Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из основных направлений лазерной физики является разработка фундаментальных основ и практическая реализация методов бесконтактного зондирования оптически неоднородных объектов и сред с использованием лазерного излучения. В качестве параметров, несущих информацию о структуре и динамике рассеивающих объектов, могут быть использованы статистические моменты различных порядков характеристик рассеянного лазерного излучения: интенсивности, фазы, поляризации, а также их комбинации, чувствительные к изменениям структуры и динамики зондируемых объектов. С момента появления лазерных источников интенсивное развитие техники и технологий в области создания новых источников и приемников оптического излучения стимулировало значительный интерес к решению фундаментальных и прикладных задач исследования взаимодействия когерентного излучения с ансамблями движущихся рассеивателей различной природы. Классическими примерами прикладных задач, успешно решаемых с помощью анализа стохастических интерференционных сигналов, формируемых в результате рассеяния лазерного излучения, являются задачи визуализации и определения скорости движения рассеивателей в оптически неоднородных средах и параметров потоков газов, жидкостей и сыпучих материалов. Следует также отметить успешное применение методов квазиупругого рассеяния света к анализу дисперсных систем со сложной структурой и динамикой: полимеризующихся сред, процессов агрегации и кластеризации частиц в коллоидных системах, вспененных материалов с изменяющимися во времени характеристиками и др. Значительный вклад в развитие данного направления в последние три десятилетия внесен группами Б. Чанса (В. Chance), Д. Пайна (D. Pine) и Д. Вейтца (D.A. Weitz), А.Йода (A. Yodh), С. Жака (S. Jacques) , Д. Боаса (D. Boas), Л. Ванга (L. Wang), Дж. Брайерса (J.D. Briers), Ф. Шеффолда (F. Scheffold), Ж. Марэ (G. Maret) и П.-Э. Вольфа (Р.Е. Wolf), Ф. де Мула (F.F.M. de Mul), И.В. Меглинского в США и Западной Европе, Т. Асакуры (Т. Asakura), Т. Йосимуры (T.Yoshimura) в Японии, О.А. Ангельского, А.Я. Хайруллиной, А. Н. Понявиной, В.Л. Кузьмина и М.В.Романова, Е.Е. Городничева и Д.Б. Рогозкина, Л.М. Веселова и И.А. Попова, А.В. Приезжева, Н.Г. Хлебцова, В.В.Тучина, В.П. Рябухо, С.С.Ульянова, Д.А. Зимнякова и др. в России и странах ближнего зарубежья.
Группа методов, получивших различные названия: диффузионно-волновая спектроскопия, спектроскопия оптического смешения, корреляционная спектроскопия, спектроскопия квазиупругого рассеяния и др., основана на анализе биений детектируемого оптического сигнала, формируемого в результате стохастической интерференции составляющих рассеянного поля с разными мгновенными значениями доплеровского сдвига вследствие рассеяния зонди-
рующего излучения на динамическом ансамбле случайных рассеивателей. Аналогичные подходы применимы и к анализу структурных характеристик стационарных случайно-неоднородных объектов и сред в случае исследования пространственно-временных флуктуации интенсивности рассеянного излучения при сканировании исследуемых объектов коллимированными или сфокусированными лазерными пучками; подобное направление в технике лазерного зондирования объектов со сложной структурой может быть условно названо пространственной спекл-коррелометрией.
Следует отметить, что несмотря на интенсивное развитие фундаментальных и прикладных аспектов когерентно-оптических методов зондирования сред со сложной структурой и динамикой с использованием лазерного излучения в последние три десятилетия, вплоть до настоящего времени недостаточно полно и систематически исследованы вопросы взаимосвязей статистических и масштабных свойств флуктуации интенсивности детектируемого оптического сигнала со структурными и динамическими характеристиками случайно-неоднородных рассеивающих систем, а также влияние на эти взаимосвязи условий зондирования рассеивающих систем когерентным и частично когерентным излучением.
В связи с этим целью данной работы явилось развитие существующих и разработка новых методов лазерной дифрактометрии и спекл-коррелометрии динамических и статических случайно-неоднородных рассевающих сред при зондировании когерентным и частично-когерентным излучением на основе теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязей статистических и масштабных свойств спекл-модулированных оптических полей со структурными и динамическими характеристиками порождающих их рассеивающих систем.
