Развитие методов морфологического анализа многократно рассеивающих дисперсных систем с использованием принципов диффузионно-волновой спектроскопии

Исаева, Анна Андреевна

Развитие методов морфологического анализа многократно рассеивающих дисперсных систем с использованием принципов диффузионно-волновой спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Исаева, Анна Андреевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие методов морфологического анализа многократно рассеивающих дисперсных систем с использованием принципов диффузионно-волновой спектроскопии»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методов морфологического анализа многократно рассеивающих дисперсных систем с использованием принципов диффузионно-волновой спектроскопии"

На правах рукописи

005054169

Исаева Анна Андреевна

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МНОГОКРАТНО РАССЕИВАЮЩИХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПОВ ДИФФУЗИОННО-ВОЛНОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

01.04.21 - Лазерная физика

- 1 НОЯ 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2012

005054169

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Зммняков 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 Дмитрии 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 «15» 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. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета (Саратов, ул. Университетская, 42)

Автореферат разослан « а » октября 2012 г.

Учёный секретарь __

диссертационного совета "/%5^^/Дербов Владимир Леонардович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В настоящее время методы зондирования нестационарных случайно-неоднородных 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), фотон-корреляционная 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 случайно-неоднородных 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 (A.A. Голубенцев, B.JT. Кузьмин, В.П. Романов, J1.M. Веселов, И.А. Попов, A.B. Приезжее, Д.А. Зимняков, С.С. Ульянов, И.В. Меглинский, H.A. Фомин, О.В. Ангельский и др.), а также из дальнего зарубежья (B.J. Berne, R. Pécora, Е. Jakeman, Р.-Е. Wolf, G. Maret, M. Stephen, D.J. Durian, DJ. 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 случайно-неоднородных 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 случайно-неоднородных 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 случайно-неоднородными 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

■ разработан и апробирован в экспериментах спекл-коррелометрический 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 флуктуации 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 случайно-неоднородных 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 d7 (г) = ({T(t+г) - / (о}^ = L, т" 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 а и топотезы L, структурной функции £>f(r).

■ Разработан спекл-коррелометрический метод определения транспортного коэффициента рассеяния динамических случайно-неоднородных сред с использованием локализованного источника лазерного излучения и пространственной фильтрации спекл-модулированного изображения поверхности среды с помощью кольцевых пространственных фильтров, осуществляющих дискриминацию парциальных составляющих рассеянного поля по длинам оптического пути в среде.

Личный 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 A.B. 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 Optics'10» (Черновцы, Украина, 2011 г.) работа заняла 3-е место на конкурсе SPIE работ молодых ученых;

■ 15-й Международной конференции «Laser Optics 2012» (Санкт-Петербург, 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 2 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 флуктуации интенсивности /(г) осуществлялся путём вычисления временной структурной функции флуктуаций интенсивности £>?(г), определяемой как

£>г(г) = ({/«, г)-/( о?)»;

функции.

■ и", где

топотеза, а - индекс структурной

для

гV г1

Рис. 1. Схема установки исследования динамического рассеяния лазерного излучения ДПЖК композитами: 1 - Не-Ые лазер,

2 - телескопическая система,

3 - образец, 4 - КМОП камера,

5 - интерференционный фильтр,

6 - УФ-излучение (для полимеризации смеси)

20 40 60 80 100 120 140

1, с

Рис. 2. Временные реализации интенсивности регистрируемого

сигнала процесса УФ полимеризации для различных массовых долей жидкого кристалла и фотополимера:

1 - (40% ЖК 807)/(60% фотополимера МОА65);

2 - (50% ЖК 807)/(50% фотополимера ША65);

3 - (60% ЖК 807)/(40% фотополимера

¡ЧОА65)

Полученные в результате обработки экспериментальных данных нормированные структурные функции флуктуаций интенсивности Ог(т)/2(Р) на стадии стабилизации структуры в ходе синтеза ДПЖК композитов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Эмпирические структурные функции флуктуации интенсивности лазерного излучения, обратно рассеянного слоями синтезируемых ДПЖК композитов:

1 - (40% ЖК807)/(60% фотополимера ША65);

2 - (50% ЖК807)/(50% фотополимера Ж)А65);

3 - (60% ЖК807)/(40% фотополимера ЫОА65)

Время х,с

Необходимо отметить, что во временном интервале от 0.1-0.3 до 0.8-0.9 структурная функция йт(т)/2(Т2) с высокой точностью

аппроксимируется степенным законом вида />г(г)/2/72\~ г"'. Индекс

структурной функции а для различных объёмных долей жидкокристаллического компонента в смеси представлен в табл. !.

Таблица 1

Объёмная доля ЖК компонента, /1Г Индекс структурной функции, а.

0.4 0.49

0.5 0.48

0.6 0.88

На рис. 4 показаны полученные с использованием разработанной модели теоретические зависимости нормированных структурных функций флуктуации интенсивности £>7(М{/),ЛО/2(72) от среднего значения волнового числа рассеивающих центров ¿д(г) = (2л-/Л)д{г) 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 N = 5 и N = 30, для систем, состоящих из рассеивающих центров малых, и, соответственно больших размеров.

Было проведено сопоставление теоретических значений индекса структурных функций флуктуации 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 «единичной» корреляционной функции по всем возможным значениям путей

парциальных составляющих для режима обратного многократного

Рис. 4. Теоретические

нормированные структурные

функции От(кА(г)^)/2(Т2) для

парциальных составляющих с заданным значением числа актов рассеяния при различных средних значениях дифракционного

параметра рассеивающих центров:

1 - N =5, к(г)= 25; 2- N=30, к (г) =25;

3_ N =5, к (г) =250;

0.01 0.1 1

кд<г> 4- УУ=30, к(г) =250

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

рассеяния.

Н т

< л

0.1

о 0.01

1Е-3

■1 С Л

/ .. ж*

аг«1.72

1 2 3 • 4

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 25 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: i - лазер; 2 - микрообъектив; .

3 - исследуемый образец; 4 - объектив; 5 - \

КМОП-камера

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 g2(т) может быть представлена в виде £2(т)= ехр(-2*2(Дг2(т)).?/з)=ехр(-{г/г,.}2), где 5 - 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 тг = 1.22Ду-/?, где V - скорость движения среды, к - волновое число зондирующего излучения в среде.

Время корреляции флуктуаций интенсивности субъективных спеклов г,' в плоскости изображения связано с величиной тг, определяемой в объектной плоскости (вблизи поверхности среды), преобразованием т' = К2тс, где коэффициент К2 определяется параметрами оптической системы и равен= КгР{М + \)/ЛляМ, где К, - нормировочный коэффициент порядка 1, Г - фокусное расстояние и радиус зрачка оптической системы, М - используемое увеличение.

Для определения абсолютного значения Г по измеренному в эксперименте г' необходимо также значение 5 при заданном Я, что, в свою очередь, требует знания эффективного значения радиуса источника г. Данная проблема решалась путем статистического моделирования переноса зондирующего излучения в среде с помощью метода Монте-Карло с использованием в качестве подгоночных параметров Г и г на основе дополнительных экспериментальных данных о радиальном распределении интенсивности обратно рассеянного излучения по пятну рассеяния на поверхности образца. На рис. 6 приведены нормированные на кл> значения г' в зависимости от Л для 2 = 633нм и Д = 405нм.

