Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
ИСАЕВА АННА АНДРЕЕВНА
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МНОГОКРАТНО РАССЕИВАЮЩИХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПОВ ДИФФУЗИОННОВОЛНОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
01.04.21 - Лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук
Саратов - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Зимняков Дмитрий Александрович
Официальные оппоненты:
Ульянов Сергей Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, профессор кафедры оптики и биофотоники Лякин Дмитрий Владимирович, кандидат физико-математических наук, Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов), старший научный сотрудник лаборатории проблем когерентно-оптических измерений в точной механике
Ведущая организация: Институт проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ РАН) (г. Москва, Троицк)
Защита состоится л15 ноября 2012 г. в 17.30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 при Саратовском Государственном Университете имени Н.Г.Чернышевского по адресу: 410012, ул.
Астраханская, 83, III корпус, ауд.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им.
В.А. Артисевич Саратовского государственного университета (Саратов, ул.
Университетская, 42)
Автореферат разослан л октября 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Дербов Владимир Леонардович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы В настоящее время методы зондирования нестационарных случайнонеоднородных сред с использованием эффекта многократного динамического рассеяния света широко применяются в фундаментальных и прикладных исследованиях в различных областях современной науки и техники. В научно-технической литературе используются различные наименования для диагностических подходов, использующих в своей основе корреляционный или спектральный анализ флуктуаций интенсивности когерентного излучения, рассеянного ансамблями подвижных рассеивателей в зондируемой среде: диффузионно-волновая спектроскопия (ДВС), фотонкорреляционная спектроскопия, спектроскопия флуктуаций интенсивности, спектроскопия оптического смешения, спекл-коррелометрия и др. Впервые возможность исследования динамики частиц в коллоидных суспензиях на основе корреляционного анализа флуктуаций интенсивности рассеянного лазерного излучения обсуждалась в работах Берне и Пекора в середине семидесятых годов прошлого века. Начиная с конца 80-х годов прошлого века метод диффузионно-волновой спектроскопии (данный термин впервые введен в 1988 году Д. Пейном с сотрудниками, опубликовавшими в Physical Review Letters одну из ключевых работ по данному направлению) стал широко применяться в физике, химии, биологии, материаловедении и других фундаментальных и прикладных научных направлениях для анализа дисперсных систем со сложной динамикой и структурой.
С использованием ДВС технологий были установлены фундаментальные закономерности, контролирующие поведение таких сложных систем и объектов, как пеноподобные материалы, кристаллизующиеся жидкости, коллоидные системы в процессе агрегации, потоки сыпучих сред. Следует особо отметить успешные применения метода диффузионно-волновой спектроскопии в биомедицине в последние два десятилетия, связанные с мониторингом и визуализацией микрогемодинамики и потоков других тканевых жидкостей в поверхностных слоях нормальных и патологических биотканей. Начиная с середины девяностых годов прошлого века и по настоящее время появляются новые модификации ДВС метода и других аналогичных методов, позволяющие существенно повысить быстродействие процесса зондирования и робастность оценок динамических характеристик зондируемой системы за счет использования, например, схем полного поля при регистрации оптических сигналов (метод LASCA, Дж. Д. Брайерс, 1996). Развитие новых подходов к обработке и анализу регистрируемых оптических сигналов позволило расширить область использования диффузионно-волновых и спекл-корреляционных технологий до зондирования существенно нестационарных и неэргодических динамических многократно рассеивающих сред.
Активному внедрению в различные области науки и техники ДВС технологий и других методов зондирования нестационарных случайнонеоднородных сред с использованием эффекта многократного динамического рассеяния лазерного излучения способствуют их бесконтактный (неинвазивный в случае биомедицинских применений) характер, чувствительность к динамическим характеристикам движущихся рассеивающих центров на пространственных масштабах, меньших длины волны зондирующего излучения, возможность получения информации о системе в реальном времени, относительная простота методики измерений и инструментальной реализации.
Развитию методов зондирования случайно-неоднородных сред с использованием эффекта динамического рассеяния лазерного излучения способствовали работы ряда исследователей из России и стран СНГ (А.А.
Голубенцев, В.Л. Кузьмин, В.П. Романов, Л.М. Веселов, И.А. Попов, А.В.
Приезжев, Д.А. Зимняков, С.С. Ульянов, И.В. Меглинский, Н.А. Фомин, О.В.
Ангельский и др.), а также из дальнего зарубежья (B.J. Berne, R. Pecora, E.
