Введение к работе
Актуальность темы
Исследования статистических характеристик электромагнитных нолей,
формируемых в результате стохастической интерфереіщии парциальных волн
при рассеянии когерентных пучков неоднородными средами, в течение
последних сорока лет заняли одно из центральных мест в оптике и
радиофизике. Значительное количество теоретических и экспериментальных
работ в данных областях обусловлено возможностями создания методов
бесконтактной диагностики рассеивающих сред путем статистичеекош и
спектрального анализа рассеянных электромагнитных полей и
необходимостью повышения качества передачи информации с
использованием электромагнитных полей через статические и динамические
рассеивающие среды. Среди многообразия работ, посвященных
исследованиям рассеянньк полей как носителя информации о рассеивающих
объектах, можно выделить два направления - спекл-оптику и
корреляционную спектроскопию динамических сред. В рамках спскл-оптики объединены работы, посвященные исследованиям статистических и корреляционных свойств квазистационарных рассеянных полей. Значительный вклад в развитие данного направления и в использование принципов спекл-оптики в ряде других разделов оптической науки внесли Л.Голдфишер, Дж.Гудмен, Дж.Дейнти, Т.Йошимура, Т.Асакура, а также группа Черновицкого университета (О.В.Ангельский, П.П.Максимяк и др.), Г.Р.Локшин, И.А.Попов, Ю.Т.Мазуренко, М.А.Воронцов, В.И.Шмальгаузен, БЛ.Зельдович, В.В.Шкунов, Н.Ф. Пилшіецкий и ряд других исследователей.
Метод корреляционной спектроскопии предполагает корреляционный анализ флуктуации интенсивности при рассеянии когерентного излучения динамическими средами и позволяет исследовать их характеристики в условиях однократного и многократного рассеяния. Разработки теоретических и экспериментальных основ метода представлены в работах
Э.Пайка, Г.Камминса, Э.Джейкмена, А.Я.Хайруллиной, А.Н.Королевича и А.П.Иванова с сотрудниками, М.Стефена, П.Вольфа, Ж.Марэ, Д.Пайна, С.Джона, Ф.Макинтоша, А.Йода, В.Л.Кузьмина, В.П.Романова и ряда других исследователей.
Вместе с тем, несмотря на значительное количество теоретических и эксперименталышх работ в области спекл-оптики и корреляциошюй спектроскопии, в настоящее время недостаточно разработаны обобщенные подходы к описанию свойств оптических полей со сложной пространственно-временной структурой, позволяющие рассматривать различные режимы рассеяния и различные типы рассеивающих сред, обеспечивая при этом простоту и надежность интерпретации результатов корреляционно-оптического эксперимента в сочетании с новыми возможностями в описании структуры рассеивающих объектов. Недостаточно исследованы статистические, корреляционные и поляризационные свойства оптических полей, формируемых в условиях перехода от многократного к однократному режиму рассеяния, а также при рассеянии когерентных пучков динамическими средами с фрактальными свойствами. Вместе с тем, проявления фрактального типа поведения флуктуации рассеянных полей в ограниченных диапазонах пространственно-временных масштабов имеют достаточно общий характер, и их анализ может быть предложен в качестве основы качественно новых когерентно-оптических методов исследования динамических рассеивающих сред.
В связи с этим развитие методов корреляционного анализа оптических полей с предфрактальными свойствами является фундаментальной и актуальной научной проблемой в области статистической оптики.
Цель настоящей диссертационной работы заключалась в разработке общей концепции анализа флуктуации оптических полей при рассеянии когерентных пучков динамическими средами как обобщенных броуновских процессов с предфрзктальными свойствами, ее экспериментальном
подтверждении, а также в разработке методов и средств корреляционно-оптической диагностики и визуализации различных технических и биологических объектов.
В рамках решения поставленной проблемы решались следующие задачи:
иселедоваїшя статистических свойств частичпо развитых спекл-полей, формируемых в условиях однократного рассеяния когерентных пучков раессивателями, з'Дшіетворяк>щими модели "случайный фазовый экран" и характеризуемых различными (в том числе и фрактальными) свойствами флуктуации фазы граничного поля;
анализ масштабных свойств флуктуации интенсивности рассеянпых полей в ближней и дальней зонах дифракшш при однократном рассеянии когерентных зондирующих пучков на движущихся рассеивателях с фрактальными свойствами, допускающих описание в рамках моделей "случайный фазовый экран" и "случайный бинарный амплитудный экран";
исследования статистических и корреляционных свойств флуктуации интенсивности рассеянных световых полей с различными состояниями поляризации при рассеянии когерентных пучков статическими и динамическими средами в условиях перехода от однократною к многократному рассеянию.