Рис. 6. Зависимости т'.Ь> от радиуса кольцевого пространственного

фильтра: 1 - Л. = 633 нм, 0.1 мм/с; 2 - Я = 633 нм, V = 0.19 мм/с; 3 -Л = 633 нм, V = 0.29 мм/с; 4 - /1 = 405нм, у =0.1 мм/с; 5 -/1=405 нм, V = 0.19 мм/с; 6 — А = 405 нм, V = 0.29 мм/с. Оценка отношения

7Г.633^«331'/4.405^405У = 'бЗЗ ^405

при = 1.875 мм составляет = 2.87

Рис. 7. Радиальные распределения нормированных значений

интенсивности обратно рассеянного излучения ¡{11/г)/1(0):

1 - Монте-Карло моделирование,

г/Г = 4; 2 - Монте-Карло моделирование, г//* = 8; 3 - Монте-

Карло моделирование, г ¡Г = 16;

4 - Монте-Карло моделирование, г/Г = 32; 5 - эксперимент, Л = 633 нм; 6 - эксперимент, Л = 405 нм

Подгоночные значения/-633 и г405 равны соответственно » (1120 ± 70)

мкм и = (1050 ± 60) мкм; получаемые при этом значения I бзз и Г л 05 равны соответственно = (195 ± 10) мкм (//'^ (5.14 ±0.26) мм"1) и ~ (68 ±4) мкм (//', = ( 14.76 ±0.87) мм"1).

• i

• «

■ 1

• 2

* 3

.1 4

а а

1.0 1.5

к, тт

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 (табл. 2).

Таблица 2

Длина волны зондирующего излучения Спекл-коррелометрический метод + анализ радиальных распределений интенсивности Измерение диффузного пропускания с 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 табл. 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 позволяет определить толщины слоев.

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.

_. 0.12

8 = 0.«5

« 1000 201Х» 3(И«

Радиус кольцевого детектора, мкм

Рис. 8. Зависимость отношения числа «динамических» «фотонов» к общему числу «фотонов» от радиуса селектирующей кольцевой апертуры для различных показателей анизотропии среды 8 = 0.85 и £ = 0.3 для двухслойной модели

11.2(1 0.16

2 0.12

-О 0.08

а = о.з е - о,к5

|ооо зим

Радиус кольццниго дегектора, мкм

Рис. 9. Зависимость отношения числа «динамических» «фотонов» к общему числу «фотонов» от радиуса селектирующей кольцевой апертуры для различных показателей анизотропии среды Я =0.85 и §=0.3 для трёхслойной модели

Следует отметить, что для трехслойной модели максимальное значение отношения Л^я/А'1„ы 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 слоев 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 парциальных компонент с частотным сдвигом от радиуса кольцевого детектора для различных показателей анизотропии для среды протяжённым динамическим объектом

Рис. 11. Влияние показателя

анизотропии среды на смещение

максимума функции импульсного отклика

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:

■ 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 излучения31 <{/);

■ быстрый переход от рэлеевского 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 топогезы) 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 01 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 2 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 ¡1'3. В частности, для исследуемого образца политетрафторэтилена для различных источников излучения транспортный коэффициент рассеяния оказался равным //',40, = (14.76±0.87)мм"' (Д = 405 нм) и //',-Ш = (5.14±0.26)

мм"' (Л = 633 нм). Необходимо отметить, что полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью измерения диффузного пропускания с использованием интегрирующей сферы, а именно для Л = 405нм транспортный коэффициент рассеяния оказался равным //,4(15 = (15.10±1.08) и для 1 = 633 нм транспортный коэффициент рассеяния равен = (5.35±0.55).

7. Показано, что в коротковолновой области видимого диапазона наблюдаемый в наших экспериментах рост ß's с уменьшением длины волны зондирующего излучения А происходит в большей степени, чем это предсказывается соотношением //s (Л) =АА , предложенным Ф. Шеффолдом с сотрудниками. В нашем случае ц\ (405нм)/м', (633им) = 2.85 > Я,/Л, - 1.56. 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 РФ:

1. Зимняков Д.А., Хмара М.Б., Виленский М.А., Козлов В.В., Горфинкель И.В., Здражевский P.A., Исаева A.A. Спекл-корреляционный мониторинг микрогемодинамики внутренних органов // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. №6. С. 891-897.

2. Zimnyakov D. А., Isaeva А. А„ Isaeva Е.А., 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 A.A., Исаева Е.А., Ушакова О.В., Здражевский P.A. О спекл-коррелометрическом методе оценки транспортного коэффициента рассеяния случайно-неоднородных сред// ПЖТФ. 2012. Т. 38. .№20. С. 43 - 50.

Публикации в других изданиях:

5. Зимняков Д.А., Исаева A.A. 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: Новый ветер, 2009. С. 77-80.

6. Исаева A.A. 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: Изд-во СГМУ, 2010. С. 258.

7. Исаева A.A., 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 конкурса научных работ бакалавров и магистрантов. Саратов: СГТУ, 2010. С. 141-142.

8. Зимняков Д.А., Исаева A.A. Обратная задача спекл-коррелометрии пространственно-неоднородного переноса жидкой фазы в рассеивающих средах // Участники школы молодых учёных и программы «У.М.Н.И.К»: сборник трудов XXIV Международной научной конференции. Саратов, 2011. С. 80-84.

9. Исаева A.A., Зимняков Д.А. Пространственно-селективная спекл-коррелометрия полного поля для диагностических приложений. // Математические методы в технике и технологиях-25: XXV Междунар. науч. конф. Волгоград, 2012. С. 148 - 150.

10. Исаева A.A., науч. рук. Зимняков Д.А. Пространственно-селективный спекл-коррелометр полного поля для диагностических приложений в материаловедении и биомедицине // Участники школы молодых ученых и программы «У.М.Н.И.К.»: сборник трудов XXIV Международной научной конференции. Саратов, 2012. С. 14-15.

Подписано в печать08.10.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 160 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Исаева, Анна Андреевна

Введение.

ГЛАВА I. Диффузионно-волновая спектроскопия случайно-неоднородных сред: физические принципы, инструментальная реализация,

Введение диссертация по физике, на тему "Развитие методов морфологического анализа многократно рассеивающих дисперсных систем с использованием принципов диффузионно-волновой спектроскопии"

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 4 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 схем полного поля при регистрации оптических сигналов (например, метод LASCA, Дж. Д. Брайерс, 1996). Развитие новых подходов к обработке и анализу регистрируемых оптических сигналов позволило расширить область использования технологий диффузионно-волнового и спекл-корреляционного зондирования до существенно нестационарных и неэргодических динамических многократно рассеивающих сред.

Активному внедрению в различные области науки и техники ДВС технологий и других методов зондирования нестационарных случайно-неоднородных 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 (A.A. Голубенцев, B.J1. Кузьмин, В.П. Романов, JIM. Веселов, И.А. Попов, A.B. Приезжев, Д.А. Зимняков, С.С. Ульянов, И.В. Меглинский, H.A. Фомин, О.В. Ангельский и др.), а также из дальнего зарубежья (B.J. Berne, R. Pécora, Е. Jakeman, Р.-Е. 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 случайно5 неоднородных 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 случайно-неоднородных средах (средней скорости частиц или коэффициента трансляционной диффузии), в то время как неявно предполагается, что оптические характеристики зондируемой среды (например, приведенный коэффициент рассеяния) могут быть получены с использованием других оптических методов зондирования случайно-неоднородных сред. Следует отметить, что ДВС метод допускает определенную модификацию, позволяющую определять с его помощью оптические характеристики зондируемых сред. Решение данных вопросов позволит существенно расширить функциональные возможности и область использования метода диффузионно-волновой спектроскопии и аналогичных методов.

В связи с этим целью диссертационного исследования явились: - развитие физических представлений о многократном динамическом рассеянии лазерного излучения нестационарными случайно-неоднородными дисперсными системами, в том числе и характеризуемыми специфическим режимом стохастической модуляции распространяющегося лазерного излучения вследствие изменения размеров рассеивающих центров в отсутствие их трансляционной динамики;

- разработка 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 7 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).

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 спекл-коррелометрический 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) и представляющий интерес для различных приложений в материаловедении и биомедицине; разработан подход к анализу 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

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 доле 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 Dj(t) = ({ï(t + т) — /(t)}2) ~ Llта 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 а и топотезы LI структурной функции Dj(r).