Jakeman, P.-E. Wolf, G. Maret, M. Stephen, D.J. Durian, D.J. Pine, D.A.Weitz, S.
John, F.C. MacKintosh, A.G. Yodh, J.D. Briers, D.A. Boas и др.).
Вместе с тем, несмотря на значительный прогресс в данной области, существуют некоторые вопросы в области лазерного зондирования случайнонеоднородных дисперсных систем, не в полной мере изученные вплоть до настоящего времени. Как правило, при анализе нестационарных рассеивающих сред рассматриваются в основном трансляционная и ротационная динамика рассеивающих центров (в последнем случае - для несферических частиц). В то же время, стохастическая модуляция зондирующего лазерного излучения может происходить не только вследствие изменений взаимных положений рассеивающих центров или их смещения относительно области зондирования, но также и при изменении оптических характеристик рассеивателей и/или их размеров в процессе эволюции структуры системы. Характерным примером являются дисперсные системы, формируемые по механизму разделения фаз. Кроме того, ДВС технологии и другие аналогичные методы направлены в основном на определение динамических характеристик рассеивателей в случайнонеоднородных средах (средней скорости частиц или коэффициента трансляционной диффузии). В то же время неявно предполагается, что оптические характеристики зондируемой среды (например, приведенный коэффициент рассеяния) могут быть получены с использованием других оптических методов зондирования. Следует отметить, что ДВС метод допускает определенную модификацию, позволяющую определять с его помощью оптические характеристики зондируемых сред. Решение подобных задач позволит существенно расширить функциональные возможности и область использования метода диффузионно-волновой спектроскопии и аналогичных методов.
В связи с этим целью диссертационного исследования явились:
- разработка и экспериментальная апробация моделей многократного динамического рассеяния лазерного излучения нестационарными случайнонеоднородными дисперсными системами, в том числе и характеризуемыми специфическим режимом стохастической модуляции распространяющегося лазерного излучения вследствие изменения размеров рассеивающих центров в отсутствие их трансляционной динамики;
- развитие на данной основе методов анализа структурных изменений в дисперсных системах с разделяющимися фазами и определения оптических характеристик зондируемых дисперсных систем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка и экспериментальная апробация модели многократного динамического рассеяния дисперсными системами, характеризуемыми режимом стохастической модуляции распространяющегося лазерного излучения вследствие изменения размеров рассеивающих центров в отсутствие их трансляционной динамики;
анализ процесса разделения фаз в дисперсных системах типа диспергирующий полимер - жидкий кристалл в рамках разработанной модели на основе экспериментальных данных, полученных с использованием ДВС метода полного поля;
разработка подхода к анализу корреляционных свойств флуктуаций интенсивности лазерного излучения, рассеянного существенно нестационарными многократно рассеивающими дисперсными системами;
разработка теоретических основ и экспериментальная апробация ДВС метода определения транспортного коэффициента рассеяния случайно-неоднородных сред с использованием локализованного источника зондирующего излучения и пространственной фильтрации детектируемого рассеянного света;
анализ применимости ДВС метода с использованием локализованного источника и пространственной фильтрации регистрируемого рассеянного излучения к зондированию макроскопически неоднородных динамических сред со слоистой структурой.
Научная новизна работы:
1) Впервые выявлены особенности процесса многократного динамического рассеяния лазерного излучения дисперсными средами, формируемыми в результате разделения фаз в оптически однородных системах преполимер - жидкий кристалл; показано, что основной вклад в декорреляцию рассеянного лазерного света в процессе формирования структуры среды вносит амплитудная модуляция парциальных составляющих рассеянного поля в среде при изменении элементов амплитудной матрицы рассеяния капель жидкого кристалла как рассеивающих центров (в отличие от дисперсных систем с трансляционной динамикой рассеивающих центров, обычно исследуемых с использованием метода диффузионно-волновой спектроскопии).
2) Предложен новый подход к анализу флуктуационной составляющей лазерного излучения, многократно рассеянного нестационарными случайно-неоднородными средами на основе локальных оценок характеристик структурной функции флуктуаций интенсивности (индекса и топотезы) с использованием скользящего окна во временной области.
3) Разработан и апробирован в экспериментах с модельными рассеивающими системами новый спекл-коррелометрический метод определения транспортного коэффициента рассеяния зондируемой среды и характеристик подвижности рассеивающих центров в среде (средней скорости или коэффициента диффузии) на основе использования локализованного источника зондирующего излучения и пространственной фильтрации рассеянного лазерного света в плоскости изображения поверхности зондируемой среды, создаваемого оптической системой.
