Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех 16
1.1. Физические принципы измерения перемещений и скоростей в оптике 16
1.2. Ограничения традиционных лазерных доплеровских схем измерения скорости при локальном зондировании мутных и сильнорассеиваю-щих потоков 22
1.3. Возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого обратного отражения или рассеяния лазерного излучения ...29
1.4. Традиционная лазерная интерферометрия перемещений в проблеме измерения малых относительных деформаций земной коры 31
1.5. Проблема измерения характеристик движения низкоскоростных микрообъектов в известных методах лазерной доплеровской анемометрии и спектроскопии светового рассеяния 38
Глава 2. Измерение скоростей мутных сред и труднодос тупных объектов методом лазерной доплеровской анемометрии с волоконными световодами 42
2.1. Гетеродинный одноволоконный лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛДИС) 42
2.2. Лазерный волоконный анемометр для локальных измерений кровотока 55
2.3. Дифференциальная схема ЛДИС с тремя световодами 67
2.4. Волоконно-оптический датчик звука 80
2.5. Выводы 85
Глава 3. Активные лазерные системы для измерения скоростей слаборассеивающих объектов 87
3.1. ЛДИС в модели линейного лазера с трехзеркальным резонатором 87
3.2. Активная линейная схема ЛДИС со световодом 91
3.3. Активная схема ЛДИС с кольцевым лазером 94
3.4. Сравнительный анализ пассивной и активных схем ЛДИС 106
3.5. Выводы 108
Глава 4. Гетеродинные лазерные комплексы для измерения малых относительных перемещений в условиях открытых протяженных трасс 111
4.1. Гетеродинный принцип измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе лазерных источников 111
4.2. Интерферометрические исследования характеристик лазерного излучения при прохождении протяженной атмосферной трассы 119
4.3. Болынебазовые гетеродинные лазерные системы для измерения деформации земной коры в условиях открытой атмосферы 147
4.4. Возможности повышения чувствительности дистанционных лазерных систем к измерению малых относительных перемещений 178
4.5. Выводы 190
Глава 5. Оригинальная лазерная методика штольневых измерений деформаций земной коры в изучении геофизических явлений сейсмически активной зоны 192
5.1. Регистрация земных приливов при непрерывном лазерном мониторинге напряженно-деформационного состояния земной коры 192
5.2. Регистрация собственных колебаний Земли, поддерживаемых естественной слабой сейсмичностью 200
5.3. Прецизионный двухкоординатный лазерный деформограф для геофизических измерений в штольне Байкальской рифтовой зоны 208
5.4. Обнаружение детерминированных вариаций микро деформационного шума, регистрируемого в лазерных наблюдениях 222
5.5. Наблюдение аномалий и особенностей в поведении деформации зем-ной коры накануне землетрясений 228
5.6. Выводы 239
Глава 6. Высокоразрешающая спектроскопия светового рассеяния в исследованиях низкоскоростных микрообъектов живой и неживой природы 241
6.1. Описание лазерной методики измерения малых скоростей 241
6.2. Исследование физических параметров и характеристик движения микрочастиц по доплеровскому сдвигу частоты и форме спектральной линии рассеяния 245
6.3. Автоматизированный лазерный спектрометр светового рассеяния в проблеме распознавания живого и неживого 259
6.4. Выводы 275
Глава 7. Возможности прецизионной лазерной спектроскопии светового рассеяния в обнаружении новых явлений и закономерностей в движении микрообъектов 279
7.1. Исследование особенностей собственной подвижности микроорганизмов 279
7.2. Изучение теплового и детерминированного движения плазмидных ДНК в водных растворах 287
7.3. Методика и алгоритм регистрации перемещений единичных микрообъектов по сигналам рассеяния 295
7.4. Исследование законов движения броуновской частицы на малых и больших временах наблюдения 300
7.5. Выводы 308
Заключение 310
Библиографический список 315
- Возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого обратного отражения или рассеяния лазерного излучения
- Лазерный волоконный анемометр для локальных измерений кровотока
- Сравнительный анализ пассивной и активных схем ЛДИС
- Возможности повышения чувствительности дистанционных лазерных систем к измерению малых относительных перемещений
Введение к работе
Актуальность темы
С появлением лазеров оптика получила мощнейший инструмент для научных исследований. Важное место в широком круге их применений занимают лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия, начало развития которых положено соответственно в работах [1] и [2]. Исследования в этих направлениях показали, что лазерные методы и средства, использующие в своей основе квантовые генераторы с узкой спектральной линией излучения позволяют измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне регистрируемых величин. Методы создания таких высокостабильных лазерных источников в настоящее время разработаны достаточно хорошо [3,4]. Большим преимуществом лазерных измерений является то, что они осуществляются дистанционно в условиях пренебрежимо малых квантово - механических возмущений, т.е. по существу бесконтактным способом. В настоящее время прецизионные фазочувствительные лазерные системы [5] служат метрологической основой большого поля измерительной техники в таких областях как дальнометрия, анемометрия, деформография, локация, спектроскопия светового рассеяния и т.д. Они также эффективно используются в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы [6], химии [7], биологии и медицине [8]. Развитие указанных направлений за 40 лет своего существования шагнуло далеко вперед. С помощью лазерных доплеровских измерителей скорости стало возможным исследование сложных градиентных и пульсирующих течений [9], а достигнутая высокая чувствительность вакуумированных интерферометров перемещений с базой несколько километров сделала реальной постановку экспериментов по детектированию гравитационных волн [10]. Тем не менее, к началу наших работ существовал ряд проблем, решение которых не было очевидным и требовало поисковых исследований. Это, в частности, относилось к проблемам измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех. Речь идет о помехах, обусловленных природой или спецификой изучаемого объекта,