Разработан спекл-коррелометрический метод определения транспортного коэффициента рассеяния динамических случайно-неоднородных сред с ю использованием локализованного источника лазерного излучения и пространственной фильтрации спекл-модулированного изображения поверхности среды с помощью кольцевых пространственных фильтров, осуществляющих дискриминацию парциальных составляющих рассеянного поля по длинам оптического пути в среде.

Личный вклад соискателя

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 Optics'10" (Черновцы, Украина, 2011 г.) работа заняла 3-е место на конкурсе SPIE работ молодых ученых;

15-й международной конференции «Laser Optics 2012» (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.) работа была отмечена сертификатом оптического общества им. Д.С. Рождественского.

Структура и объём диссертации

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований нестационарных оптических сигналов, формируемых в процессе фазового разделения в двухкомпонентных системах, методом диффузионно-волновой спектроскопии и исследований транспортных параметров пространственно-неоднородных сред на основе анализа спекл-модулированных изображений методом спекл-коррелометрии полного поля с использованием локализованного источника лазерного излучения и пространственной фильтрации позволяют сделать следующие выводы:

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 61 < (/); 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

127 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 оц 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 2 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 М'5405 =

14.76 ± 0.87) мм"1 (Я = 405 нм) и д'5бзз = (5.14 ± 0.26) мм"1 (Я =

633 нм). Необходимо отметить, что полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью измерения диффузного пропускания с использованием интегрирующей сферы, а именно для Я = 405 нм транспортный коэффициент рассеяния оказался равными /-*'5405 =

15.10 ± 1.08) мм-1 и для Я = 633 нм транспортный коэффициент рассеяния равен М'5б33 — (5.35 ± 0.55) мм-1.

7. Показано, что в коротковолновой области видимого диапазона наблюдаемый в наших экспериментах рост с уменьшением длины волны зондирующего излучения Я происходит в большей степени, чем это предсказывается соотношением дДЯ^/д ДЯ2) ~ Я2/Ях предложенным Ф. Шеффолдом с сотрудниками. В нашем случае д 5(405>ш)/^ з(633нм) « 2.85 > Я2/Ях ~ 1.56. 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.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Исаева, Анна Андреевна, Саратов

1. Maiman Т. Optical and microwave-optical experiments in ruby // Phys. Rev. Lett. 1960. V. 4. P. 564 566.

2. Приезжев A.B., Тучин B.B., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М. : Наука, 1989. - 240с.

3. Зимняков Д.А., Рябухо В.П., Тучин В.В., Ульянов С.С. Лазерные спекл-корреляционные диагностические технологии для машиностроения и медицины // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. №1 С.117 127.

4. Berlien Н.-Р., Mtiller G. J. Applied laser in medicine. New York: SpringerVerlag, 2003. - 740 p.

5. Rava R.P., Baraga J.J. Feld M.S. Near-infrared Fourier-transform Raman spectroscopy of human artery // Spectrochem. Acta A. 1991. V.47, N. 3 4. P. 509-512.

6. MacKintosh F.C., John S. Coherent backscattering of light in the presence of time-reversal-noninvariant and parity-nonconserving media // Physical Review B. 1998. V. 37, N. 4. P. 1884 1890.

7. Kitson S. C., Jonsson P., Rarity J. G. and Tapster P. R. Intensity fluctuation spectroscopy of small numbers of dye molecules in a microcavity // Phys. Rev. A 58.1998. V.58. P. 620-627.

8. Wolf P.E., Maret G. Weak localization and coherent backscattering of photons in disordered media // Phys. Rev. Lett. 1985. V.55, N.24. P. 2696 -2699.

9. Pine D. J., Weitz D. A., Zhu J. X., Herbolzheimer E. Diffusing-Wave Spectroscopy: Dynamic light scattering in the multiple scattering limit // J. Phys. France. 1990. V. 51, N.18 P. 2101 2127.

10. Genack, A. Z., Sebbah, P., Stoytchev, M. & van Tiggelen, B. A. Statistics of wave dynamics in random media. Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 715-718.

11. Pecora R. Dynamic light scattering measurement of nanometer particles in liquids // J. Nanopart. Res. 2000. V. 2, N. 2 P. 123 131.

12. Mertelj A. and Copic M. Dynamic light scattering as a probe of orientational dynamics in confined liquid crystals // Phys. Rev. 2000. V. 61, N. 2. P. 1622 -1628.

13. Jaillon F., Skipetrov S. E., Jun Li, Dietsche G., Maret G., Gisler T. Diffusing-wave spectroscopy from head-like tissue phantoms: influence of a non-scattering layer // Opt. Expess. 2006. V. 14, N. 22. P. 10181 10194.

14. Parelman L.T., Backman V., Wallace M. et al. Observation of periodic fine structure in reflectance from biological tissue: a new technique for measuring nuclear size distribution // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80, N. 6. P. 627 630.

15. Droog E.J., Steenbergen W., Sjoberg F.Burns. Measurement of depth of burns by laser Doppler perfusion imaging // Burns. 2001. V. 27. P. 561 -568.

16. Alsbjorn B., Micheels J., Sorensen B. Laser Doppler flowmetry measurements of superficial dermal, deep dermal and subdermal burns // Scand. J. Plast. Reconstr. 1984. V. 18, N. 1. P. 75 79.

17. HeD., HoangN., Hayes-Gill B. R, Crowe J. A., Zhu Y., MorganS. P. Full field laser Doppler flowmetry with custom made CMOS sensors // Proc. SPIE. 2009. V. 7170 P. 71700J1 8.

18. Atiles L., Mileski W., Purdue G., Hunt J., Baxter C. Laser Doppler flowmetry in burn wounds // J. Burn Care Rehab. 1995. V. 16, N. 4. P. 388 393.

19. Shepherd A.P., Oberg P.A. Laser-Doppler Flowmetry. Boston: Kluwer. Academic Publishers, 1990.- 152 p.

20. Berardesca E., Eisner P., Maibach H. Bioengineering of the skin: Cutaneous blood flow and erythema. Nee York: CRC Press., 1995. 170 p.

21. Bersohn R., Bernheim R., McNeal R. Optical pumping and chemical reactions. New York: Defense Technical Information Center, 1962.- 6 p.

22. Bersohn R. Intermolecular bonding in the solid halogens // J. Chem. Phys. 1962. V. 36 P. 3445-3454.

23. Bersohn R. Solid-state perturbations of nuclear quadrupole coupling constants // J. Appl. Phys. 1962. V. 33. P. 286 289.

24. Dubin S.B., Lunacek J.H. and Benedek G. B. Observation of the spectrum of light scattered by solutions of biological macromolecules // Proc. Natl. Acad. Sci. 1967. V. 57. P. 1164-1171.

25. Clark N.A., Lunacek J.H. and Benedek G.B. A Study of Brownian movement using light scattering // Amer. J. Phys. 1970. V. 38 P. 575-585.

26. Johnson J. H., Siefken S. L., Schmidt A., Corey R., and Saulnier P. Low-coherence heterodyne photon correlation spectroscopy // Appl. Opt. 1998. V. 37, N.10. P. 1913-1916.

27. Berne B.J. and Pecora R. Dynamic light scattering.- New York: John Wiley & Sons, 1976.-376 p.

28. Nishio I., Weiss J.N., Tanaka T., Clark J.I., Giblin F.J., Reddy V.N. and Benedek G.B. In vivo observation of lens protein diffusivity in normal and X-irradiated rabbit lenses // Exp. Eye Res. 1984. V.39. P. 61 68.

29. Gethner J.S. Gaskin F. Dynamic light scattering from solutions of microtubules // Biophysics J. 1978. V. 24. P. 505 515.