4) Впервые предложена интерпретация наблюдаемого в экспериментах эффекта сужения спектра флуктуаций и увеличения глубины стохастической модуляции лазерного излучения, обратно рассеянного слоями формируемых композитов диспергирующий полимер - жидкий кристалл при определенных концентрациях жидкокристаллического компонента в исходной смеси.
Практическая значимость Результаты работы можно рассматривать как физическую основу для создания и развития новых лазерных методов зондирования нестационарных многократно рассеивающих сред со сложной структурой и динамикой рассеивающих центров. В ходе выполнения работы получен ряд результатов, имеющих практическое значение с точки зрения развития и внедрения в практику диагностических методов с использованием эффекта многократного динамического рассеяния лазерного излучения, в том числе:
разработан и апробирован в экспериментах спеклкоррелометрический метод полного поля с использованием локализованного источника лазерного излучения и пространственной фильтрацией спекл-модулированных изображений поверхности зондируемой среды, позволяющий определять транспортный коэффициент рассеяния и параметры подвижности рассеивающих центров в среде (среднюю скорость или коэффициент трансляционной диффузии), представляющий интерес для различных приложений в материаловедении и биомедицине;
разработан подход к анализу существенно нестационарных оптических сигналов, формируемых в условиях многократного динамического рассеяния лазерного излучения, с использованием локальных оценок параметров (индекса и топотезы) структурной функции флуктуаций интенсивности.
Достоверность результатов Достоверность полученных научных результатов обеспечивается:
применением обоснованных и неоднократно апробированных экспериментальных методик; воспроизводимостью экспериментальных данных и их согласованием с известными из литературы экспериментальными результатами, полученными другими исследовательскими группами с использованием методов и подходов, отличных от применяемых в диссертационной работе; применением обоснованных и апробированных методик теоретического моделирования многократного динамического рассеяния лазерного излучения в случайнонеоднородных средах, обеспечивающих с приемлемой точностью количественное согласование результатов моделирования с полученными экспериментальными данными.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту Стохастическая модуляция лазерного излучения в дисперсных системах, формирующихся по механизму разделения фаз, преимущественно имеет характер амплитудной модуляции и обусловлена вариациями элементов матрицы Джонса растущих рассеивающих центров (микро- и нановключений выделяемого компонента).
Зависимости дисперсии и времени корреляции флуктуаций интенсивности лазерного излучения, обратно рассеянного слоями систем диспергирующий полимер - жидкий кристалл (ДПЖК) на стадии стабилизации структуры от объемной доли ЖК компонента имеют выраженный немонотонный характер. Это обусловлено существованием минимального значения кратности рассеяния лазерного света слоем ДПЖК композита при объемной доли ЖК порядка 0.5.
При использовании метода диффузионно-волновой спектроскопии для анализа существенно нестационарных динамических многократно рассеивающих сред метод локальных оценок структурной функции флуктуаций интенсивности является предпочтительным по сравнению с традиционно используемым корреляционным анализом флуктуаций интенсивности. Это обусловлено существенно более короткими интервалами времени, необходимыми для робастных оценок информативных параметров: индекса и топотезы структурной функции.
Разработан спекл-коррелометрический метод определения транспортного коэффициента рассеяния динамических случайнонеоднородных сред с использованием локализованного источника лазерного излучения и пространственной фильтрации спеклмодулированного изображения поверхности среды с помощью кольцевых пространственных фильтров, осуществляющих дискриминацию парциальных составляющих рассеянного поля по длинам оптического пути в среде.