при исследовании которого практически невозможно изменить окружающую объект среду или условия его существования без ущерба достоверности получаемой информации. Для устранения вредного влияния указанных помех в каждом конкретном случае требуется разрабатывать соответствующую лазерную систему, позволяющую в измерениях достигать высокого отношения сигнал/шум. Одна из таких проблем относилась к локальным измерениям скорости труднодоступных объектов и объемных потоков сред, сильнорассеивающих оптическое излучение, когда прямое зондирование лазерными пучками невозможно. В дальнейшем использование в таких задачах тонких одноволоконных световодов позволило существенно продвинуться вперед. Впервые идея использования одноволоконного световода в измерениях скорости продемонстрирована в [11]. К отмеченной проблеме тесно примыкала другая, связанная с исследованием слаборассеивающих или слабоотражающих движущихся объектов. Как показывает опыт, очевидное ее решение путем выбора соответствующих мощного лазерного источника и высокочувствительного фотоприемного устройства не всегда приводит к желаемому результату. Решение проблемы могло быть достигнуто путем поиска оригинальной высокочувствительной оптической схемы, например, используя принцип обратного отражения в лазер [12]. Следующая проблема, которая не была решена, касается регистрации малых относительных деформаций земной коры в присутствии естественных атмосферных возмущений. Проводить такие измерения на больших расстояниях с базой несколько километров продиктовано целесообразностью изучения подвижек земной коры в зоне ее разломов, где в подавляющем числе случаев формируются очаги сейсмособытий. Важным в этих измерениях является регистрация предвестников землетрясений. Как правило, зоны сейсмоактивных разломов расположены в горной местности и в поперечном направлении имеют достаточно большую протяженность. В этих условиях применение известных методов интерферометрии [13,14] с экранировкой измерительного плеча от атмосферных помех, несмотря на их высокую чувствительность, становится проблематичным. Для радикального решения указанной проблемы требовалась разработка специальных методик, позволяющих проводить измерения малых
деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы. Несколько менее жесткие требования предъявляются к регистрирующей лазерной аппаратуре, когда речь идет об измерениях в штольнях, шахтах, пещерах, и т.п. [15-18]. В этом случае приходится решать те же задачи, что и при болыпебазовых измерениях. Использование же вакуумированных лучеводов, является дорогостоящим и не всегда удобным, особенно в процессе длительных непрерывных наблюдений.
Еще одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения применения лазерных систем в медико-биологических исследованиях, являлась проблема высокоточного измерения характеристик движения микрообъектов живой природы, таких как клетки и микрочастицы крови, белки, микроорганизмы, вирусы, молекулы ДНК и т.д. Те трудности, с которыми спектроскопия оптического смешения [19-21] столкнулась в биологии к концу 70-х годов прошедшего столетия, были напрямую связаны с недостаточным спектральным разрешением метода светового рассеяния. Достигнутая к этому времени в спектроскопии светового рассеяния разрешающая сила на уровне 1014, определяемая характеристиками оптической и электронной систем, не позволяли, в частности, измерять очень малые скорости и~1 мкм/с микрообъектов, а также особенности их случайного или детерминированного движения в одночастичном режиме рассеяния. Многочисленные исследования носили скорее статистический, качественный характер, чем детальный, количественный. В результате, при таком изучении, из-за слабого уровня рассеянного сигнала и низкого спектрального разрешения оставались в тени многие детали собственной подвижности исследуемых живых микрообъектов, а также особенности их взаимодействия с водной средой. Как было показано нашими исследованиями, результаты которых приведены ниже, влияние такого взаимодействия может проявляться как неизвестное свойство жидкости, мешающее получению информации об исследуемых микрообъектах. И только, если последние выступают в роли тестовых или пробных микрочастиц, физические характеристики которых заранее известны, появляется возможность изучать собственно динамические свойства жидкости, в том числе ранее неизвестные.
Данная диссертационная работа посвящена разработке новых физических принципов и методик, позволяющих на основе использования гетеродинных лазерных методов и средств реализовать высокую точность и чувствительность измерений малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех, а также получению экспериментального подтверждения их эффективности при наблюдении неизвестных ранее свойств, явлений и закономерностей.
Цель и задачи работы Цель настоящей работы состоит в проведении физических исследований, направленных на поиск высокочувствительных лазерных методов измерения малых перемещений и скоростей в условиях низкого отношения сигнал/шум, обусловленного природой и спецификой изучаемых объектов. В задачи исследований входило
Разработка методов измерения скоростей сильнорассеивающих сред и труднодоступных объектов на основе использования волоконно-оптических зондов.
Разработка физических основ высокочувствительной лазерной системы для измерения скоростей объектов, слаборассеивающих, слабоотражающих зондирующее оптическое излучение.
Разработка прецизионных гетеродинных лазерных комплексов, способных в широкой полосе периодов колебаний регистрировать малые деформационные перемещения земной коры в условиях открытой атмосферы для непрерывного болыпебазового геодинамического мониторинга и поиска предвестников землетрясений.
