线性偏振光激发Ⅰ型胶原纤维产生二次谐波的显微成像理论

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本文建立模型来探究Ⅰ型胶原蛋白在线性偏振入射光照射下,所激发出二次谐波(SHG)的显微成像理论。我们重点讨论了以下几个参量对激发SHG的影响,其中主要包括入射光偏振方向(α),数值孔径(NA),超极化率比率(p=βxxx/βxyy)和胶原倾斜角(φ)。我们的模拟结果显示,以上各个参量对SHG的激发能量大小、分布、传播方向等情况都有着不同程度的影响。   我们的模拟结果显示入射光的线性偏振方向(α)是影响SHG能量大小的很重要因素,SHG发射能量随着α呈现了周期性的变化。偏振方向(α)同时也是影响SHG最大强度偏转方向的重要因素。为了可以更好的说明α对SHG强度的作用,我们特殊地对比了在线性偏振准直光和聚焦光下激发出SHG的差别。我们探究了SHG沿着f轴的分量I2ω,i(i=x,y,z)、SHG发射偏离角γij和利用旋转偏振片的偏振角φij(i=x,x,y,j=y,z,z)在ij平面内所收集到的SHG信号强度,I2ω,ij。结果显示,在xy平面内,准直光和聚焦光激发SHG随着偏振角α的改变没有出现明显的差别,包括,I2ω,x,I2ω,y,γxy和I2ω,xy。   数值孔径直接影响聚焦光的聚集程度,在激发光在通过聚焦点后有一定的相位延迟,直接导致SHG发射沿看两叶方向传播。我们的模拟结果显示低NA使SHG发射的模式呈现相对靠近的两叶,但是高NA使得SHG发射沿着相对远离的两叶。   超极化率比率(p=βxxx/βxyy)很大程度上反应了胶原的结构特性。SHG激发随着ρ的变化呈现出复杂的形式,具体表现在α影响SHG的发射能量大小的同时,在偏振角α≠0°的情况下,ρ在±3之间的变化使得SHG能量呈现出不对称的激发模式。这说明偏振方向α和超极化率比率P对于SHG的影响同样明显。除此之外,胶原纤维极性反转(ρ=±2.6)也作用于SHG强度,如I2ω,x,γxy和I2ω,xy。准直光和聚焦光下,I2ω,x和γxy模拟结果很相似,但是在偏振角α=30°的时候,I2ω,xy还是表现出些许的不同。在聚焦光偏振方向α的变化下,极性反转对SHG强度信号I2ω,xz,I2ω,yz的收集以及最大强度偏振角γxz,γyz影响很大,尤其在偏振角α=60°的时候。   最后我们讨论了胶原位于旋转轴情况下,在偏振角α和胶原倾斜角φ共同作用下的SHG电场强度和发射能量沿着直角坐标系的分布情况。当φ超过π/4的时候,SHG信号几乎探测不到。SHG电场强度(E2ω,E2ω,P,E2ω,S)和能量分布(P2ω,P2ω,P,P2ω,S)受到倾斜角的影响非常明显。在α=0°和α=90°情况下,倾斜角φ作用于E2ω,P,E2ω,S,P2ω,P,和P2ω,S表现出了相同的激发模式。可是当a=45°E2ω,S和P2ω,S出现了较大差异的模式,E2ω,P和P2ω,P与α=O°和α=90°的时候很相似。但背向与前向的SHG激发模式不沿着±z^方向对称。SHG总电场强度E2ω和能量分布P2ω的激发模式基本相同,当φ=27°,二者达到峰值。我们的理论模拟为线性偏振光下胶原中产生的SHG显微成像实验提供了有力的线索。
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