ичный вклад соискателя Личный вклад соискателя состоит в участии в постановке и решении основных задач работы, в разработке методик теоретического анализа и проведении экспериментальных исследований, обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов. Представленные теоретические и экспериментальные результаты получены или лично автором, или при его непосредственном участии совместно с д.ф.-м.н., проф. Зимняковым Д.А. В ходе выполнения работы использованы предварительные экспериментальные данные по динамическому рассеянию лазерного излучения ДПЖК слоями, полученные ранее к.ф.-м.н. Виленским М.А. и к.ф.-м.н. Садовым А.В. В экспериментальных исследованиях по определению транспортного коэффициента рассеяния случайно-неоднородных сред с использованием спекл-коррелометрического метода с локализованным источником излучения и пространственной фильтрацией рассеянного света принимала участие Исаева Е.А.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 международных и межрегиональных конференциях, в том числе на:
международной междисциплинарной школе для студентов и молодых учёных по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophotonics (SFM) (Саратов, Россия) 2009, 2010, 2011, 2012;
международной конференции "Correlation OpticsТ10Ф (Черновцы, Украина, 2011 г.) работа заняла 3-е место на конкурсе SPIE работ молодых ученых;
15-й международной конференции Laser Optics 2012 (СанктПетербург, Россия, 2012 г.) работа была отмечена сертификатом оптического общества им. Д.С. Рождественского.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, содержит 152 страницы текста, включая список литературы, 43 иллюстрации и таблицы. Список литературы состоит из 242 наименований.
Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая значимость результатов, кратко изложено содержание работы и приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен краткий обзор существующих когерентно-оптических методов зондирования случайно-неоднородных сред с использованием эффекта многократного динамического рассеяния лазерного излучения света и обсуждены результаты их использования для решения различных фундаментальных и прикладных задач в биомедицине, физике и материаловедении. Также изложены фундаментальные основы диффузионно-волновой спектроскопии случайно-неоднородных сред и рассмотрены возможные применения данного подхода в различных областях науки и техники.
Вторая глава посвящена разработке и проверке на основе имеющихся экспериментальных данных теоретической модели многократного динамического рассеяния света дисперсными системами, формируемыми в процессе разделения фаз. Данная модель представляет собой теоретическую основу метода диффузионно-волновой спектроскопии применительно к анализу формирования структур типа диспергирующий полимер - жидкий кристалл, формируемых в исходных однородных смесях преполимер - жидкий кристалл в процессе полимеризации под действием ультрафиолетового излучения.
Особенностью динамического рассеяния в таких системах является преобладающая амплитудная модуляция распространяющегося лазерного излучения, обусловленная вариациями элементов матрицы Джонса рассеивающих центров в процессе их роста. Кинетика роста жидкокристаллических капель в слоях синтезируемых композитов зависит от объёмной доли жидкокристаллического компонента в исходной смеси и физико-химических свойств обоих компонентов.
Для анализа многократного динамического рассеяния света слоями ДПЖК композитов в режиме обратно рассеяния использована экспериментальная установка, схематически показанная на рис. 1.
Полученные в эксперименте временные реализации интенсивности регистрируемого нестационарного оптического сигнала, отражающие эволюцию процесса синтеза ДПЖК структуры, показаны на рис. 2.
Декорреляция регистрируемых значений интенсивности, выражающаяся в виде динамической спекл-модуляции многократно рассеянного излучения, вызвана структурными изменениями рассеивающей среды (изменением среднего радиуса и объёмной доли ЖК капель).
Анализ детектируемых временных флуктуаций интенсивности осуществлялся путём вычисления временной структурной функции флуктуаций интенсивности, определяемой как:
, где - топотеза, - индекс структурной функции.
Рис. 2. Временные реализации Рис. 1. Схема установки для интенсивности регистрируемого исследования динамического сигнала процесса УФ рассеяния лазерного излучения полимеризации для различных ДПЖК композитами: 1 - He-Ne массовых долей жидкого лазер, 2 - телескопическая кристалла и фотополимера:
система, 3 - образец, 4 - КМОП 1 - (40% ЖК 807)/(60% камера, 5 - интерференционный фотополимера NOA65);
фильтр, 6 - УФ-излучение (для 2 - (50% ЖК 807)/(50% полимеризации смеси).
фотополимера NOA65);
3 - (60% ЖК 807)/(40% фотополимера NOA65).
Полученные в результате обработки экспериментальных данных нормированные структурные функции флуктуаций интенсивности на стадии стабилизации структуры в ходе синтеза ДПЖК композитов представлены на рис. 3.
Рис. 3. Эмпирические структурные функции флуктуаций интенсивности лазерного излучения, обратно рассеянного слоями синтезируемых ДПЖК композитов:
1 - (40% ЖК 807)/(60% фотополимера NOA65);
2 - (50% ЖК 807)/(50% фотополимера NOA65);
3 - (60% ЖК 807)/(40% фотополимера NOA65).
Необходимо отметить, что во временном интервале от до структурная функция с высокой точностью аппроксимируется степенным законом вида. Индекс структурной функции для различных объёмных долей жидкокристаллического компонента в смеси представлен в таблице 1.