Создание высокоразрешающего метода спектроскопии светового рассеяния и обоснование его применений для исследования низкоскоростных микрообъектов живой и неживой природы.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые. 1 Теоретически обоснованы и экспериментальными исследованиями
подтверждены возможности лазерного доплеровского анемометра на основе одноволоконного гетеродинного или дифференциального световодного датчика без специальной формирующей и приемной оптики для зондирующего и рассеянного назад излучения локально измерять с 5% точностью скорость труднодоступных объектов, включая потоки сильно рассеивающих сред, средний размер оптических неоднородностей которых соизмерим или превышает диаметр оптического волокна.
Теоретически обосновано и экспериментально показано, что для двухчастотного лазерного анемометра на основе световодного датчика с параллельными двумя зондирующими и одним приемным оптическими волокнами, ортогонально ориентированными в исследуемом потоке сильнорассеивающей мелкодисперсной среды, ( например : кровь, молоко, и т.п.) относительная погрешность измерения локальной скорости по регистрируемому доплеровскому уширению спектра фотоэлектрического сигнала не превышает 10%, а сам измеритель требует предварительной калибровки.
Предложена и экспериментально реализована активная линейная система ЛДА с одноволоконным световодом на примере использования стабилизированного аргонового лазера, позволяющая проводить локальные измерения малых скоростей (V< 1м/с) труднодоступных объектов с высоким ~ 40 дб отношением сигнал/шум.
Предложена активная схема ЛДА, основанная на явлении модуляции коэффициента связи между встречными волнами в кольцевом ОКГ. Теоретически и экспериментально показано, что при прочих равных условиях чувствительность кольцевой системы к слабому обратному рассеянию от движущегося объекта существенно выше, чем в аналогичной линейной системе, и, при соответствующих резонансных условиях одночастотной генерации, выигрыш в отношении сигнал/шум может составлять несколько порядков.
Предложен гетеродинный фазочувствительный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух
синхронизированных по фазе лазеров и реализован в системах регистрации деформаций земной коры в условиях открытых протяженных трасс и слабого обратного сигнала. На базе 1км зарегистрированы микронные перемещения на частоте ~ 1Гц. Экспериментально, на базах до 5 км, определены ограничения на относительную чувствительность болынебазового лазерного деформографа к смещениям величиной ~10" для периодов колебаний в области 1-Ючасов, связанные с турбулентностью атмосферы.
Разработаны прецизионные болынебазовые гетеродинные системы измерения малых перемещений с использованием синхронизированных по фазе С02 лазеров и частотносдвигающих акустооптических модуляторов, а также дифференциальные методики регистрации полезного сигнала, позволяющие исключить влияние суточных вариаций показателя преломления воздуха в зоне измерений до уровня 10'7. С их помощью в условиях разломов земной коры на базах ~2 км зарегистрированы приливные деформации земной поверхности с амплитудой колебаний ~2мм.
На основе двух синхронизированных по фазе He-Ne ОКГ разработан автоматизированный гетеродинный лазерный деформограф с коротким компенсационным интерферометрическим плечом длиной ~1м, позволяющий на базах до 100м в присутствии атмосферы в условиях штольни проводить измерения деформации горных пород с относительной чувствительностью 10" 9-г10"10 в широком диапазоне частот, включающем сейсмические, приливные и сезонные колебания земной поверхности, а также регистрировать аномальные деформационные процессы накануне землетрясений.
С помощью оригинальных высокочувствительных лазерных наблюдений в штольне БРЗ обнаружены аномалии в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых за несколько часов или суток до сейсмических событий, как их предвестники и неизвестное ранее явление вариации амплитуды микродеформационного шума с 24 часовым периодом, обусловленное изменением гравитационного потенциала Солнца в верхних слоях неоднородной по плотности Земли.
На основе созданного автоматизированного гетеродинного спектрометра
светового рассеяния с высокой разрешающей силой RM015 разработан новый
метод прецизионного измерения физических характеристик
детерминированного и случайного движения микрообъектов в жидкостях, в том числе биологических. Экспериментальными исследованиями на компонентах крови и молока, а также микроорганизмах, установлено, что разработанный метод, в отличие от известных, позволяет по регистрируемому малому доплеровскому сдвигу частоты и уширению спектральной линии рассеяния определять инфранизкие скорости микрообъектов V<1mkm/c, их размеры в широком диапазоне 10"3< ё<103мкм и концентрацию.
На базе созданного спектрометра с уникальным разрешением и высокой чувствительностью к слабым уровням рассеяния предложен новый метод обнаружения и идентификации микроорганизмов, использующий различие их собственной подвижности в водной среде. Его преимущество по сравнению с известными биологическими методами экспериментально обосновано обнаруженными динамическими отличиями в спектральных характеристиках сигналов многочастичного рассеяния на бактериальных клетках Escherichia coli и Pseudomonas, а также особенностями процесса размножения микробов в ростовой питательной среде зарегистрированными в одночастичном режиме рассеяния.
Разработан спектрометр светового рассеяния с уникальным разрешением 0.001Гц. Благодаря фазовой чувствительности созданного спектрометра обнаружены неизвестные видовые особенности собственной подвижности микроорганизмов в водной среде, на примере нескольких видов, а также на основе новых экспериментальных данных, выявивших узкую часть линии рассеяния в водных растворах биологических макромолекул, подтверждена, высказанная ранее теоретически, двухструктурная модель воды.