30. Jakeman E., Pusey P.N., Vaughan J.M. Intensity fluctuation light-scattering spectroscopy using a conventional light source // Opt. Commun. 1976. V. 3, N. 2. P. 305 -308.

31. Nossal R., Chen S.-H. and Lai C. Use of laser scattering for quantitative determinations of bacterial motility // Opt. Commun. 1971. V.4. P.35 39.

32. Boas D. A. and Yodh A. G. Spatially varying dynamical properties of turbid media probed with diffusing temporal light correlation // J. Opt. Soc. Am. A. 1997. V. 14, N.l. P. 192-215.

33. Feng S., Kane C., Lee P. A. and Stone A. D. Correlations and fluctuations of coherent wave transmission through disordered media // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. P. 834-837.

34. Durian D.J. Accuracy of diffusing-wave spectroscopy theories // Phys. Rev. E. 1995. V. 51. P. 3350-3358.

35. Nishimura G., Katayama K., Kinjo M., Tamura M. Diffusing-wave absorption spectroscopy in homogeneous turbid media // Opt. Commun.1996. V.128. P. 99- 107.

36. Yodh A.G., Kaplan P.D. and Pine D.J. Pulsed diffusing-wave spectroscopy: Pathlength Specific Observation of Speckle fluctuation Spectra from dense colloids // Springer Series in Chemical Physics. 1990. V.53. P. 169 171.

37. Uhomoibhi J. O., Earnshaw J. C. Diffusing wave spectroscopy of uniform translational motion // J. Phys. Condens. Matter. 2000. V.12, N.46 P. 9591 -9598.

38. Morin F., Borrega R., Cloitre M. and Durian D. Static and dynamic properties of highly turbid media determined by spatially resolved diffusive-wave spectroscopy // Appl. Opt. 2002. V. 41, N. 34. P. 7294 7299.

39. Chance B. Photon Migration in Tissues. Plenum Press: 1989. - p. 193.

40. Yodh A. and Chance B. Spectroscopy and imaging with diffusive light // Physics Today. 1995. V. 48. P. 34 40.

41. Tromberg B.J., Svaasand L.O., Tsay T. and Haskell R.C. Properties of photon density waves in multiple-scattering media // Appl. Opt. 1993.V. 32, N.4. P. 607-616.

42. Patterson M.S., Chance B. and Wilson B.C. Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties// Appl. Opt. 1989.V. 28. P. 2331 -2336.

43. Wilson B.C., Sevick E.M., Patterson M.S. and Chance B. Time-dependent optical spectroscopy and imaging for biomedical application // Proc. IEEE. 1992. V. 80, N. 6. P. 918-930.

44. Gamez G., Bogaerts A. and Hieftje G. M. Temporal and spatially resolved laser-scattering plasma diagnostics for the characterization of a ms-pulsed glow discharge // J. Anal. At. Spectrom. 2006. V. 3, N. 21. P. 350 359.

45. Boas D. A., Campbell L. E., Yodh A. G. Scattering and Imaging with Diffusing Temporal Field Correlations // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75, N.9. P. 1855 1858.

46. Li J., Jaillon F., Dietsche G., Maret G., Gisler T. Pulsation-resolved deep tissue dynamics measured with diffusing-wave spectroscopy // Opt. Express. 2006. V. 14, N.17. P. 7841 -7851.

47. Matcher S.J., Elwell C.E., Cooper C.E., Cope M. and Delpy D.T. Performance comparison of several published tissue near-infrared spectroscopy algorithms // Anal. Biochem. 1995. V. 227. P. 54 68.

48. Liu H., Boas D.A., Zhang Y., Yodh A.G. and Chance B. Determination of optical properties and blood oxygenation using continuous NIR light // Phys. Med. Biol. 1995. V. 40. P. 1983 1993.

49. Fabini M., Gratton G., Corballis P. M. Non-invasive NIR optical imaging of human brain function with sub-second temporal resolution // J. Biomed. Optics .1996. V. l.P. 387-398.

50. Rovati L., Cattini S., Zambelli N., Viola F. and Staurenghi G. In-vivo diffusing-wave-spectroscopy measurements of the ocular fundus // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 4030 4038.

51. O'Leary M. A., Boas D. A., Chance B., and Yodh A. G. Refraction of diffusive photon density waves // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 69 P. 2658 2661.

52. Fishkin J. B. and Gratton E. Propagation of photon density waves in strongly scattering media containing an absorbing "semi-infinite" plane bounded by a straight edge // J. Opt. Soc. of Am. A. 1993. V. 10. P. 127 140.

53. Furukawa H., Hirotsu S. Dynamic light scattering from static and dynamic fluctuations in inhomogeneous media // Journal of the Physics Society Japan. 2002. V. 71, N. 12. P. 2873 2880.

54. Kalchenko V., Ziv K., Addadi Y., Neeman M. and Harmelin A. Combined application of dynamic light scattering imaging and fluorescence intravital microscopy in vascular biology // Laser Phys. Lett. 2010. V. 7, N.8 P. 603 -607.

55. Meglinskii I. V. and Korolevich A. N. Use of diffusion wave spectroscopy in diagnostics of blood // J. Appl. Spectrosc. 2000. V. 67, N.4. P. 709 716.

56. Bednov A., Ulyanov S., Cheung C., Yodh A.G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin // J. Biomed. Opt. V. 9, N.2 . P. 347 352.

57. Song Y. L., Kim J. G., Mason R. P., and Liu H. L. Investigation of rat breast tumour oxygen consumption by near-infrared spectroscopy // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. P. 2682 2690.

58. Yang Y., Liu H., Li X., and Chance B. Low-cost frequency- domain photon migration instrument for tissue spectroscopy, oximetry, and imaging // Opt. Eng. 1997.V. 36. P. 1562 1569.

59. Bednov A., Ulyanov S., Cheung C., Yodh A.G. Correlation properties of multiple scattered light: implication to coherent diagnostics of burned skin // J. Biomed. Optics .2004. V. 9. P. 347 352.

60. Schomacker К. Т., Tearney G. J., and Nishioka N. S. Determination of Teflon thickness with laser speckle. I. Potential for burn depth diagnostics // Appl. Opt. 1996. V. 35. N. 28. P. 5727 5734.

61. Jackson D.M. The diagnosis of the depth of burning // J. Surg. 1953. V. 40. P. 588-596.

62. Boykin J.V., Eriksson E., Pittman R.N. In vivo microcirculation of scaldburn and the progression of postburn dermal ischemia // Plast. Reconstr. Surg. 1980. V. 66. P. 191 198.

63. Briers J. D. Interferometric flatness testing of nonoptical surfaces // Appl. Opt. 1971. V. 10. P. 519-524.

64. Briers J.D. The statistics of fluctuating speckle patterns produced by a mixture of moving and stationary scatterers // Optical and Quantum Electronics. 1978. V. 10, N. 4. P.364 366.

65. Briers J. D. Speckle fluctuations and biomedical optics: implications and applications // Opt. Eng 1993. V. 32. P. 277 283.

66. Гудмен Дж. Статистическая оптика.- М.: Мир, 1988.- 328 с.

67. Fercher A.F., Peucert М. and Roth Е. Visualization and measurement of retinal blood flow by means of laser speckle photography // Opt. Eng. 1986. V. 25. P. 731 -735.

68. Pedersen H. M. Theory of speckle dependence on surface roughness // J. Opt. Soc. Am. 1976. V. 66, N. 11. P. 1204- 1210.

69. Fujii H., Asakura T. Statistical properties of image speckle patterns in partially coherent light // Nouv. Rev. Opt. 1975. V. 6, N. 1. P. 5 14.

70. Ohtsubo S., Asakura T. Statistical propitious of speckle patterns produced by coherent light at the image and defocus planes. // Optik. 1976. V.45. P.65 -72.