Таблица 1.
Объёмная доля ЖК компонента, Индекс структурной функции, 0.4 0.0.5 0.0.6 0.На рис. 4 показаны полученные с использованием разработанной модели теоретические зависимости нормированных структурных функций флуктуаций интенсивности от среднего значения волнового числа рассеивающих центров при фиксированном числе актов рассеяния (т.е. для одной парциальной составляющей, характеризуемой заданным значением оптического пути в среде). Представлены случаи, когда число актов рассеяния в среде равно и, для систем, состоящих из рассеивающих центров малых, и, соответственно больших размеров.
Рис. 4. Теоретические нормированные структурные функции для парциальных составляющих с заданным значением числа актов рассеяния при различных средних значениях дифракционного параметра рассеивающих центров:
k r 1 - N 5, 25;
k r 2 - N 30, 25;
k r 3 - N 5, 250;
k r 4 - N 30, 250.
Было проведено сопоставление теоретических значений индекса структурных функций флуктуаций интенсивности парциальных составляющих с заданными значениями числа актов рассеяния и полученных из эксперимента значений индекса с учетом известной взаимосвязи между скейлинговыми свойствами корреляционной функции для единичной парциальной составляющей и полной корреляционной функции, получаемой в результате интегрирования лединичной корреляционной функции по всем возможным значениям путей парциальных составляющих для режима обратного многократного рассеяния. Данные значения индексов должны различаться в 2 раза, в соответствии с результатами Ф. Макинтоша с сотрудниками, что имеет место и в нашем случае (рис. 3 и 4).
Установленные в экспериментах минимальное значение топотезы структурной функции флуктуаций интенсивности и максимальное значение индекса мерцаний рассеянного излучения при одинаковых долях преполимера и жидкого кристалла в исходной смеси интерпретировано в рамках известных из литературы представлений о кинетике разделения фаз в двухкомпонентных системах и с учетом полученных теоретических результатов как эффект минимальной средней кратности рассеяния зондирующего излучения в подобных системах при данных условиях.
В третьей главе представлены результаты теоретического моделирования многократного динамического рассеяния света в движущихся случайно-неоднородных средах при использовании локализованного источника зондирующего излучения и пространственной фильтрации рассеянного света с целью дискриминации парциальных составляющих по длинам оптического пути в среде. Также приведены результаты экспериментальной апробации соответствующего метода зондирования, позволяющего определить транспортный коэффициент рассеяния зондируемой среды.
В п. 3.1 обсуждаются основные аспекты влияния граничных условий, длины экстраполяции для зондируемой среды и конечных размеров источника излучения на распределение оптических путей парциальных составляющих рассеянного поля в среде.
В п. 3.2 предлагается оригинальный подход к определению транспортной длины распространения зондирующего излучения в среде (и, соответственно, транспортного коэффициента рассеяния среды) на основе использования локализованного источника зондирующего лазерного излучения и программно реализуемой пространственной кольцевой фильтрации составляющих рассеянного излучения в плоскости изображения поверхности зондируемой среды, создаваемого оптической системой.
Экспериментальная апробация данного подхода осуществлялась с использованием схемы, представленной на рис. 5, для лазерного излучения с длинами волны 633 нм (He-Ne лазер ГН-5П) и 405 нм (лазерный модуль FLEXPOINT blue). В качестве исследуемого образца использовался политетрафторэтиленовый (ПТФЭ) цилиндр толщиной 30 мм и диаметром мм, приводимый во вращение с помощью регулируемого привода.
Рис. 5. Схема спекл-коррелометра с локализованным источником зондирующего излучения и пространственной фильтрацией рассеянного света в плоскости изображения: 1 - лазер; 2 - микрообъектив; 3 - исследуемый образец; 4 - объектив; 5 - КМОПкамера.
Использование локализованного источника и пространственной фильтрации детектируемого излучения позволяют осуществить частичную дискриминацию парциальных составляющих по длинам пути в среде. В этом случае автокорреляционная функция флуктуаций интенсивности в произвольно выбранной точке может быть представлена в виде, где - средневзвешенное с экспоненциальным множителем значение нормированного оптического пути для анализируемого кольцевого участка поверхности среды. Тогда в случае равномерного поступательного движения исследуемого образца время корреляции флуктуаций интенсивности в выделенной зоне равно, где скорость движения среды, волновое число зондирующего излучения в среде.