На основе явления светового рассеяния предложен и экспериментально осуществлен фазочувствительный лазерный метод изучения подвижности микрообъектов живой и неживой природы, использующий оригинальный принцип детектирования микроперемещений. Его научно-практическая
эффективность теоретически и экспериментально подтверждена на примере установления нового закона броуновского движения единичных частиц на малых временах наблюдения т«1с. Этот метод позволяет на более высоком уровне исследовать неизвестные ранее структурно-динамические свойства жидкостей.
Практическая ценность
Разработанные новые лазерные доплеровские измерители скорости с одноволоконными световодами внедрены в практику гидродинамического эксперимента в Институтах РАН для исследований двухфазных потоков, а также могут быть использованы на натурных объектах для определения скорости крови в кровеносных сосудах человека и животных, измерения скорости судна относительно водной поверхности, в криогенных экспериментах и др.
Кольцевая активная лазерная система, впервые предложенная для измерения скорости, может быть эффективно использована для дистанционного изучения подвижных слабоотражающих объектов.
Разработанные гетеродинные лазерные системы для измерения малых перемещений на больших расстояниях с базой порядка нескольких километров позволяют регистрировать деформационные процессы земной коры в зоне литосферных разломов. Это позволяет наблюдать и изучать формирование очагов землетрясений.
Гетеродинный He-Ne лазерный автоматизированный деформографический комплекс с высокой относительной чувствительностью 10"9-10"10, в широкой полосе частот, специально разработанный для систематических геофизических наблюдений за деформациями земной коры в сейсмоактивных зонах на базах до 100м, позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.
Созданный высокочувствительный лазерный спектрометр светового рассеяния с разрешающей силой 1018, используемый в практике биофизического эксперимента по изучению подвижности единичных микрообъектов живой и неживой природы
позволил разработать основы нового экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Разработанные лазерные доплеровские анемометры на основе одноволоконных световодных датчиков с соответствующими геометрией и параметрами волокон позволяют без специальной формирующей и приемной оптики для зондирующего и рассеянного назад излучения измерять с 10% точностью скорость объектов, недоступных для прямого локального зондирования лазерными пучками, включая потоки оптически неоднородных сильнорассеивающих сред.
Активная кольцевая лазерная система, предложенная для исследования характеристик движения низкоскоростных объектов, на один-два порядка выше по чувствительности к слабому обратному отражению или рассеянию, чем известная линейная, а в сочетании с одноволоконным световодным датчиком ее преимущество распространяется и на объекты, труднодоступные для прямого зондирования.
Новые прецизионные гетеродинные системы и методики измерения малых линейных перемещений, использующие в основе синхронизированные по фазе лазеры и частотно-сдвигающие акустооптические модуляторы, позволяют на километровых базах в открытой атмосфере регистрировать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне периодов с относительной чувствительностью ~ 10"7 и детерминированные колебательные смещения в герцовом диапазоне частот на уровне 10"9.
Разработанный для измерений в штольне автоматизированный лазерный деформографический комплекс, обладающий в присутствии атмосферы высокой относительной чувствительностью 10"9-И0'10 к малым перемещениям в широком диапазоне периодов колебаний 10-И07с, позволяет регистрировать собственные и приливные колебания Земли, предвестники землетрясений и детерминированные суточные вариации микродеформационного шума и является новым эффективным средством для изучения процессов и явлений в
земной коре, в том числе ее напряженно-деформированных состояний, сопровождающих сейсмичность.
Разработанные автоматизированный гетеродинный спектрометр светового рассеяния и метод измерения физических характеристик детерминированного и броуновского движения микрообъектов в жидкости позволяют по регистрируемым в динамике доплеровскому сдвигу частоты и спектральной ширине линии рассеяния с разрешающей силой R>1015 определять размеры частиц в диапазоне 10'3< d< 103мкм, их концентрацию, а также малые скорости V<1mkm/c и их вариации при детектировании отличительных особенностей подвижности живых и неживых объектов.
Разработанный фазочувствительный метод спектроскопии светового рассеяния с разрешением 10"3Гц, позволивший обнаружить видовые особенности собственной подвижности микроорганизмов, кластерные образования микронного масштаба в водных растворах ДНК и установить квадратичный закон броуновского движения частиц на малых временах наблюдения х«1с, является новым научным методом в изучении характеристик движения микрообъектов различного происхождения и структурно-динамических свойств жидкостей.
Личный вклад автора
Личный вклад автора в получении представленных в данной диссертации результатов состоит в следующем:
Соискателем самостоятельно выдвинуты ряд нерешенных ранее проблем, и в соответствии с ними постановка задач, несмотря на то, что большая часть исследований выполнена в авторском коллективе.
Весь материал данной диссертации, начиная от идей постановки эксперимента и кончая подготовкой публикаций и выступлениями на научных конференциях, сделаны по инициативе и непосредственно автором диссертации.
Представленные в работе основные результаты в виде сформулированных защищаемых положений, научной новизны и выводов получены и обоснованы лично автором.
