Time of Flight Spectroscopy of Photon Migration in Turbid Media

Abstract

Light interacting with biological matter is dominated by light scattering; biological matter is turbid. In order not to harm the natural structure of biological matter, visible light can be used to investigate it, and to avoid the light being absorbed from e.g. blood and water, an optical window in the longer wavelength region of the visible spectrum is used, that is, red light. One can actually check the validity of this optical window in a very simple way with nothing but a normal flash light and a finger tip. Putting the finger tip onto the flash light, it can be seen what light is mostly let through, and indeed, the finger appears red!
Spectralon®, which is a type of plastic, is the material we know of with the highest diffuse reflectance, i.e. the most scattering material that has come to our attention. A first aim for this thesis was to investigate Spectralon® in terms of scattering and absorption coefficients, which is directly related to the number of events of scattering and absorption, respectively. These single events of scattering and absorption were recorded using Time-of-Flight Spectroscopy (TOFS).
The system used to measure these properties of Spectralon® in short consists of a laser, optical fibers, i.e. one source fiber and one detection fiber, and a detector. In order to diagnose the response of the system, i.e. how fast it is, so called Impulse Response Function (IRF) measurements are made. These IRF measurements are made in connection to each sample measurement, and in order not to harm the detector with the light coming from the laser, as well as attempting to fill the entire cross-section of the detection fiber with light, some material must be put in between the source and the detection fiber. That is, in one aspect, this material might be seen as a pair of shades for the detector, which in turn is our eyes. A second aim for this thesis was finding a suitable material for this very important job. These investigations were carried out both theoretically by running computer simulations, but foremost experimentally by systematically testing different materials and then comparing the results . The number of materials were narrowed down to four; black-printed white writing paper, ready black paper, black-sprayed Teflon® tape, and black masking tape.
As one of the first measurements in the world, the both the scattering coefficient and the absorption coefficient as a function of wavelength were measured for Spectralon®. The results agree with the theory on how the material should behave; the absorption coefficient increases with the wavelength and the scattering coefficient decreases in the same region.
As for finding a suitable IRF material, it could be concluded from the experiments that the black-printed paper, already used today by the Biophotonics group, despite the porous nature of paper, indeed is a suitable material for this type of measurement.

Popular Abstract (Swedish)

Då vi lyser med ljus på något ämne kan det huvudsakligen hända tre olika saker; ljuset går rakt igenom ämnet (transmitteras), ljuset tas upp av ämnet (absorberas) eller ljuset ändrar riktning i ämnet (sprids). Vi ser alla dessa effekter hela tiden och de är självklara i vårt vardagliga liv. Ett exempel är de färger vi uppfattar och som utgör en stor del av de synintryck som vi får från vår omgivning. Vi uppfattar ljuset från solen eller en vanlig glödlampa som vitt eftersom det består av alla färger, eller våglängder, som vi kan se. Att olika saker har olika färger beror på att de absorberar olika färger från det vita ljuset. Det gröna gräset till exempel absorberar alla färger i det vita ljuset utom just grönt, och just därför uppfattar vi det som grönt. Något vi uppfattar som svart absorberar alla våglängder, och något vitt absorberar inga våglängder alls. Varje slag av atomer (grundämnen), och därför också molekyler som ju består av atomer, absorberar olika våglängder och på så sätt kan ljus användas för att bestämma vilka grundämnen som ingår i en förening. Spridning, som är den dominerande processen då ljus lyses på biologisk materia, är effekten som till exempel gör himlen blå under dagen och röd eller gul vid soluppgången eller solnedgången.
Vi skiljer synligt ljus från annat ljus efter vårt ögas förmåga att uppfatta det. Solljus innehåller även våglängder som vi inte kan uppfatta. Exempel på sådana områden av våglängder är ultraviolett och infrarött. Det finns dock en hel del djurarter som kan uppfatta båda dessa våglängdsområden eller ett utav dem. Exempelvis blåmesen uppfattar förutom det synliga området även det ultravioletta. Det finns en sorts fjäril som uppfattar så mycket som tolv olika våglängdsområden, medans vi människor bara uppfattar ett! Grunden till dessa skillnader mellan olika arter ligger i den fysiologiska uppbyggnaden av ögat. Hos oss människor kanske förmågan att uppfatta olika våglängdsområden är begränsad, men det ljus vi uppfattar är hur som helst ofarligt för oss, det är så kallat icke-joniserande. Att någonting är icke-joniserande innebär att det inte har förmågan att ändra på strukturen hos atomer och molekyler i vår kropp eller i andra biologiska material. Dessutom skapar synligt ljus inte heller några andra obehag för oss. Därför kan det vara fördelaktigt att använda synligt ljus då man vill undersöka strukturen hos biologiska material. I biomedicinsk optik används synligt ljust med långa våglängder, det vill säga rött ljus, nära det infraröda våglängdsområdet. Anledningen till att rött ljus är att föredra framför andra färger är att till exempel vatten och blod, som är vanliga i biologiskt material, absorberar mindre av dessa våglängder. Att absorptionen är lägre innebär att man kan nå djupare ner i materialet med rött ljus.
Spridningen av detta röda ljus går att undersöka med rent matematiska modeller och datorer. Spridningen kan också undersökas experimentellt med en laser som ger de önskade våglängderna. Lasern skickar då en extremt kort puls av ljus som sedan leds genom en tunn glasfiber till materialet man önskar undersöka. På andra sidan av materialet finns ytterligare en glasfiber som leder ljuset vidare till detektorn. Enstaka händelser av absorption och spridning kan detekteras, och informationen kan användas för att bestämma vad materialet är uppbyggt av och hur.
Syftet med den här uppsatsen var huvudsakligen att försöka bidra med en förbättring av de experimentella mättekniker som används idag. För att de mätningar som görs ska vara exakta måste man veta hur snabbt systemet är, det vill säga hur lång tid det tar för pulsen från lasern att nå detektorn. När snabbheten testas placeras något material mellan glasfibern från lasern och glasfibern till detektorn, alltså där man normalt sett har sitt prov, och tiden det tar för ljuset att nå detektorn registreras. Det är nödvändigt att ha något material mellan de två fibrerna, bland annat för att dämpa ljuset som kommer från lasern som annars skulle förstöra detektorn. Man skulle på så sätt kunna se materialet mellan fibrerna som ett par solglasögon till detektorn, som ju är våra ögon. Vilket material som skulle kunna vara lämpligt för dessa mätningar undersöks, dels teoretiskt med hjälp av ett datorprogram, men också genom att experimentellt testa fyra olika material som kan tänkas vara passande. Idag används vanligt skrivpapper som gjorts svart som materialet mellan fibrerna, och det visade sig att detta papper fungerar bra för dessa mätningar.
Ett andra syfte var att undersöka en sorts plast som går under namnet Spectralon®. Spectralon® är det material vi känner till som sprider ljus i flest riktningar, det vill säga, när man lyser med ljus på Spectralon® sprids ljuset i alla riktningar runt omkring. Både absorptions- och spridningsegenskaperna för Spectralon® bestämdes.

• author: Paulsson, Johanna
• supervisor: Dmitry Khoptyar
• organization: Department of Physics; Atomic Physics
• course: FYSK01 20102
• year: 2014
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 4647718
• date added to LUP: 2014-12-03 14:42:29
• date last changed: 2014-12-03 14:42:29