Работа выполнялась в рамках НИР по Российским межвузовским программам: "Университеты России"; "Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях"; "Фундаментальные исследования в области приборостроения"; "Оптика", гранта РФФИ "Научные школы"; в рамках НИР Института машиноведения РАН (с 1997 г. - Институт проблем точной механики и управления РАН) по научным программам РАН "Машина-человек-среда" и "Машиностроение и технология", а также в рамках Международного гранта CRDF N RB1- 230.
Научная новизна работы
-
Впервые получены соотношения между фрактальной размерностью флуктуации рассеянного поля в точке наблюдения и фрактальной размерностью, описывающей структуру рассеивающей среды или характер движения рассеивающих центров, для наиболее характерных случаев формирования и наблюдения рассеянных световых полей.
-
При исследоваїшях статистики рассеяшплх полей, формируемых в режиме однократного рассеяния когерентных пучков с конечными значениями размера апертуры и радиуса кривизны волнового фронта случайными фазовыми объектами, обнаружены масштабные эффекты, определяющие специфические свойства флуктуации интенсивности при малых числах элементарных рассеивателей в области рассеяния - образование локальных максимумов и минимумов статистических моментов второго и более высоких порядков в зоне дальнего поля и бимодалыюсть функции плотности вероятности.
-
Впервые исследованы особенности подавления диффузной компоненты рассеянного поля в режиме однократного рассеяния фазовыми объектами при уменьшении размеров апертуры освещающего пучка в зависимости от формы автокорреляционной функции флуктуации фазы граничного поля и наличия у исследуемых объектов фрактальных свойств.
-
Произведено обобщение поїития субфрактальных распределений путем введения концепции субфрактальных структур произвольного порядка. Данный подход позволяет, в частности, описать особенности распределений амплитуды и фазы граничного поля с фрактальными свойствами локальных значений "наклона" волнового фронта, его "кривизны" и др. Продемонстрирован эффект подавления осцилляции контраста в зоне дальнего поля при возрастании порядка субфрактальности для частотно-ограниченных субфрактальных рассеивающих структур типа "случайный фазовый экран" с дискретными спектрами флуктуации фазы.
5. Впервые экспериментально продемонстрирована взаимосвязь корреляционных и поляризационных характеристик рассеянных полей в условиях многократного рассеяния, выражающаяся в существовании универсального параметра рассеивающей среды, не зависящего от концентрации рассеивающих центров - характеристического времени корреляции флуктуации рассеянного поля.
Практическая значимость результатов исследований
-
Результаты проведенных теоретических и экспериметггалъных исследований позволяют предложить методологию анализа структуры и динамики рассеивающих сред путем исследований структурных функций флуктуации интенсивности рассеянных световых полей. Измерение значений экспоненциального фактора или фрактальной размерности, а также топотезы для флуктуационной компоненты интенсивности при сканировании когерентными пучками рассеивающих поверхностей является основой для разработки бесконтактных когерентно-оптических методов исследования микротопологии поверхностей.
-
Разработан метод формирования изображений оптически неоднородных объектов и структур, основанный на использовании локальных оценок экспоненциального фактора флуктуации интенсивности при сканировании рассеивающих объектов когерентными пучками в качестве параметра визуализации.
-
Результаты исследований статистических свойств флукзуаций интенсивности при рассеянии когерентных пучков с ограниченной апертурой оптически неоднородными фазовыми объектами являются основой для разработки инвазивных и неинвазивных методов экспресс-анализа структуры тканей в биологии и медицине.
4. Использование гауссовых зондирующих пучков в комбинации с
разработанной феноменологической моделью формирования флуктуации
интенсивности при сканировании является основой разработанного метода
восстановления функций распределения локальных неоднородностей рассеивающего объекта по размерам. Анализ структурных функций флуктуации интенсивности при сканировании остросфокусированными когерентными пучками бинарных изображений исследуемых объектов является основой статистического метода анализа изображений. 5. Лабораторные образцы установок, разработанные в ходе вьшолнения экспериментальных исследований, в результате модификации могут быть использованы для создания лазерных измерительных систем с компьютерным управлением для размерного контроля в машиностроении.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
-
При рассеянии широких коллимированных когерентных пучков движущимися средами, допускающими описание в рамках модели "гауссов фазовый экран с фрактальными свойствами", значения фрактальной размерности временных флуктуации интенсивности в зоне дальнего поля совпадают со значениями фрактальной размерности пространственных флуктуации фазы граничного поля, определяемыми по одномерным реализациям.