4. Автором внесен решающий вклад в получении результатов, имеющих мировую новизну, что позволило создать новое научное направление в области исследования низкоскоростных объектов лазерными методами-«Высокочувствительные лазерные измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех»
Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); Всесоюзном семинаре "Применение лазерных интерферометрических систем для прецизионных измерений" (Тырныауз, 1986); Советско-американском симпозиуме "Лазерная оптика конденсированных сред" (Ленинград, 1987); Межотраслевом экспертном совете при СМ СССР (Москва, 1988); Всесоюзном совещании "Развитие сейсмологических и геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке (Иркутск, 1988); I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1989); Международной конференции "Лазеры и медицина" (Ташкент, 1989); Всесоюзном семинаре "Лазерные стандарты частоты и времени" (Новосибирск, 1990); Школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1991); XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1991); Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); Международной научно-практической конференции "Новое в лазерной медицине" (Бишкек, 1995); 15-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995); 1st International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1995); ), The International Conference on Nonlinear Dynamics and Chaos. Applications in Physics and Medicine (Saratov, Russia, 1996); 6th International Conference on Laser Applications in Life Sciences (Jena, Germany, 1996); 2nd International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997); Russia - German Laser Symposium (Novosibirsk, 1997); BiOS'98 (San Jose, USA, 1998); . XVIth International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow, 1998); 8th International Laser Physics Workshop
(Budapest, Hungary, 1999); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 2000). IX International conference on Laser applications in life sciences(Vilnius, 2002). В 1981г соискатель удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР за разработку и создание лазерного доплеровского измерителя скорости с волоконным световодом. В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на ярмарке в Лейпциге, где был удостоен диплома и золотой медали.
Возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого обратного отражения или рассеяния лазерного излучения
Результаты диссертационной работы докладывались на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); Всесоюзном семинаре "Применение лазерных интерферометрических систем для прецизионных измерений" (Тырныауз, 1986); Советско-американском симпозиуме "Лазерная оптика конденсированных сред" (Ленинград, 1987); Межотраслевом экспертном совете при СМ СССР (Москва, 1988); Всесоюзном совещании "Развитие сейсмологических и геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке (Иркутск, 1988); I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1989); Международной конференции "Лазеры и медицина" (Ташкент, 1989); Всесоюзном семинаре "Лазерные стандарты частоты и времени" (Новосибирск, 1990); Школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1991); XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1991); Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); Международной научно-практической конференции "Новое в лазерной медицине" (Бишкек, 1995); 15-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995); 1st International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1995); ), The International Conference on Nonlinear Dynamics and Chaos. Applications in Physics and Medicine (Saratov, Russia, 1996); 6th International Conference on Laser Applications in Life Sciences (Jena, Germany, 1996); 2nd International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997); Russia - German Laser Symposium (Novosibirsk, 1997); BiOS 98 (San Jose, USA, 1998); . XVIth International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow, 1998); 8th International Laser Physics Workshop (Budapest, Hungary, 1999); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 2000). IX International conference on Laser applications in life sciences(Vilnius, 2002). В 1981г соискатель удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР за разработку и создание лазерного доплеровского измерителя скорости с волоконным световодом. В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на ярмарке в Лейпциге, где был удостоен диплома и золотой медали.
Оптические методы измерения скоростей и перемещений относят к бесконтактным, поскольку влиянием света на объект, а именно на характеристики его движения, в подавляющем числе случаев можно пренебречь. Это является их неоспоримым преимуществом, например, при исследовании аэро- и гидродинамических потоков. Одним из методов, не требующим для своей реализации источников света с высокой временной и пространственной когерентностью, является метод визуального или фотографического наблюдения за траекторией выделенных частиц [22]. В качестве частиц, вводимых в поток, обычно используют алюминиевую пудру или мелкие газовые пузырьки. Применение цифровых методов обработки трековой информации позволяет от наглядных качественных представлений о картине двумерного течения перейти к количественным оценкам поля скоростей. Основные трудности реализации метода - это сложный компьютерный анализ, поскольку требуется одновременно следить за движением в потоке нескольких сотен или тысяч частиц.
Для исследования трехмерной структуры нестационарных турбулентных течений и измерения мгновенного поля скоростей используют стереофотографирование трассирующих частиц, взвешенных в потоке [23]. Получаемые двумерные фотографии обрабатывают различными способами. Однако, наиболее часто, скорости частиц определяют, используя заданные времена экспозиции, измеряя длину треков соответствующих индивидуальным частицам.
Существуют оптические системы с так называемым теневым полем [24], применяемые для изучения неоднородных, стратифицированных потоков. В этом методе не требуется введение частиц, поскольку он основан на отклонении оптических лучей в потоке с градиентом показателя преломления. Отклонение проходящих через толщу потока световых пучков приводит к изменению их интенсивности в плоскости фоточувствительной пластинки.
Менее трудоемким, по сравнению с фотографическими, является кинематический метод, основная идея которого состоит в измерении времени пролета частицей одного или нескольких пучков [25,26]. Фотоприемник, регистрирующий рассеянное излучение, вырабатывает импульс фототока при прохождении частицей светового пучка. При заданных размерах пучков, скорость потока- определяется из измерений длительности импульса или времени между импульсами.