В рамках решения поставленной проблемы были сформулированы и решались следующие задачи:
теоретические исследования особенностей эффекта хаотизации флуктуации интенсивности рассеянного излучения при дифракции остросфокусирован-ных лазерных пучков на движущихся предфрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах;
экспериментальные исследования применимости оценок спектральных моментов пространственных распределений интенсивности рассеянного вперед лазерного излучения для количественного описания особенностей структуры оптически тонких слоев случайно-неоднородных сред (в том числе изменений морфологии in-vitro образцов биотканей при воздействии различных агентов);
теоретический анализ и экспериментальная апробация метода зондирования оптически тонких случайно-неоднородных сред с использованием частично когерентного излучения в условиях дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего пучка;
4) исследование возможности повышения чувствительности метода спекл-коррелометрии полного поля применительно к зондированию нестационарных случайно-неоднородных сред путем использования выборочных оценок коэффициентов асимметрии и эксцесса пространственных флуктуации интенсивности интегрируемых по времени динамических спеклов как диагностических параметров.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы натурного и модельного эксперимента, статистического моделирования процессов распространения электромагнитного излучения в случайно-неоднородных средах, приближенного аналитического и численного решения прямых дифракционных задач и задач теории рассеяния электромагнитного излучения, теории случайных процессов и статистические методы.
Научная новизна работы:
Предложен новый метод зондирования оптически тонких рассеивающих сред на основе использования рассеянного "модулирующей" средой с известными транспортными характеристиками частично когерентного зондирующего излучения и определения величины изменения индекса мерцания спекл-модулированного рассеянного поля при введении зондируемого объекта в измерительную схему.
Впервые исследованы особенности проявления эффекта хаотизации при дифракции сфокусированных лазерных пучков на движущихся предфракталь-ных одномерных амплитудных и фазовых экранах и наблюдении флуктуации интенсивности в параксиальной области дальнего поля. Впервые установлена взаимосвязь фрактальных размерностей пространственных флуктуации амплитуды и фазы граничного поля и наблюдаемых временных флуктуации интенсивности в зависимости от глубины модуляции фазы зондирующего лазерного пучка для пространственных масштабов, где структурная функция флуктуации фазы
>ф (А?) = ({Ф(г + Дг) - Ф(г)}2) > 1.
В экспериментах с in-vitro образцами эпидермиса кожи человека впервые продемонстрирована возможность лазерного дифрактометрического экспресс-мониторинга морфологических изменений оптически тонких биологических объектов с использованием в качестве диагностического параметра значений первого спектрального момента и спектрального индекса (показателя степени) пространственных спектров лазерного излучения, рассеянного вперед зондируемыми объектами.
Впервые в экспериментах с рассеивающими средами, характеризуемыми как поверхностным, так и объемным рассеянием, продемонстрирована возможность повышения чувствительности метода спекл-коррелометрии полного поля к вариациям подвижности рассеивающих центров в зондируемой среде на основе использования в качестве диагностических параметров коэффициентов
асимметрии и эксцесса пространственных флуктуации яркости усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности зондируемой среды.
Практическая значимость результатов исследований.
Результаты работы дополняют и развивают теоретические и экспериментальные основы современных методов лазерной диагностики статических и динамических рассеивающих объектов и сред.
В частности, метод низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования с использованием дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего частично когерентного пучка предлагается использовать для экспресс-анализа структуры и оптических свойств тонких слоев случайно-неоднородных сред в биомедицинской диагностике, а также для различных приложений в материаловедении.
Использование в качестве диагностического параметра значений спектрального индекса (показателя степени) пространственных спектров мощности рассеянного исследуемыми объектами лазерного излучения расширяет функциональные возможности лазерной дифрактометрии и увеличивает ее чувствительность к структурным изменениям in-vitro образцов биотканей при проведении оптической биопсии в лабораторных условиях.
Полученные зависимости фрактальной размерности флуктуации интенсивности детектируемого оптического сигнала от фрактальной размерности флуктуации амплитуды или фазы граничного поля в случае зондирования пред-фрактальных амплитудных и фазовых объектов лазерными пучками представляют собой фундаментальную основу для дальнейшего развития метода сканирующей спекл-коррелометрии.