71. Takai N. Relation between statistical properties of surface roughness and the averaged speckle intensity in the diffraction field // Opt. Commun. 1975. V.14, N.l. P.24 29.

72. Goodman J.W. Dependence of image speckle contrast of surface roughness // Opt. Commun. 1975.V.14, N. 3. P.324 327.

73. Naulleau P., Dilworth D., Leath E. and Lopez J. Detection of moving objects embedded within scattering media by use of speckle methods // Opt. Lett. 1995. V. 20. P. 498-500.

74. Stetson K. A. and Powell R. L. Interferometric hologram evaluation and realtime vibration analysis of diffuse objects // J. Opt. Soc. Am. 1965. V. 54. P.1964- 1965.

75. Butters, J. N. and Leendertz, J. A. Speckle pattern and holographic techniques in engineering metrology // Opt. Laser Technol.1971. V. 3. P. 26 30.

76. Jones R.,Wykes C. Holographic and speckle interferometry. Cambridge: Cambridge university press, 1989. - 368p.

77. Zhizhin G. N., Nikitin A. K., Ryzhova T. A., and Loginov A. P. Application of holographic interferometry to optical monitoring of solid surfaces // Technical Phys. Lett. 2004. V. 30, N. 11. P. 927 929.

78. Fercher A.F. and Briers J.D. Flow visualization by means of single-exposure speckle photography // Opt. Commun. 1981. V. 37, N. 5. P. 326 330.

79. Archbold E., Burch J.M. and Ennos A.E. Recording of in-plane surface displacement by double-exposure speckle photography // Optica Acta: International Journal of Optics. 1970. V. 17, N. 12. P. 883 898.

80. Briers J.D., Webster S. Quasi real-time digital version of single-exposure speckle photography for full-field monitoring of velocity or flow fields // Opt. Commun. 1995. V. 116,N.l. P. 36-42.

81. Huntley J.M. Speckle photography fringe analysis: Assessment of currant algorithms // Appl. Opt. 1989. V. 28. P. 4316 4321.

82. Farrel P. and Hofeldt D.L. Temperature measurement in gases using speckle photography // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1055 1059.

83. Kihm K.D. Laser speckle photography technique applied for heart and mass transfer problems // Advances in heart transfer. 1997. V.30. P.255 -311.

84. Huntley J. M. Random phase measurement error in digital speckle pattern interferometry // Proc. SPIE. 1995. V. 2544. P. 246 257.

85. Lehmann M. Phase-shifting speckle interferometry with unresolved speckle: a theoretical investigation // Opt. Comm. 1996. V. 128. P. 325 340.

86. Lehman M.M., Pomarico J.A., Torrorba R.D. Digital speckle pattern interferometry applied to a surface roughness study // Opt. Eng. 1995. V. 34, N. 4. P. 1148- 1152.

87. Siebert Th., Splitthof K. and Ettemeyer A. A practical approach to the problem of the absolute phase in speckle interferometry // J. Hologr. Speckle. 2004. V. l.P. 32-38.

88. Jacquot P. Speckle Interferometry: A Review of the principal methods in use for experimental mechanics applications // Strain. 2008. V. 44. P. 57 69.

89. Dainty J.C. Laser speckle and related phenomena. Topics in applied physics. -Berlin: Springer-Verlag, 1975. 286 p.

90. Dainty J.C. The statistics of speckle patterns // Progress in Optics. 1976. V. 14. P. 1-48.

91. Gregorzewski B. Fluctuations of the fringe pattern generated partically developed speckle // Opt. Commun.1986. V. 57, N. 3. P. 156 60.

92. Escamilla H.M., Mendez E.R. Speckle statistics from gamma-distribution random-phase screens // JOSA. 1991. V. 8, N.12. P. 1929 1935.

93. Kadono, H., Bitoh, Y. and Toyooka, S. Statistical interferometry based on a fully developed speckle field: an experimental demonstration with noise analysis // J. Opt. Soc. Am. A .2001. V. 18. P. 1267 1274.

94. Goodman J.W. A random walk through the field of speckle // Optical Engineering. 1986. V. 25, N. 5 P. 610 612.

95. Ohtsubo J. Joint probability density function of partially developed speckle-patterns // Appl. Opt. 1988. V. 27, N. 7. P. 1290 1292.

96. Ohtsubo J. Statistical propeties of differentiated partially developed speckle patterns // JOSA. 1982. V. 72, N. 9. P. 1249 1252.

97. Barakate R. Level-crossing statistics of aperture-integrated isotropic speckle. JOSA.A. 1988. V.5, N 8. P.1244 1247.

98. Gregorzewski B. Fluctuations of the fringe pattern generated partically developed speckle // Opt. Commun.1986. V.57, N. 3. P. 156 160.

99. Рябухо В.П., Чаусский А. А. Интерференция спекл-полей в зоне дифракции сфокусированного пространственно-модулированного лазерного пучка на случайном фазовом экране // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21, №16. С. 57-62.

100. Рябухо В.П., Чаусский А.А. Зондирование случайного фазового экрана сфокусированным пространственно-модулированным лазерным пучком. Дифракция на большом числе неоднородностей // Письма в ЖТФ. 1997. Т.23, №19. С.47-53.

101. Зимняков Д. А., Тучин В.В. О двумодальности распределений интенсивностиспекл-полей для крупномасштабных фазовых рассеивателей // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21, №3. С.44 -51.

102. Зимняков Д.А. Масштабные эффекты в частично развитых спекл-структурах. Случай гауссовых экранов // Опт. и спектр. 1995. Т.79, №1. С.155- 162.

103. Зимняков Д.А, Тучин В.В., Утц С.Р. Исследование статистических свойств частично развитых спекл-полей применительно к диагностике структурных изменений кожи человека // Опт. и спектр. 1994. Т.76, №5. С. 838 844.

104. Веселов JI.M., Попов И.А. Определение амплитуды и частоты колебаний тела путем измерения спектра рассеянного когерентного излучения // Опт. и спектр. 1990. Т. 68, №. 4. С.953 955.

105. Uozumi J., Asakura Т. First order intensity and phase statistics of Gaussian speckle produced in the diffraction region // Appl. Optics. 1981. V.20, N. 8 P. 1454- 1466.

106. Naulleau P., Dilworth D., Leith E., and Lopez J. Detection of moving objects embedded within scattering media by use of speckle methods // Opt. Lett. 1995. V. 20. P. 498-500.

107. Duncan D.D., Kirkpatrick S.J., Wang R.K. Statistics of local speckle contrast // J. Opt. Soc. Am. A. 2008. V. 25, N. l.P. 9- 15.

108. Scheffold F., Skipetrov S. E., Romer S., Schurtenberger P. Diffusing-wave spectroscopy of nonergodic media 11 Phys. Rev. 2001. V. 63, N. 6. P. 1-11.

109. Maret G., Wolf P.E. Multiple light scattering from disordered media. The effect of Brownian motion of scatterers // Z. Phys. B. 1987. V.65. P. 2383 -2406.

110. Rabal H.J., Cap N., Trivi M., Guzma M. N. Q-statistics in dynamic speckle pattern analysis // Optics and Lasers in Engineering.2012. V. 50, N. 6 .P. 855 -861.

111. Kul'chin Yu. N., Vitrik О. В., Lantsov A. D. and Kraeva N. P.Correlation method for processing speckle patterns of dynamic light scattering by small particles based on spatial averaging of data // Optoelectronics. 2010. V. 46, N. 3 P. 282-286.

112. Watson G.H., McCall S.L., Fleury P.A., Lyons K.B. Speckle autocorrelation spectroscopy and pulse transmission as probes of photon transport in strongly scattering random media // Phys. Rev. B. 1990. V. 41, N. 16. P. 10947 -10955.

113. Park J., Zhang S. and Genack A. Z. Intensity statistics and photon localization in ID and beyond // Phys. Rev. E. V. 2010. 82, N. 4. P. 045101 104.

