bietet gegenüber Feldversuchen den Vorteil, daß die zu untersuchenden Wolken in stark verkleinertem Maßstab im Labor mit guter Reproduzierbarkeit selbst 'hergestellt' werden können.
Bei der Untersuchung von verschiedenen Hautproben konnte mit dem LIDAR-System die Schichtstruktur der Haut aufgelöst werden. Es war darüberhinaus möglich, eine Hautveränderung (Naevuszellnaevus oder Lentigo maligna) sichtbar zu machen. Im Hinblick auf eine medizinische Anwendung dieser Anlage wäre es jedoch wünschenswert, einerseits die Strahlenbelastung der Probe, die bisher weit jenseits des für Gewebe seitens der Laserstrahlenschutzverordnung genehmigten Wertes liegt, zu reduzieren. Andererseits sind die derzeit nötigen Meßzeiten im Stundenbereich einem Patienten bei 'in vivo'-Messungen kaum zumutbar: Die zu untersuchende Hautstelle muß während der ganzen Messung ununterbrochen fixiert sein.
Ein möglicher Weg in diese Richtung wäre beispielsweise der Übergang zu anderen Kristallen bei der Summenfrequenzerzeugung, was sich durch die dann höhere Effektivität der Upconversion auch in stärkeren Signalen und damit kürzeren Meßzeiten niederschlagen würde.
Ferner bestünde die Möglichkeit durch Verwendung von nachverstärkten Impulsen im Referenzstrahlenbündel ebenfalls ein größeres Signal und damit kürzere Meßzeiten zu erhalten.
Aber schon jetzt wäre die Untersuchung von 'ex vivo'-Präparaten im Hinblick auf die optischen Parameter von unterschiedlichen Gewebeveränderungen, wie beispielsweise Karzinomen, ein überaus interessantes und weites Anwendungsgebiet von Titan-Saphir-basierten LIDAR-Systemen. Die so gewonnenen grundlegenden Kenntnisse über den Zusammenhang der optischen Parameter mit der Art einer Hautveränderung könnten auch beim Einsatz anderer Verfahren wie beispielsweise der optischen Kohärenzmikroskopie von Nutzen sein.
Für Erweiterungen böte sich hier insbesondere die Eigenschaft von Titan-Saphir-Lasern an, auf verschiedenen Zentralwellenlängen stabil Femtosekundenimpulse zu liefern: Durch Messung von Streukurven bei unterschiedlichen Wellenlängen, ließe sich die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption von Hautveränderungen noch als zusätzlicher Parameter zur Erkennung von malignen Hautveränderungen einführen. Eine weitere Möglichkeit wäre auch die Verwendung einer konfokalen Anordnung, wodurch die räumliche Auflösung noch erheblich gesteigert werden würde.
Insgesamt konnte gezeigt werden, daß es sich bei dem vorgestellten Femtosekunden-LIDAR-System um ein vielfältig anwendbares System zur Untersuchung von streuenden Medien handelt, das noch ein großes Potential für weitere Entwicklungen bietet.

Beispiele

Kugelschreiberkugel in stark streuender Suspension von Latexkugeln in einer Tiefe von etwa 0.8mm: FLI-Animation mit 650kB. Identische Parameter, nun aber in Wasser: 320kB.

References

The reader beeing interested in more details concerning this work may have a look at the following articles:
  • Optics Communications 131: 4-6 (Nov 1 1996), pages 351-358
  • Optics Communications 133: 1-6 (Jan 1 1997), pages 72-76
  • SPIE: Vol. 2326, pages 49-55
  • Conference Report: Laser 95, pages 580-582
  • Applied Physics B: Vol. 67(2), pages 257-261
    This article is compiled by Erik Baigar, <erik@baigar.de>, 10/1/1998.