Время корреляции флуктуаций интенсивности субъективных спеклов в плоскости изображения связано с величиной, определяемой в объектной плоскости (вблизи поверхности среды), преобразованием, где коэффициент определяется параметрами оптической системы и равен, где - нормировочный коэффициент порядка 1, фокусное расстояние и радиус зрачка оптической системы, используемое увеличение.
Для определения абсолютного значения по измеренному в эксперименте необходимо также значение при заданном, что в свою очередь требует знания эффективного значения радиуса источника. Данная проблема решалась путем статистического моделирования переноса зондирующего излучения в среде с помощью метода Монте-Карло с использованием в качестве подгоночных параметров и на основе дополнительных экспериментальных данных о радиальном распределении интенсивности обратно рассеянного излучения по пятну рассеяния на поверхности образца. На рис. 6. приведены нормированные на kv значения в зависимости от для и.
Рис. 6. Зависимости от радиуса кольцевого пространственного фильтра: 1 - 633 нм, 0.1 мм/с; 2 - 633 нм, 0.19 мм/с; 3 - 633 нм, 0.29 мм/с; 4 - 405 нм, 0.1 мм/с; 5 - 4нм, 0.19 мм/с; 6 - 405 нм, 0.29 мм/с. Оценка отношения при составляет 2.87.
Рис. 7. Радиальные распределения нормированных значений интенсивности обратно рассеянного излучения :
1 - Монте-Карло моделирование, 4; 2 - Монте-Карло моделирование, 8; 3 - Монте-Карло моделирование, 16; 4 - Монте-Карло моделирование, 32; 5 - эксперимент, 633 нм; 6 - эксперимент, 405 нм.
На рис. 7 приведены радиальные распределения нормированных значений интенсивности обратно рассеянного излучения вблизи поверхности для модельных сред с различными значениями, полученные с использованием Монте-Карло моделирования.
Подгоночные значения и равны соответственно (1120 70) мкм и (1050 60) мкм; получаемые при этом значения и равны соответственно (195 10) мкм ( (5.14 0.26) мм-1) и (68 4) мкм ( (14.76 0.87) мм-1).
В ходе работы было выполнено сравнение результатов определения транспортных коэффициентов рассеяния модельного образца (ПТФЭ) с использованием разработанного спекл-коррелометрического метода и по измерениям диффузного пропускания с использованием интегрирующей сферы (Таблица 1).
Таблица 1.
Длина волны Спекл-коррелометрический Измерение диффузного зондирующего метод + анализ радиальных пропускания с излучения распределений интенсивности использованием интегрирующей сферы 405 нм (14.76 0.87) мм-1 (15.10 1.08) мм-633 нм (5.14 0.26) мм-1 (5.35 0.55) мм-Данные таблицы 1 позволяют сделать вывод о хорошем соответствии значений транспортного коэффициента рассеяния, полученных с использованием различных методов.
В п. 3.3 описана модель динамического рассеяния света в пространственно-неоднородных динамических средах, при использовании пространственной фильтрации детектируемого рассеянного света и локализованного источника зондирующего излучения.
Используемая многослойная модель имитирует ожоговые поражения кожи, причем верхний статический слой соответствует некротизированному в результате ожогового поражения поверхностному слою кожи, в котором подавлены обменные процессы. Толщина статического слоя в модели определяется степенью ожогового поражения для реальной ткани. Оценка глубины проникновения парциальных динамических и статических составляющих рассеянного излучения позволяют определить толщины слоёв.
С использованием модели рассматривались двухслойные и трехслойные модельные среды, представляющие собой наборы динамических и статических слоев с одинаковыми оптическими характеристиками и существенно различающимися параметрами ансамблей динамических рассеивателей (в первую очередь - значениями объемной доли подвижных частиц в слое).
Как видно из рис. 8, асимптотическое значение отношения числа динамических фотонов (парциальных составляющих рассеянного поля) к общему числу фотонов определяется концентрацией рассеивателей в зондируемой среде. Следует отметить, что кривая зависимости от расстояния между источником и детектором для анизотропного рассеяния лежит несколько выше, чем для изотропного рассеяния. Это обусловлено большим вкладом диффузной составляющей рассеянного излучения в регистрируемый оптический сигнал.