114. Ishii К., Iwai Т., and Asakura Т. Correlation Properties of Light Backscattered Multiply from Fractal Aggregates of Particles Under Brownian Motion // J. Biomed. Opt. 1999. V. 4, N. 230. P. 10947 10955.

115. Takashi Okamoto Shuta Yanagita Intensity correlations of coherent light reflected from dense powders // Opt. Commun. 2003. V. 227. P. 15 23.

116. Зимняков Д.А., Свиридов А.П., Кузнецова JI.B., Баранов С.А., Н.Ю.Игнатьева, В.В.Лунин Анализ кинетики термической модификации биотканей методом спекл-коррелометрии // Журнал физической химии. 2007. Т. 81. №4. С. 725 -731.

117. Zimnyakov D.A., Sviridov А.Р., Kuznetsova L.V., et al. Monitoring of tissue thermal modification with a bundle-based full-field speckle analyzer // Appl. Opt. 2006. V.45. P. 4480 4490.

118. Ulyanov S., Ganilova Y., Ulianova O., Li P., Zhud D., Luod Q. Application of LASCA for study of blood microcirculation in brain:testing of new prophylactic preparations // Proc. SPIE. 2007. V. 6535 IB. P. 6535 47.

119. Zakharov P., Volker A., Buck A., Weber В., Scheffold F. Quantitative modeling of laser speckle imaging // Opt. Lett. 2006. V. 31. P. 3465 3467.

120. Briers J.D., Webster S. Laser Speckle Contrast Analysis (LASCA): A nonscanning, full-field technique for monitoring capillary blood flow // J. Biomed. Opt. 1996. V. 1, N. 2. P. 174 179.

121. Briers J. D., Richards G. J., He X.-W. Capillary blood flow monitoring using laser speckle contrast analysis (LASCA) // J. Biomed. Opt. 1999. V. 4. N. 1. P. 164- 175.

122. Зимняков Д.А., М.Б. Хмара, M.A. Виленский , B.B. Козлов, И.В. Горфинкель, Р.А. Здражевский,- А.А. Исаева Спекл-корреляционныймониторинг микрогемодинамики внутренних органов // Оптика и Спектроскопия. 2009. Т.107. №6. С. 941 -947.

123. Briers D. Laser Doppler and time-varying speckle: a reconciliation // J. Opt. Soc. Am. A. 1996. V. 13. P. 345 350.

124. Nilsson G., Jakobsson A., Wardell K. Tissue perfusion monitoring andimaging by coherent light scattering // Proc. Spie. 1991. V. 1524. P.90 109.

125. Briers J.D., Fercher A.F. Retinal blood-flow visualization by means of laser speckle photography // Inv. Ophthalmol. Vis. Sci.1982. V. 22. P. 255 259.

126. Lenmann P. Surface-roughness measurement based on the intensity correlation function of scattered light under speckle-pattern illumination // Appl. Opt. V. 38, N. 7. 1999. P. 1144- 1152.

127. Choi B. Linear response range characterization and in vivo application of laser speckle imaging of blood flow dynamics // J.Biomed. Opt. 2006. V. 11, N. 4. P. 041129-32.

128. Cheng H. Y., Luo Q. M., Zeng S. Q., Chen S. В., Cen J. and Gong H. Modified laser speckle imaging method with improved spatial resolution // J. Biomed. Opt. 2003. V. 8. P. 559-564.

129. Forrester K.R., Tulip J., Leonard C., Stewart C., Bray R.C. A laser speckle imaging technique for measuring tissue perfusion // Biomed. Eng. IEEE Trans. Biomed. Eng. 2004 V. 51, N. 11 P. 2074 84.

130. Forrester K.R., Stewart C., Tulip J., Leonard C., Bray R.C. Comparison of laser speckle and laser Doppler perfusion imaging: measurement in human skin and rabbit articular tissue // Med. Biol. Eng. Comput. 2002. V. 40. P. 687 -697.

131. С Stewart C., Gallant-Behm C., Forrester K., Tulip J., Bray R., Hart D. Laser Speckle Perfusion Imaging of Wound Healing in a Porcine Model // Wound Repair and Regeneration. 2005. V. 13, N. 2. P. A28 A48.

132. Briers J.D. Laser Doppler, speckle and related techniques for blood perfusion mapping and imaging // Physiol. Meas. 2001. V. 22. P. 35 66.

133. Tuchin V.V. Tissue Optics: Light scattering methods and instruments for medical diagnosis. Bellingham: SPIE Press Book, 2000. - 882 p.

134. Cummins H.Z. and Pike E.R. Photon-correlation and light beating spectroscopy.- New York: Plenum Press, 1974.- 584 p.

135. Cummins H.Z. and Pike E.R. Photon-correlation and velocimetry.- New York: Plenum Press, 1977.- 589 p.

136. Kerker M. The scattering of light and other electromagnetic radiation.- San-Diego: Academic Press, 1969.- 666 p.

137. Bellini T., Glasser M.A., Clark N.A., and Degiorgio V. Effects of finite laser coherence in quasielastic multiple scattering // Phys. Rev. A. 1991. V. 44. P. 5215 -5223.

138. Perne B.J. and Pecora R. Dynamic light scattering with applications to chemistry, Biology, and Physics.- New Yore: Dover Publ., 2002. 384 p.

139. Broun W. Dynamic light scattering: the method and some applications.- New York: Clarendon, 1993.-735 p.

140. MacKinsto F.C. and John S. Diffusive-wave spectroscopy and multiple scattering of light in correlated random media // Phys. Rev. B. 1989. V. 40, N. 4. P. 2383 -2406.

141. Tuchin V.V. Speckle Technologies for monitoring and imaging of tissues // Chapter 18 in Handbook of Optical Biomedical Diagnostics.- SPIE Press: 2002. P. 988-1034.

142. Arridge S.R., Cope M., Delpy D.T. The theoretical basis for the determination of optical pathlength in tissue: temporal and frequency analysis // Phys. Med. Biol. 1992. V. 37, N. 7. P. 1531-1560.

143. Yoshimura T. Statistical properties of dynamic speckles // J. Opt. Soc. Am. A. 1986. V.3, N. 7. P.1032 1054.

144. Green H. A., Bua D., Anderson R. R., and Nishioka N. S.Burn depth estimation using indocyanine green fluorescence // Arch. Dermatol. 1992. V. 128, N. l.P. 43-49.

145. Still J.M., Law E.J., Klavuhn K.G ., Island T.C., Holtz J.Z. Diagnosis of burn depth using laser-induced indocyanine green fluorescence: a preliminary clinical trial // Burns. 2001. V.27, N.4 . P. 364 371.

146. Nowakowski A., Kaczmarek M., Ruminski J., Hryciuk M., Renkielska A., Grudzinski J., Siebert J. Medical applications of model based dynamic thermography // Proc. SPIE. 2001. V. 4360. P. 492 503.

147. Liddington M. I., Shakespeare P. Timing of the thermographic assessment of burns//Burns. 1996. V. 22, N. 1. 1996. P. 26-28.

148. Renkielska A., Nowakowski A., Kaczmarek M., Ruminski J. Burn depths evaluation based on active dynamic IR thermal imaging-a preliminary study // Burns. 2006. V. 32, N. 7. P. 867 875.

149. Stewart C.J., Frank R., Forrester K.R., Tulip J., Lindsay R., Bray R.C. A comparison of two laser-based methods for determination of burnscar perfusion: Laser Doppler versus laser speckle imaging // Burns.2005. V. 31. P. 744-752.

150. Riordan C.L., McDonough M., Davidson J.M., Corley R., Perlov C., Barton R., Guy J., Nanney L.B. Noncontact laser Doppler imaging in burn depth analysis of the extremities // J. Burn Care Rehab. 2003. V. 24. P. 177 186.