Существенными недостатками всех указанных методов является низкая точность и непригодность для локальных измерений. Это не позволяет использовать их, например, для исследования мелкомасштабной турбулентности, градиентных течений и т.д. Среди оптических устройств, не использующих для измерения скоростей эффект Доплера, следует отметить измерительную систему, основную на применении оптических решеток с прямоугольным профилем пропускания [27]. В ней решетка с переменным пропусканием, в плоскости которой формируется изображение движущейся частицы, позволяет модулировать световой поток, попадающий на фотоприемник с частотой, прямо пропорциональной измеряемой скорости. Вращение двух решеток, ориентированных взаимно перпендикулярно, позволяет одновременно измерять величину и направление двух компонентов вектора скорости. Основы теории доплеровского сдвига частоты
Для использования интерференционных оптических схем в задачах измерения перемещений и скоростей различных объектов необходимы источники с узкой спектральной линией излучения и малой расходимостью. Такими свойствами обладают непрерывные газовые лазеры, среди которых гелий-неоновый и аргоновый в указанных применениях получили наибольшее распространение. Поскольку в дальнейшем речь пойдет о конкретных интерферометрических системах и о соотношениях, связывающих параметры когерентных световых волн с характеристиками движения объектов, попытаемся обосновать единый подход к задачам измерения перемещений и скоростей. Целесообразность такого общего подхода к проблемам измерения характеристик механических движений различных объектов очевидна, не смотря на то, что схемы конкретных измерительных систем могут существенно отличаться.
Лазерный волоконный анемометр для локальных измерений кровотока
Измерение скорости объекта, рассеивающего свет, например, газодинамического потока, является задачей гораздо более сложной, чем для поступательного движения зеркала. Специфика потока такова, что рассеянный сигнал, в отличие от зеркального отражения, представляет собой во времени случайную последовательность световых цугов малой интенсивности. Хаотичность сигнала обусловлена случайным распределением рассеивающих свет частиц или других объектов по размеру и пространственному расположению в потоке. Лазерная доплеровская анемометрия, как метод, развивалась, прежде всего, на задачах аэро- и гидродинамики [26]. Перспективность развития лазерного доплеровского метода определялась следующими его достоинствами: - отсутствие возмущений; - линейная связь измеряемой скорости с доплеровской разностью частот; - широкий динамический диапазон измеряемых скоростей (более десяти порядков); - высокое пространственное разрешение локальных измерений; - высокое быстродействие и возможность автоматизации измерений; - возможность дистанционных измерений; - безразличие к высоким перепадам температуры и агрессивности исследуемой среды. С появлением коммерческих ЛДИС [39, 40], подчеркивающих высокий мировой уровень существующих научно-технических достижений, потребность в новых разработках не уменьшилась, поскольку круг возможных применений такой техники неуклонно расширялся. Очень близкими к задачам гидродинамики, использующими для решения ЛДИС, являются вопросы изучения динамики движения крови в сердечнососудистой системе человека с целью медицинской диагностики. Интерес к гемодинамическим исследованиям постоянно сохранялся, а поиск простых и надежных средств диагностики крови, учитывая ее сложный состав, оставался актуальным. Для измерения кровотока лазерный доплеровский метод впервые применили при исследовании движения крови в артериях сетчатки глаза [41]. Стерн показал [42], что лазерное излучение, отраженное от кожи, характеризуется уширенным спектром, а доплеровское уширение коррелированно с кровотоком. В [43] Стерн и др. применили разработанный ими метод для измерения кровотока в корковом веществе почки крысы, обнаженной хирургическим путем. Позднее близкий по физическому смыслу подход описан в методе измерения микроциркуляции крови в кожных покровах, использующий динамическую спекл-структуру [44]. Суть метода заключается в том, что при облучении объекта когерентным излучением в рассеянии наблюдается спекловая (случайная) структура [45], которая изменяется во времени при движении объекта. Ограничивая приемную апертуру фотоприемника величиной, не превышающей средний размер одного спекла, появляется возможность измерять скорость, регистрируя параметр, пропорциональный среднеквадратичной частоте пульсаций фототока: U = (]i2(t)dt] . Характерной чертой таких устройств является простота [46], поскольку интерференция полей в них обеспечивается самим рассеивающим объектом.
Следует отметить проявляемый интерес не только к изучению потоков крови, но и к ее физико-химическим свойствам. В [47] исследовался профиль скорости потока крови в тонких стеклянных капиллярах диаметром d 400 мкм. В ней было изучено влияние объемной концентрации эритроцитов на гидродинамические свойства растворов крови. Измерения проводились с помощью обычного He-Ne доплеровского спектрометра дифференциального типа.
В дальнейшем для регистрации микроциркуляции крови в кожных покровах использовали одноволоконные световоды, что делало устройство компактным, портативным и пригодным для клинического применения [48, 49]. Сами световоды выполняли функцию приемо-передающей оптики и непосредственного контакта с исследуемым потоком не имели. В этот период времени, несмотря на существование заметных достижений в волоконно-оптической технике, в клинической практике, тем не менее, преимуществом пользовались бесконтактные средства медицинского контроля за состоянием человеческого организма, поскольку они не требуют стерилизации, а присутствие зонда на кожном покрове не производит возмущающего действия на кровоток.
Первые прямые демонстрационные измерения кровотока в венозном русле кролика были проведены Танакой и Бенедеком [11]. Для этих целей, впервые был применен одноволоконный световод, который непосредственно вводился в кровеносный сосуд вдоль потока. Используя волоконно-оптический зонд из двух и трех тонких (d=150 мкм) одиночных световодов в работе автора с коллегами [50] приведена разработанная методика локальных измерений скорости в мутных мелкодисперсных потоках. Опыты с непосредственным введением зонда в зону измерений проводились на цельной крови и молоке.
В дальнейшем эти методики были внедрены в практику теплофизических экспериментов, в которых для исследования процессов кипения, структурных характеристик двухфазных потоков [51] и низкотемпературных сред [52] потребовалось использование специально разработанных волоконно-оптических ЛДИС.
