使用激光片光源对深海动物进行成像

挑战

集完全黑暗、极限压力和低温于一身的深海是一种独特的环境。但令人惊讶的是，那里却拥有非常忙碌和复杂的生态系统。 在这片家园生活着神奇、多样的生命，科学家们想要更好地了解它们。 MBARI（蒙特雷湾水族馆研究所）的一个多学科研究团队 (Bioinspiration Lab) 专注于研究这些生物的形态和功能，包括生物力学以及与其流体环境的相互作用。 这项工作挑战重重，因为这些生物通常很脆弱，呈半透明，很容易因物理接触或被带到海面而遭到伤害。 尽管该团队也曾成功地轻轻采集样本，随后快速在实验室环境中进行研究，而且小有成就，但能够在原生深海家园中对这些生物进行成像和分析很有必要。

解决方案

团队研究工程师 Joost Daniels 表示，“我们在实验室开发出了一种用于捕获图像的面包板光学装置，其中包括了一种标准粒子成像测速仪 (PIV) 方法，用于查看由于粒子游动和其他运动引起的水流细节。 然后，我们着手在一个紧凑、坚固的仪器中复制该装置，而该仪器可以在高达 4 千米深的位置安装在遥控车 (ROV) 上。”此仪器名为 DeepPIV，可以照亮一块薄 (1 mm) 激光片范围内的样本，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操控车和仪器，然后使用图像重建，可以生成 3D 扫描。 考虑多个原因之后，该团队选择了连续激光器 (Coherent Genesis)，它能够以 639 nm 提供 2 瓦低噪声输出。 Daniels 解释说：“能够触及深海生物体的光极少，只有蓝光或绿光，它们从未见过红光，而且它们中的大多数对红光完全不敏感。 因此，我们的技术不会以任何方式扰乱它们的自然行为。”他补充说，他们想要至少 2 瓦的功率，以便用每秒高达 60 帧的速度照亮 55 厘米 x 30 厘米的图像。 激光器还必须可靠耐用，不会出现意外停机。 他提到指向稳定性和 TEM00 光束轮廓是关键要素，关系到能否实现从保护性防水外壳到 ROV 关节臂末端的有效光纤耦合。

结果

深海里存在一些极其微妙的结构，其中就包括由幼形虫等动物分泌的粘液结构，用于捕获食物和躲避捕食者。 在 MBARI 团队使用 DeepPIV 系统成功开展的研究中，有一项得出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利海底峡谷深处，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！

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