Рис. 8. Зависимость отношения числа динамических фотонов к общему числу фотонов от радиуса селектирующей кольцевой апертуры для различных показателей анизотропии среды и для двухслойной модели Рис. 9. Зависимость отношения числа динамических фотонов к общему числу фотонов от радиуса селектирующей кольцевой апертуры для различных показателей анизотропии среды и для трёхслойной модели.
Следует отметить, что для трехслойной модели максимальное значение отношения определяется объёмной долей динамических рассеивателей во втором слое и отношение асимптотически стремится к объёмной доле динамических рассеивателей, содержащихся в третьем слое (Рис. 9).
Таким образом, зависимость динамических и статических парциальных составляющих рассеянного поля от радиуса кольцевой диафрагмы качественно отображает глубину их проникновения и, соответственно, толщину слоёв с различными показателями объёмной доли движущихся рассеивателей, что даёт возможность идентифицировать структурные особенности среды.
Также была исследована модель, представляющая собой однородную статическую среду, содержащую протяжённый динамический объект (например, с параметрами, имитирующими кровеносный сосуд). Объёмная доля подвижных рассеивателей внутри динамического объекта составляла 100%, и поэтому даже однократный акт рассеяния давал частотную модуляцию соответствующей парциальной составляющей и вклад в число динамических фотонов.
Рис. 10. Зависимость доли Рис. 11. Влияние показателя парциальных компонент с частотным анизотропии среды на смещение сдвигом от радиуса кольцевого максимума функции импульсного детектора для различных показателей отклика.
анизотропии для среды протяжённым динамическим объектом.
При достижении зондирующим излучением глубины расположения динамического объекта, происходило резкое возрастание числа детектируемых динамических фотонов до максимального значения (Рис.
10), обусловленное увеличением доли фотонов, несущих информацию о динамических рассеивателях.
В заключение следует отметить влияние параметра анизотропии, приводящее к систематической погрешности в определении положения динамической неоднородности (рис. 11).
Основные выводы по работе:
1. Экспериментально установлены следующие особенности рассеяния лазерного излучения в синтезируемых в результате воздействия УФ излучения системах жидкий кристалл - диспергирующий полимер:
существование длительной латентной стадии, предшествующей стадии роста и формирования ЖК доменов в полимерной матрице и характеризуемой крайне низкой эффективностью рассеяния зондирующего излучения;
относительно слабая динамическая спекл-модуляция рассеянного излучения ;
быстрый переход от релеевского рассеяния к режиму рассеяния Ми на стадии активного роста и формирования ЖК доменов в полимерной матрице.
2. Показано, что декорреляция рассеянного поля в процессе разделения фаз в формируемых дисперсных системах типа диспергирующий полимер - жидкий кристалл преимущественно обусловлена случайной амплитудной модуляцией парциальных составляющих рассеянного поля в среде, вызванной изменением элементов амплитудной матрицы рассеяния капель жидкого кристалла, как рассеивающих центров.
3. Установлено, что использование локальных оценок характеристик структурной функции флуктуаций интенсивности (индекса и топотезы) и скользящего окна во временной области позволяет осуществить анализ нестационарных оптических сигналов, формируемых в процессе разделения фаз в двухкомпонентных системах. Так изменение среднего размера радиуса ансамблей ЖК в процессе синтеза ДПЖК и, соответственно, кратности рассеяния сопровождается изменением индекса и топотезы структурной функции.
4. Показано, что различие индексов I экспериментально полученной структурной функции и структурной функции, рассчитанной с помощью построенной модели, обусловлено особенностями перехода от структурной функции для произвольно выбранной парциальной составляющей к полной структурной функции, получаемой в результате суммирования по всем парциальным составляющим. Подобный переход для режима обратного рассеяния сопровождается уменьшением индекса структурной функции в раза.
5. Показано, что зависимости параметров флуктуаций интенсивности лазерного излучения (дисперсии и времени корреляции), обратно рассеянного слоями, формируемых в процессе разделения фаз, композитных материалов диспергирующий полимер - жидкий кристалл от объемной доли ЖК компонента имеют выраженный немонотонный характер, что обусловлено существованием минимального значения кратности рассеяния лазерного света слоем ДПЖК композита в интервале значений объемной доли ЖК компонента от порогового значения для процесса разделения фаз до порогового значения, соответствующего началу процесса коалесценции жидкокристаллических капель.