Что касается ЛДИС с волоконными световодами, то в последние годы в публикациях все более отчетливо наблюдалось стремление к миниатюризации измерительных комплексов, где оптические волокна выполняют роль не только формирующей и приемной оптики, но также микролинз [53], модуляторов и оптических разветвителей световой энергии [54], а в качестве источника излучения использовался малогабаритный полупроводниковый лазер [55].
Сравнительный анализ пассивной и активных схем ЛДИС
В отмеченном обзоре указано, что первые образцы лазерных интерферометров появились на рынке в 1967 году, а в 1982 году известная фирма Hewlett-Packard выпустила одну из последних усовершенствованных разработок HP 5 52 8А второго поколения, в которой с целью переноса спектра сигнала в высокочастотную область в качестве источника света используется двухчастотный зеемановский лазер. Сама измерительная система выполнена в виде нескольких оптических и электронных модулей. Данная система позволяет с высокой точностью, 5 мкм на базе до 60 м, контролировать перемещение объекта по 6 независимым координатам, что очень важно в современном мапшностроении [64].
С внедрением в практику волоконно-оптических достижений у лазерной интерферометрии открылись широкие возможности для решения задач вибрационной [65, 66] и акустической [67] измерительной техники. В дистанционных частотно-фазовых измерениях оптические волокна часто играют роль только формирующей и приемной оптики, что позволяет отделить мобильную оптическую систему от крупногабаритной лазерной и электронной аппаратуры. В другом случае оптические волокна выполняют роль зонда, т.е. служат для преобразования механического движения исследуемого объекта в оптический сигнал. Волоконно-оптические зонды обычно применяются для изучения объектов, доступ к которым заведомо ограничен.
Одно из применений волоконно-оптических датчиков - это измерение вибраций и колебаний объектов, не находящихся в прямой видимости оптического луча. Гибкая, нежесткая связь в данном случае позволяет сделать развязку от случайных и детерминированных относительных смещений лазерной установки и исследуемого объекта. Подобные измерительные системы[65,68-71] демонстрировались во многих лабораториях. В [70 - 72] датчики относительных колебательных смещений основаны на измерениях модуляции интенсивности. Несмотря на то, что "амплитудные" волоконно-оптические датчики существенно проигрывают "фазовым", тем не менее, как указано в [71], лазерные дистанционные измерения зафиксировали довольно высокую абсолютную чувствительность - 25 А. В исследованиях [73] многомодовый световод был использован в лазерном интерферометре перемещений для геофизических измерений деформаций в труднодоступных условиях. При этом гибкий световод позволил разнести на расстояние 300 метров равноплечный интерферометр Майкельсона с длиной плеча Ь=5м от лазера и электронной аппаратуры.
Используя фазовую модуляцию, в [74] рассмотрен волоконно-оптический датчик линейных перемещений, точность которого составила несколько нанометров.
Первые попытки применить лазерный интерферометр перемещений в геофизике для измерений деформаций земной коры были предприняты более тридцати лет назад [13, 14]. Обращает на себя внимание тот факт, что первые лазерные деформографы, а также последующие [15-17, 75-76], применяемые для геофизических наблюдений, построены по принципу одночастотного источника, которые, как уже говорилось, явно уступают двухчастотным системам. Тем не менее, достижения современной лазерной деформографии достаточно убедительны. Многие из них обязаны не только высокой чувствительности лазерных интерферометров к малым перемещениям, но и широкой полосе регистрируемых частот. Это означает, что лазерный интерферометр способен регистрировать не только медленные деформации земной коры, но и сейсмические колебания, вызванные землетрясениями [77,78]. Более того, в последнее время большой интерес вызывают высокочастотные микросейсмы в области 1 Гц :Р 100 Гц и связь их с землетрясениями [79]. Подробный анализ микросейсмических шумов приведен в [80], где указано, что природа их не до конца изучена и требует дальнейших исследований.
Лазерному интерферометру-деформографу доступно детектирование собственных колебаний Земли с периодами колебаний от нескольких минут до часа с относительной амплитудой смещений на уровне 10"9 - 10"11, поддерживаемых естественной сейсмической активностью [17,81]. Повышая надежность и длительность непрерывных деформационных наблюдений, исследователи получают возможность изучать длиннопериодные (Т»1 часа) колебания Земли [18], механизм возбуждения которых до конца не изучен. Стимулируют постановку таких наблюдений геофизики и сейсмологи [82], указывая на необычную природу этих колебаний и конкретные их периоды. В настоящее время уже имеются первые оригинальные результаты по регистрации предвестников землетрясений с помощью лазерной аппаратуры. О них будет более подробно говориться в пятой главе настоящей диссертации.
Для геофизических лазерных измерений естественная атмосфера всегда выступала как серьезная помеха, существенно снижающая их чувствительность. Изучение прохождения лазерного излучения в открытой атмосфере представляет интерес в связи с проведением геофизических измерений деформаций земной коры на больших расстояниях (единицы, десятки километров). Такие измерения позволили бы, в частности, исследовать деформационные процессы в местах разломов земной коры, наиболее вероятных, как указывают геофизики [83], источников сейсмической активности. Несмотря на то, что влиянию турбулентной атмосферы на характеристики лазерного излучения посвящено большое количество публикаций, о чем свидетельствуют обзоры [84, 85], почти все экспериментальные работы посвящены изучению амплитудных флуктуации когерентных оптических пучков. Авторы немногочисленных экспериментальных исследований по изучению фазовых и частотных флуктуации лазерного поля на протяженных атмосферных трассах сами указывали на трудности, которые мешают получить достоверные результаты [86,87]. Сложности, как показывает обзор соответствующих работ, состоят в отсутствии высокочувствительной техники, способной регистрировать в атмосфере характерные частотно-фазовые возмущения лазерного поля в области частот от долей до нескольких десятков герц.