Использование в спекл-коррелометрии полного поля в качестве диагностических параметров выборочных значений асимметрии и эксцесса флуктуации яркости усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности исследуемых объектов позволяет существенно повысить чувствительность метода к вариациям подвижности рассеивающих центров в зондируемой среде по сравнению с традиционно используемым значением контраста спеклов.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается: корректностью постановки задач исследования; применением апробированных аналитических и численных методов анализа; соответствием в частных случаях полученных данных известным из литературы результатам аналогичных исследований, выполненных другими научно-исследовательскими группами; воспроизводимостью
Здесь и далее по тексту подвижность рассеивающих центров понимается как параметр нестационарной рассеивающей среды, определяемый средним значением времени смещения рассеивателей на расстояние, равное длине волны зондирующего излучения.
экспериментальных данных и их соответствием результатам теоретических расчетов и моделирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
При сканировании сфокусированными лазерными пучками случайных одномерных амплитудных и фазовых экранов с предфрактальными свойствами зависимость фрактальной размерности Dj флуктуации интенсивности в параксиальной области дальней зоны дифракции от фрактальной размерности флуктуации амплитуды граничного поля Du представима линейной функцией вида Dj = aDu+jBap+y с коэффициентами а , /?, у , зависящими от характера и глубины стохастической модуляции фазы а(р зондирующего пучка.
Усредненные по конечной полосе пространственных частот значения спектрального индекса и первого спектрального момента пространственных спектров мощности рассеянного лазерного излучения при дифрактометрическом анализе оптически тонких слоев неоднородных сред обладают максимальной чувствительностью к изменениям структурных характеристик среды в области пространственных частот, соответствующих структуре зондируемого образца.
Изменение индекса мерцаний детектируемого излучения в низкокогерентной спекл-коррелометрии рассеивающих сред с дополнительной стохастической фазовой модуляцией зондирующего пучка происходит по линейному закону в зависимости от дисперсии флуктуации фазы граничного поля зондируемого объекта. Коэффициент пропорциональности в линейной зависимости имеет вид: l-exp[-(i?/rja J, где R - характерный размер участка объекта, разрешаемый оптической схемой спекл-коррелометра, гф - радиус корреляции флуктуации фазы граничного поля, а - показатель степени, определяемый асимптотикой корреляционной функции фазы граничного поля.
Предложен метод низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования оптически тонких сред на основе измерения декремента индекса мерцаний рассеянного частично когерентного излучения при введении зондируемого образца в оптическую схему спекл-коррелометра, содержащую стохастический фазовый модулятор в форме плоского слоя случайно-неоднородной среды, удовле-
I I
творяющего критерию 0.05/с
5. Использование в спекл-коррелометрии полного поля в качестве диагно
стических параметров коэффициентов асимметрии и эксцесса флуктуации ярко
сти усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности
зондируемых объектов позволяет повысить чувствительность к изменениям под
вижности рассеивающих центров в зондируемой среде (до двукратной в случае
коэффициента асимметрии и до шестикратной в случае эксцесса) в сравнении с традиционно применяемым значением контраста спеклов.
Личный вклад соискателя.
Личный вклад автора диссертации состоит в участии в постановке задач исследований, в разработке методик расчета, методик проведения экспериментальных исследований, проведении эксперимента, а также обработке и анализе полученных результатов. Представленные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии совместно с д.ф.-м.н., проф. Зимняковым Д.А. Эксперименты по зондированию in-vivo биотканей с использованием спекл-коррелометрии полного поля выполнены совместно с д.ф.м.-н., проф. Д.А. Зимняковым и к.ф.-м.н. М.А. Виленским. Теоретические исследования и статистическое моделирование процессов дифракции сфокусированных лазерных пучков на предфрактальных фазовых и амплитудных экранах выполнены совместно с к.ф.-м.н. И.П. Переточкиным.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научных конференциях:
Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Medicine; Saratov, Russia; October 2009;
Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Medicine; Saratov, Russia; October 2010;
Optical Pulse and Beam Propagation II; San Jose, CA, USA; January 2000;
The 10th International Conference on Correlation Optics; Chernivtsi, Ukraine; September 2011.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в т. ч. 6 статей в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 239 источников. Диссертация изложена на 159 страницах, содержит 2 таблицы и 33 рисунка.