151. Clark N. A., Lunacek J. H., and Benedek G. B. A Study of Brownian Motion Using Light Scattering // Amer. J. of Phys. 1970. V. 38, N. 5. P. 575 585.

152. Menon N. and Durian D.J. Diffusing-wave spectroscopy of dynamics in a three-dimensional granular flow // Scince. 1998. V. 275. P. 1920 1922.

153. Zhu J.X., Durian D.J., Muller J., Weitz D.A., Pine D.J. Scaling of transient hydrodynamic interactions in concentrated suspensions // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. P. 2559-2562.

154. Weitz D.A., Pine D.J., Pusey P.N., Tough R. Nondiffusive Brownian motion studied by diffusing-wave spectroscopy // Phys. Rev. Lett. 1989. V. 63. P. 1747- 1750.

155. Kao M.H., Yodh A.G., Pine D.J. Observation of Brownian motion on the time scale of hydrodynamic interactions // Phys.Rev. Lett. 1993. V. 70. P. 242 -245.

156. Bicout D., Maret G. Multiple light scattering in Taylor-Couette flow // Physica A. 1994. V. 210. P. 87-112.

157. Oiu X., Wu X.L., Xue J.Z., Pine D.J., Weitz D.A., Chaikin P.M. Hydrodynamic interactions in concentrated suspensions // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 65. P. 516-519.

158. Fraden S., Maret G. Multiple light scattering from concentrated interacting suspensions // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 65. P. 512 515.

159. Kaplan P.D., Yodh A.G., Pine O.J. Diffusion and structure in dense binary suspensions // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. P. 393 396.

160. Mason D.J., Weitz D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 74. N. 7. P. 1250- 1253.

161. Gang H., Krall A. H., and Weitz D. A. Thermal fluctuations of the shapes of droplets in dense and compressed emulsions // Phys. Rev. E. 1995. V. 52, N. 6. P. 6289 6302.

162. Ackerson B. J. Correlations for interacting Brownian particles // J. Chem. Phys. 1978. V.69. P. 684 690.

163. Wertheim M.S. Exact solution of the Percus-Yevick integral equation for hard spheres // Phys. Rev. Lett. 1963. V. 10. P. 321 323.

164. Ishimaru A. Wave propagation and scattering in random media. New York: Academic Press, 1978. -572 p.

165. MacKintosh F.C. and John S. Diffusing-wave spectroscopy and multiple scattering of light in correlated random media // Phys. Rev. B. 1989. V. 40. P. 2383-2406.

166. Maret G. and Wolf P.-E. Static and dynamic multiple scattering of light // Physica A. 1989. V. 157. P. 293 300.

167. Zimnyakov D.A. Similarity effects in multiple scattering of coherent radiation: phenomenology and experiments // Opt. & Spectr. 2000. V. 89. P. 453 462.

168. Snabre P. and Crassous J. Multispeckle diffusing wave spectroscopy of colloidal particles suspended in a random packing of glass spheres // The Eur. Phys. J. E. 2009. V. 29. P. 149 155.

169. Wyss H. M., Romer S., Scheffold F., Shurtenberger P., and Gauckler L.J. Diffusing-wave spectroscopy of concentrated alumina suspensions during gelation // J. Colloid Interface Sci. 2001. V. 240. P. 89 97.

170. Cohen-Addad S. and Hohler R. Bubble dynamics relaxation in aqueous foam probed by multispeckle diffusing-wave spectroscopy // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. P. 4700-4703.

171. Amundson K., Blaaderen A., and Wiltzius P. Morphology and electro-optic properties of polymer-dispersed liquid-crystal films // Phys. Rev. E. 1997. V. 5. P. 1646-1654.

172. Roussel F., Canlet C., and Fung B.M. Morphology and electro-optic properties of polymer-dispersed liquid-crystal films // Phys. Rev. E. 2002. V. 65. P. 1646 1654.

173. Roussel F., Boussine J.-M., Maschke U., Coqueret X., and Benmouna F. Phase diagrams and morphology of polymer dispersed liquid crystals based on nematic-liquid-crystal-monofunctional-acrylate mixtures // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. P. 2310-2316.

174. Bouchaour T., Benmouna M., Coqueret X., Maschke U., Rachet V., Le Barny P., and Feneyrou P. UV-cured polymer dispersed liquid crystals with nanosized droplets // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004. V. 413. P. 2165 2170.

175. Lucchetti L. and Simoni F. Coarsening and phase separation in ultraviolet curing polymer dispersed liquid crystals // J. Appl. Phys. 2000. V. 88. P. 3934 3940.

176. Luo K. The morphology and dynamics of polymerization-induced phase separation // European Polymer Journal. 206. V. 42. P. 1499 1505.

177. Zimnyakov D.A. and Tuchin V.V. Fractality of speckle intensity fluctuations // Appl. Opt. 1996. V. 35, N. 22. P.4325 4333.

178. Bohren C.F. and Huffman D. Absorption and Scattering of Light by Small Particles.- New York: Wiley, John & Sons, 1998. 544 p.

179. Angelsky O.V., Ushenko O.G., Burkovets D.N., Arkhelyuk O.D., and Ushenko Yu.A. Polarization-correlation studies of multifractal structures in biotissues and diagnostics of their pathologic changes // Las. Phys. 2000. V. 10. P. 1136- 1142.

180. Angelsky O.V., Ushenko A.G., Y.G. Ushenko, and Y.Y. Tomka, Polarization singularities of biological tissues image // J. Biomed. Opt. 2006. V. 11. P. 054030.

181. Angelsky O.V., Gorsky M.P., Maksimyak P.P., Maksimyak A.P., Hanson S.G., and Zenkova C.Yu. Investigation of optical currents in coherent and partially coherent vector fields // Opt. Express. 2011. V. 19. P. 660 672.

182. Polonsky I. N. and Davis A. B. Lateral photon transport in dense scattering and weakly absorbing media of finite thickness: asymptotic analysis of the spacetime Green function // J. Opt. Soc. Am. A. 2004. Vol. 21, N. 6. P. 1018 1025.

183. Polonsky I. N. and Box M. A. General perturbation technique for the calculation of radiative effects in scattering and absorbing media // J. Opt. Soc. Am. A. 2002. V.19. P. 2281 2292.

184. Cong A.X., Shen H., Cong W., and Wang G. Improving the accuracy of the diffusion model in highly absorbing media // Int. J. Biomed. Imaging. 2007. V. 2007. P. 38168-38174.

185. Guo Z., Wan S., Kim K., Kosaraju C. Comparing diffusion approximation with radiation transfer analysis for light transport in Tissues // Opt. Rev. 2003. V.10, N. 5. P. 415-421.

186. Bell G.I., Glasstone S. Nuclear reactor theory.- Van Nostrand Reinhold Co., 1970.-619 p.

187. Durian D. J. and Rudnick J. Spatially resolved backscattering: implementation of extrapolation boundary condition and exponential source // JOSA A. 1999. V.16, N. 4. P. 837-844.

188. Chandrasekhar, S., Radiative Transfer.- New York: Dover Publications, 1960. 393 p.

189. Kong S.H., Shore J.D. Evaluation of the telegrapher's equation and multiple-flux theories for calculating the transmittance and reflectance of a diffuse absorbing slab // J. Opt. Soc. Am. A. 2007. V. 24, N. 3. P.702-710.

190. Sheth S. S. Similarity solution of the telegraph equation to oceanic diffusion // Int. J. of Appl. Math and Mech. 2012. V. 8, N. 14. P. 88 104.

191. Cubeddu R., Pifferi A., Taroni P., Torricelli A., Valentini G. Time-resolved imaging on a realistic tissue phantom: \i's and pa images versus time-integrating images // Appl.Opt. 1996. V.35, N. 22. P. 4533 4540.