Возможности повышения чувствительности дистанционных лазерных систем к измерению малых относительных перемещений
В настоящее время для измерения скорости потоков различного типа (однофазные и многофазные потоки жидкости и частиц, газодинамические струи и т.п.) широкое распространение получили лазерные методы. Эти методы используют доплеровский эффект при рассеянии света на естественных или искусственно созданных оптических неоднородностях движущейся среды. Величина скорости определяется из анализа радиосигнала биений фототока детектора, возникающих при смешении рассеянного излучения с опорной волной. Имеется множество различных схем лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) [9,34], которые во многих случаях обладают преимуществами по сравнению с контактными, не оптическими анемометрами.
Однако при измерении скорости многофазных потоков мутных и непрозрачных движущихся сред применение, ставших традиционными, схем ЛДИС (например, дифференциальной схемы) встречает большие затруднения, связанные с небольшой, или ничтожно малой, глубиной зондирования исследуемой среды лазерными лучами.
В данном параграфе описана схема ЛДИС [11,113], которая, как показывают результаты исследований, пригодна для измерения скорости потоков сильнорассеивающих, оптически непрозрачных (мутных) сред, для снятия профиля скоростей в потоке большого сечения, для изучения характеристик движения в местах, недоступных для светового луча, для измерения скорости сыпучих тел и в ряде других случаев.
В основе рассматриваемого здесь измерителя скорости мутных и непрозрачных потоков лежит использование световода, который доставляет зондирующее лазерное излучение непосредственно в зону измерений. Прежде чем перейти к описанию работы лазерной, измерительной системы, подчеркнём ещё раз специфику схемы со световодом и её возможности. Известно, что при изучении движения двухфазных потоков жидкости и газа, а это является типичной задачей прикладной гидродинамики, измерение возможно в ограниченном диапазоне концентраций газа и жидкости. Традиционные методы ЛДИС оказываются бессильными, если концентрация пузырьков газа превышает 5% объёма жидкости. Такой поток уже считается мутным. Как будет показано ниже, с помощью световода это ограничение легко преодолевается. Более того, становится возможным проводить измерения в таких сильнорассеивающих эмульсионных растворах, как молоко или кровь. Наконец, тонкое оптическое волокно достаточно просто провести через непрозрачную стенку и, таким образом выполнять диагностику потоков, например, в реакторах, когда прямое прохождение света извне полностью исключено.
Схема ЛДИС со световодом показана на рис. 2.1. Излучение He-Ne лазера (1) мощностью Р=30 мВт фокусируется с помощью короткофокусного объектива (3) в световод (4), посредством которого подводится к исследуемому объекту (5).Излучение, рассеянное на движущихся частицах, в данном случае на пузырьках воздуха в потоке жидкости, принимается тем же световодом. Подчеркнём интересное обстоятельство. В проведённых опытах выходной торец волновода играл роль приёмо-передающей антенны. На выходном торце оптического волокна происходило пространственное совмещение рассеянного и опорного отражённого от торца сигналов, которые через световод направлялись на фотоприёмник (9) (ФЭУ2-79) с помощью зеркала (2), линзы (7) и диафрагмы (8). Поляризационный фильтр (6) устраняет попадание лазерного излучения, отражённого от объектива (3) и переднего торца световода, но пропускает исследуемые сигналы, которые после прохождения через световод существенно деполяризуются. Фототок приёмника оказывается промодулирован с частотой, пропорциональной скорости потока. Электрический сигнал фотоприёмника поступает на анализирующее устройство (10). Для анализа мы использовали анализатор спектра С4-25 и осциллограф С1-70. Частотный доплеровский сдвиг для случая рассеяния назад определяется выражением где k=— -волновой вектор основной волны, V-скорость рассеяния частиц в потоке, а-угол между направлением потока и направлением волны, вышедшей из световода.
В качестве зонда использовался кварцевый одноволоконный световод с полимерным покрытием (длина 1 м). Диаметр световедущей жилы составлял 50 мкм, а внешний 150 мкм. В опытах по измерению скорости оба конца оптического волокна обрезались перпендикулярно его оси без последующей полировки так, чтобы оптическое пропускание световода было максимальным. Деполяризация излучения в световоде позволяла анализировать световой поток, поляризация которого ортогональна поляризации зондирующего лазерного излучения. Тем самым исключался сигнал, обусловленный отражением от объектива и входного торца световода. Диафрагма (8) отсекала рассеянное излучение, входящее в световод под большим углом, чем достигалось выполнение условия: красс=-к3онд (рассеяние точно назад). Канал (5) представлял собой полиэтиленовую трубу диаметром 20 мм, вдоль которого распространялся поток воды с пузырьками воздуха. Размер пузырьков составлял 200-500 мкм, а концентрация их (по объёму воздуха) достигала 50%. Для ввода волокна в поток использовалась полая медицинская игла. На рис. 2.2 показан типичный доплеровский сигнал, с анализатора спектра С4-25 соответствующий скорости двухфазного потока (вода-воздух). Измеряемый интервал частот доплеровского сдвига от ОД до 2 МГц соответствовал изменению скорости от 2,5 до 50 см/сек.