-
При рассеянии когерентных пучков движущимися средами типа "случайный фазовый экран с фрактальными свойствами" и использовании оптических систем с конечной шириной спектра апертурной функции значения фрактальной размерности временных флуктуации интенсивности превышают значения фрактальной размерности пространственных флуктуации фазы граничного поля, определяемые по одномерным реализациям. В предельном случае оптических систем с бесконечно широким спектром апертурной функции фрактальная размерность временных флуктуации интенсивности связана с фрактальной размерностью пространственных флуктуации фазы граничного поля как D1 = 2D* - 1.
-
Рассеяние когерентных пучков с ограниченной апертурой движущимися объектами типа "случайный фазовый экран" характеризуется проявлением ряда масштабных эффектов при наблюдении флуктуации интенсивности в зоне дальнею ноля ("микролинзовый" эффект, эффект "бимодальности" функций плотности вероятности интенсивности).
-
В случае многократного рассеяния когерентных пучков макроскопически однородными движущимися средами фрактальные размерности флуктуации ашшпуды и пптепсивности рассеянного поля превышают фрактальную размерность, определяемую типом движения рассеивающей среды. В предельном случае (диффузионный режим распространения зондирующего пучка, использование точечного источника и точечного приемника с изотропными характеристиками) значения фрактальных размерностей связаны следующим выражением D'=l + D/2.
-
Связь декоррелтф^щих и деполяризующих свойств многократно рассеивающих динамических сред при распространеіши в них когерентных пучков определяется так называемым характеристическим временем корреляции, не зависящим от концентрации рассеивающих центров и определяемым в случае броуновских рассеивающих ансамблей отношением транспортной длины I* к характерному масштабу деполяризации ,: х^ = х0Г /2L, где т0~4 равно произведению коэффициента диффузии рассеивающих пентров на квадрат волнового числа зондирующего пучка.
-
Предложен метод диагностики и визуализации структуры макроскопически неоднородных рассеивающих сред, заключающийся в использовании локальных оценок экспоненциального фактора флуктуации интенсивности при сканировании исследуемых объектов когерентными зондирующими пучками в качестве параметра визуализации.
Личный вклад автора
Ряд задач настоящей диссертационной работы выполнен при научном консультировании и непосредственном творческом участии профессора В.В.Тучіпіа, который таюке явился инициатором постаповки задач корреляционной диагностики структуры биологических объектов.
Инициатором постановки и основным исполнителем большинства исследований, результаты которых включены в диссертационную работу, является автор работы. Ряд теоретических и экспериментальных исследований выполнен автором при творческом участии В.П.Рябухо, С.С.Ульянова, С.Р.Утца, с помощью сотрудников и аспирантов А.А.Мишина, К.В.Ларина, И.С.Переточкина, А.Н.Серова, работающих под его научным руководством.
Автор выражает благодарность и признательность всем вышеупомянутым лицам.
Апробация работы
Результаты работы представлялись на: Всероссийской конференции с международным участием "Проблемы фундаментальной физики" (Россия, 1996); Международных конференциях SPIE: Biomedical Optics'93 (USA, Los Angeles, 1993); Biomedical Optics' Europe'93 (Будапешт, Венгрия, 1993); Biomedical Optics' Europe'94 (France, Lille, 1994); Biomedical Optics'95 ( USA, San Jose, 1995); Medical Imaging'95 (USA, San Diego, 1995); Holography&Correlation Optics (Украина, Черновцы, 1993, 1995, 1997); Biomedical Optics'97 ( USA, San Jose, 1997); Семинаре Международного Центра Биокибернетики Польской Академии Наук "Optoelectronics in Medical Diagnosis" (Польша, Варшава, 1995); Международной конференции "Nonlinear Dynamics and Chaos: Applications in Physics, Biology and Medicine (ICND'96)" (Россия, Саратов, 1996); Международной конференции "Fractal'97" (USA, Denver, 1997); XXV школе по голографии и когерентной оптике (Россия, Ярославль, 1997); Международной конференции "Проблемы
и перспективы прецизионной механики н управления в машиностроении" (Россия, Саратов, 1997); научных семинарах Саратовского госуниверситета, Института проблем точной механики и управления РАН, физического факультета Вроцлавского технического университета (Польша), факультета физики и астрономии и лаборатории исследований структуры материалов Пенсильванского университета (США, Филадельфия).
Структура и объем работы