192. Machida M., Panasyuk G. Y., Schotland J. C., and Markel V. A. Diffusion approximation revisited // J. Opt. Soc. Am. A. 2009. V. 26, N. 5 P. 1291 -1300.

193. Chen Y., Liou K.N., Gu Y. An efficient diffusion approximation for 3D radiative transfer parameterization: application to cloudy atmospheres // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2005. V. 92. P. 189 200.

194. Kim A. D. Correcting the diffusion approximation at the boundary // J. Opt. Soc. Am. A. A. 2011. V. 28, N. 6. P. 1007 1015.

195. Faris G. W. Diffusion equation boundary conditions for the interface between turbid media: a comment // JOSA A. 2002. V. 19, N.3. P.519 520

196. Lagendijk A., Vreeker R., and de Vries P. Influence of internal reflection on diffusive transport in strongly scattering media // Phys. Lett. A. 1989. V. 136. P. 81-88.

197. Kienle A., Patterson M.S. Improved solutions of the steady-state and the time-resolved diffusion equations for reflectance from a semi-infinite turbid medium //JOSAA. 1997. V. 14, N. l.P. 246-254.

198. Godavarty A., Hawrysz D.J., Roy R., and Sevick-Muraca E. M. Influence of the refractive index-mismatch at the boundaries measured in fluorescence-enhanced frequency-domain photon migration // Opt. Express. 2002.V. 10, N. 15. P. 653-662.

199. Farrel T.J. and Patterson M.S. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo // Med. Phys. 1992. V. 19, N. 4 P. 879 888.

200. Martelli F., Contini D., Taddeucci A., and Zaccanti G. Photon migration through a turbid slab described by a model based on diffusion approximation. II. Comparison with Monte Carlo results // Appl. Opt. 1997. V. 36, N. 19. P. 4600-4612.

201. Aronson R. Boundary conditions for diffusion of light // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. V. 12. P. 2532-2539.

202. Kop H. J., de Vries P., Sprik R., and Lagendijk A. Observation of anomalous transport of strongly multiple scattered light in thin disordered slabs // Phys. Rev. Let. 1997. V. 79, N. 22. P. 4369 4372.

203. Case K. M. and Zweifel P. F. Linear transport theory.- Addison-Wesley: 1967.- 342 p.

204. Vera M.U. and Durian D.J. The angular distribution of diffusely transmitted light // Phys. Rev. E. 1996. V. 53. P. 3215-3224.

205. Vera M.U., Lemieux P.-A., and Durian D.J. The angular distribution of diffusely backscattered light // J.Opt.Soc.Am. 1997. V. 14. P. 2800-2808.

206. Farrell T.J., Patterson M.S. and Wilson B. C. Farrell T.J., Patterson M.S.,

207. Wilson B.C. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state149diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo//Med. Phys. 1992. V. 19. P. 879-888.

208. Bolin E.P., Preuss L.E., Taylor C.and Ference R.J. Refractive index of some mammalian tissues using a fiber optic cladding method // App. Opt. 1989. V. 28. P. 2297-2303.

209. Sheng P. Scattering and localization of classical waves in random media.-Singapore: World Scientific, 1990.- 300 p.

210. Dinsmore A.D., Yodh A.G., and Pine D.J. Phase diagrams of nearly hard-sphere binary colloids // Phys. Rev. E. 1995. V.52, N.4. P. 4045 4057.

211. Rossum M.C.W. and Nieuwenhuizen Th.M. Influence of skin layers on speckle correlations of light transmitted through disordered media // Phys. Rev.A. 1993. V. 177. P. 452 458.

212. GuZ.-H. Speckle Correlations around the backscattering direction in the double-passage configuration // Appl. Opt. 2000. V. 39, N. 25. P. 4684-4689.

213. Zhu J.X., Pine D.J., Weitz D.A. Internal reflection of diffusive light in random media // Phys. Rev.A. 1991. V.44, N. 6. P. 3948 3959.

214. Carslaw H.S. and Jaeger J.C. Conduction of heat in solids.- Oxford: Oxford University Press, 1959.- 510 p.

215. Feng S., Kane C., and Stone A.D., Correlations and fluctuations of coherent wave propagation through disordered media // Phys.Rev.Lett.1988. V. 61. P. 834-837.

216. Pine D. J., Weitz D.A., Chaikin P. M., and Herbolzheimer E. Diffusing wave spectroscopy // Phys. Rev. Lett. 1988. V.60, N.12. P. 1134 1137.

217. Mackintosh F.C., Zhu J.X., Pine D.J., and Weitz D.A. Polarization memory of multiply scattered light // Phys. Rev. B. 1989. V. 40, N.13. P. 9342 9345.

218. Lisyansky A.A., Livdan D. Intensity correlation in wave propagation through random media with internal reflection // Phys. Lett. A. 1992. V. 170. P. 53 -57.

219. Korolev L. V. and . B. Rogozkin D. B. Long-range correlations upon wave propagation in random media under the conditions of strong internal reflection from their boundaries // J. Exp. Theor. Phys. 1998. V. 86, N. 1. P. 164 176.

220. Zhang X. and Zhang Z.-Q. Wave transport through thin slabs of random media with internal reflection: Ballistic to diffusive transition // Phys. Rev. E. 2002. V. 66, N. 1. P. 016612-19.

221. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, Т.1. М.: Мир, 1981.

222. Muskens O.L. and Lagendijk A., Broadband enhanced backscattering spectroscopy of strongly scattering media // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 1222 1231.

223. Reufer M., Rojas-Ochoa L.F., Eiden S., Saenz J.J. and Scheffold F. Transport of light in amorphous photonic materials // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 171904-8.

224. Sapienza R., Garcia P.D., Bertolotti J.,.D. Martin M.D., Blanco A., Vina L.,. Lopez L., Wiersma D.S. Observation of resonant behavior in the energy velocity of diffused light // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. P. 233901 4.

225. Muskens O. L. and Lagendijk A. Broadband enhanced backscattering spectroscopy of strongly scattering media // Opt. Express. 2008. V. 16, N. 2. P. 1222- 1231.

226. Genack A. Z. and Drake J. M. Relationship between optical intensity, fluctuations, and pulse propagation in random media // Europhys. Lett. 1990. V.ll.P. 331 -336.

227. Genack A. Z. Optical transmition in disordered media// Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 2043 2046.

228. Rojas L.F., Bina M., Cerchiari G., Escobedo-Sanchez M. A., Ferri F., Scheffold F. Photon path length distribution in random media from spectral speckle intensity correlations // Eur. Phys. J. ST. 2001. V. 199, N. 1. P.167 -180.

229. Webster M. A., Webb К. J., Weiner A. M., Xu J. Y., and Cao H. Temporal response of a random medium from speckle intensity frequency correlations // J. Opt. Soc. Am. A. 2003. V. 20, N. 11. P. 2057 2070.

230. Volker A. C., Zakharov P., Weber В., Buck F., and Scheffold F. Laser speckle imaging with an active noise reduction scheme // Opt. Express. 2005. V. 13, N.24. P. 9782-9787.

231. Skipetrov S. E., Peuser J., Cerbino R., Zakharov P., Weber В., and Scheffold F. Noise in laser speckle correlation and imaging techniques// Opt. Express. 2010. V. 18, N. 14. P. 14519 14534.

232. Zhang L., Shi A., and Lu H. Determination of optical coefficients of biological tissue from a single integrating-sphere // J. Mod. Optics. 2012. V.59, N.2. P. 121 125.

233. Камминс Г., Пайк Э. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. М.: Мир, 1978. 583 с.

234. Yoshimura Т. Statistical properties of dynamic speckles // JOSA A. 1986. V. 3, N.7.P. 1032-1054.

235. Glauber R. J. Photon Correlations // Phys. Rev. Lett. 1963. V. 10. P. 84 86.