6. Установлено, что разработанный метод спекл-коррелометрии полного поля с использованием локализованного источника и пространственной фильтрации рассеянного света, позволяет с приемлемой точностью определить транспортный коэффициент рассеяния зондируемой среды. В частности, для исследуемого образца политетрафторэтилена для различных источников излучения транспортный коэффициент рассеяния оказался равным мм ( н ) и мм ( н ). Необходимо отметить, что полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью измерения диффузного пропускания с использованием интегрирующей сферы, а именно для н транспортный коэффициент рассеяния оказался равными мм и для н транспортный коэффициент рассеяния равен мм.
7. Показано, что в коротковолновой области видимого диапазона наблюдаемый в наших экспериментах рост с уменьшением длины волны зондирующего излучения происходит в большей степени, чем это предсказывается соотношением, предложенным Ф.
Шеффолдом с сотрудниками. В нашем случае н н. Такие результаты предположительно обусловлены резким возрастанием фактора эффективности рассеяния структурных неоднородностей ПТФЭ при использовании зондирующего излучения в коротковолновой области видимого диапазона вблизи края полосы поглощения материала в ближней УФ области.
8. Показано, что разработанная Монте-Карло модель, описывающая динамическое рассеяние света в пространственно-неоднородных многослойных средах, с использованием пространственной кольцевой фильтрации и локализованного источника излучения, позволяет моделировать влияние толщины слоёв с различными значениями объёмной доли динамических включений в слое, что может быть использовано для идентификации структурных особенностей биологических объектов со слоистой структурой.
Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:
1. Зимняков Д.А., Хмара М.Б., Виленский М.А., Козлов В.В., Горфинкель И.В., Здражевский Р.А., Исаева А.А. Спекл-корреляционный мониторинг микрогемодинамики внутренних органов // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. №6. С. 891 - 897.
2. Zimnyakov D. A., Isaeva A. A., Isaeva E.A., Ushakova O.V., Chekmasov S.P., Yuvchenko S. A. Analysis of the scatter growth in dispersive media with the use of dynamic light scattering // Applied Optics. 2012. V. 51. №16. P. C62 - C69.
3. Isaeva A.A., Zimnyakov D.A. Full-field speckle analysis of spatially heterogeneous scatter dynamics with the improved depth resolution in stratified random media // Proc. SPIE. 2011. V.8338. P. 83380Y: 1 - 8.
4. Зимняков Д.А., Исаева А.А., Исаева Е.А., Ушакова О.В., Здражевский Р.А. О спекл-коррелометрическом методе оценки транспортного коэффициента рассеяния случайно-неоднородных сред // ПЖТФ. 2012. Т. 38. №20. С. 43 - 50.
Публикации в других издания:
5. Зимняков Д.А., Исаева А.А. Спекл-коррелометрия полного поля пространственно-неоднородных динамических сред с улучшенным разрешением по глубине: результаты моделирования // Проблемы оптической физики и биофотоники. Сборник научных трудов СГУ.
Саратов: Изд-во Новый ветер. 2009. С. 77 - 80.
6. Исаева А.А. Спекл-коррелометрия полного поля случайно-неоднородных многослойных структур применительно к морфофункциональной диагностике биотканей // Молодые учёные - здравоохранению:
материалы 71-й межрегиональной научно-практической конференции студентов и молодых учёных с международным участием. Саратов: Издво СГМУ. 2010. С. 258.
7. Исаева А.А., Зимняков Д.А., Хирнова М.Н. Спекл-коррелометрия полного поля с улучшенным разрешением по глубине для контроля транспорта жидкостей в биотканях и биокомпозитах // Биосовместимые материалы и покрытия: сборник материалов Всероссийского конкунрса научных работ бакалавров и магистрантов. Саратов: СГТУ. 2010. С. 141 - 142.
8. Зимняков Д.А., Исаева А.А. Обратная задача спекл-коррелометрии пространственно-неоднородного переноса жидкой фазы в рассеивающих средах // Участники школы молодых учёных и программы УМНИК:
сборник трудов ХХIV Международной научной конференции. 2011. С. - 84.
9. Исаева А.А., Зимняков Д.А. Пространственно-селективная спеклкоррелометрия полного поля для диагностических приложений. // XXV Междунар. науч. конф. Математические методы в технике и технологиях-25. 2012. С. 148 - 150.
10. Исаева А.А., науч. рук. Зимняков Д.А. Пространственно-селективный спекл-коррелометр полного поля для диагностических приложений в материаловедении и биомедицине // Участники школы молодых ученых и программы УМНИК: сборник трудов ХХIV Международной научной конференции. 2012. С.14 - 15.