激光在深海动物成像上的应用

挑战

完全黑暗、极端压力和低温的特点使深海成为一个独特的环境，但令人惊讶的是，它拥有一个非常繁忙和复杂的生态系统。它是科学家想要更好地了解的惊人而多样化的生命领域。MBARI（蒙特利湾水族馆研究所）的一个多学科研究团队（生物灵感实验室）专注于研究这些生物的形态和功能，包括生物力学和与其流体环境的相互作用。这项工作存在许多挑战，因为这些通常是精致、半透明的物体，很容易因物理接触或造成损坏。虽然该团队在温和地收集标本并在实验室环境中快速研究它们方面取得了一些成功，但能够在它们原生的深海家园中对这些生物进行成像和分析是必要的。

解决方案

该团队的研究工程师 Joost Daniels 表示：“我们在实验室中开发了一种用于捕获图像的面包板光学装置，包括标准粒子成像测速 (PIV) 方法，以查看由于游泳和其他运动引起的水流细节。然后，我们开始在一个紧凑、坚固的仪器中复制这一点，该仪器可以安装在深度达4公里的遥控潜水器 (ROV) 上。”该仪器 DeepPIV 在薄 (1 mm) 的激光片内照亮样品，并使用数码相机捕获2D图像。通过相对于目标动物移动整个车辆和仪器，然后使用图像重建来生成3D扫描。出于多种原因，该团队选择了在639 nm处具有2瓦低噪声输出的CW激光器（Coherent Genesis）。丹尼尔斯解释说：“到达深海生物的微弱光是蓝色或绿色的——它们从未遇到过红光，而且它们中的大多数对它完全不敏感。所以我们的技术不会以任何方式干扰它们的自然行为。”他补充说，他们需要至少2瓦的功率才能以高达每秒60帧的速度照亮55厘米x30厘米的图像。激光器还必须坚固可靠，不会出现意外停机。他还列举了指向稳定性、TEM00光束轮廓作为其他要素，以实现从保护性防水外壳到ROV关节臂末端的有效光纤耦合。

“我们使用2瓦639nm的CW激光对脆弱生物的结构和运动进行成像，在数千米的海洋深度运行我们的系统。”— Joost Daniels，加州莫斯兰丁蒙特利湾水族馆研究所研究工程师

结果

深海中一些最脆弱的结构包括由幼虫等动物分泌的粘液结构，用于捕获食物和避免捕食者。MBARI团队使用他们的 DeepPIV 系统成功进行的一项研究产生了其中一些粘液形式的高分辨率3D图像，揭示了它们的结构和功能的细节（参考）。该系统主要部署在蒙特雷峡谷深处，额定深度为4000米。在接近6000 psi的压力下，这绝对可以称为高压研究环境！