Дискретная дифракция лазерного излучения в биоорганических жидких пленках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ВАЙЧАС АНДРЕЙ АНТАНАСОВИЧ

003450383

Дискретная дифракция лазерного излучения в биоорганических жидких пленках

01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 О КГ 2008

Хабаровск-2008

\

Работа выполнена в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Малов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Иванов Валерий Иванович

кандидат физико-математических наук, / доцент Сегейкин Алексей Юрьевич

Ведущая организация: Томский университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР, г. Томск).

Защита состоится «12» ноября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета ДМ 218.003.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 204

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения. ___ _____ __

Автореферат разослан октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Шабалина Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие оптических информационных и телекоммуникационных технологий базируется на достижениях когерентной оптики пленочных и волоконных структур. Одной из наиболее актуальных проблем этого направления интегральной оптики является обеспечение оптического контакта между планарной пленочной интегрально-оптической структурой и волоконными световодами. Решение этой проблемы требует как исследования процессов распространения лазерного излучения в одно- и двумерных системах, так и разработки новых оптических сред.

Среди перспективных направлений современной физической оптики и оптического приборостроения наиболее активно развивается оптика солитонов - уединенных электромагнитных волн, которые позволяют достичь предельных скоростей передачи и обработки информации [1]. Уже физически и технически реализован режим передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических линиях связи с помощью солитонов. Дальнейший прогресс солитонных технологий связывается с выдвинутой в 2001 г. концепцией дискретно-солитонных сетей, основанных на планарной системе связанных оптических волноводов в пределах одной пленочной структуры. В этих сетях оптические пучки вводятся в пленочную систему волноводов, которые выступают в качестве оптических проводов, по которым передаются солитоны.

В настоящее время в достаточно большой степени исследованы различные периодические системы связанных оптических волноводов на основе твердотельных и жидкокристаллических пленок. Подобные интегрально-оптические схемы представляют собой особый тип систем, в которых могут быть возбуждены новые виды пространственных солитонов - пространственно локализованных волновод-ных мод. В пределах каждого отдельного волновода дифракция излучения не происходит, но оптический пучок, тем не менее, может расширяться в системе в целом из-за связи между волноводами. Это расширение называют дискретной дифракцией, поскольку расхождение пучка выглядигг как расщепление (мультипликация) на веер отдельных тонких треков. Дискретная дифракция в системе связанных волноводов позволяет управлять лазерными пучками, что обычно невозможно в сплошной среде или в одиночном световоде. Это обстоятельство важно для таких операций обработки информации как мультипликация лучей, их маршрутизация, дискретизация и пространственно-временная селекция.

Особый интерес в последних исследованиях этого направления представляют т.н. оптические самонаведенные волноводы, когда световодные структуры возникают в пленке за счет фоторефрактивной нелинейности. Если пленка или мембрана сформирована из светочувствительного вещества, то происходит самозапись волноводов, что позволяет в принципе разработать уже самоорганизующиеся на-нотехнологии синтеза состыкованных интегрально-оптических и волоконных элементов схемы.

Эти обстоятельства делают актуальной тему исследования процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках и мембранах.

К моменту начала настоящего исследования в работах [2-4] было впервые показано, что излучение лазера, сфокусированное собирающей линзой и введенное в торец свободной мыльной пленки, представляющей собой планарный симметричный волновод, разбивается в пленке на совокупность узких треков. Были установлены свойства и особенности распространения данных треков [2-4].

Таким образом, было известно, что разбиение лазерного излучения на треки устойчиво наблюдается в жидких мыльных пленках и имеет динамический характер. В [2-4] на уровне гипотезы также была сделана попытка объяснения механизма образования треков в пленке с учетом структуры свободной жидкой мыльной бислойной пленки.

Однако наряду с этими результатами оставались неясными следующие аспекты данного явления:

• возможность и достоверное доказательство разбиения лазерного излучения на треки в других жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от пленок поверхностно-активных веществ (мыла);

• свойства треков, если их возникновение возможно в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от бислойных мыльных пленок и растворов;

• почему лазерное излучение, введенное в пленку, разбивается в самой пленке на совокупность треков один раз, если не зарегистрировано наличие порогового значения интенсивности, необходимого для возникновения треков.

В связи с вышеизложенным актуальным является исследование процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках, обладающих структурой, отличной от структуры пленок поверхностно-активных веществ, установление возможного механизма возникновения треков лазерного излучения.

Целью работы являлось исследование дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических (включая желатин - полимер биологического происхождения) пленках и установление возможного механизма, лежащего в основе разбиения лазерного излучения на треки. В связи с этим в работе решались следующие задачи:

• Исследование распространения лазерного излучения в жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ (мыла);

• Изучение свойств треков, если их возникновение возможно, в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от мыльных пленок и растворов;

• Исследование структуры и пространственного распределения фазовых неоднородностей пленок, использующихся в качестве объектов исследования;

• Определение возможности формирования в светочувствительной пленке самозаписанной системы волноводов.

Методы исследования. Экспериментальный анализ процесса взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с пленками и растворами проводился на основе современной методологии когерентно-оптических исследований с учетом таких явлений как саморефракция излучения на светоиндуцироваиных неоднородностях фазовой структуры пленки, визуализируемой методами теневой оптики. Для выявления механизма взаимодействия лазерного излучения с пленочными структурами использовалось компьютерное моделирование процесса дискретной дифракции когерентного излучения на фазовых неоднородностях слоя. В качестве объектов исследования использовались растворы поверхностно-активных органических веществ (мыла), водные желатиновые растворы, светочувствительные желатин-глицериновые хромированные эмульсии.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

¡.Впервые зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.

2. Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводными свойствами пленки.

3. Установлены свойства и особенности распространения треков в полимерных пленках.

4. Впервые показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.

5. Впервые показано возникновение треков в объеме раствора, из которого формовались пленки.

6. Полученные результаты представляются значимыми для разработки теоретической биофизической модели механизма действия низкоинтенсивного лазерного излучения на биообъекты, учитывающей клеточную структуру живой ткани и природу клеточных мембран.

Практическая значимость. Полученные результаты служат основой для теоретической и экспериментальной разработки принципов лазерного манипулирования (управления движением) ансамблями микрочастиц, находящихся в пленочной мембране, при волноводном распространении когерентного излучения в моно- и бислойных пленках, в том числе находящихся на поверхности твердых тел. Также они представляются значимыми для разработки нанотехнологии лазерного манипулирования микрочастицами в жидкой фазе вещества при формировании различных твердотельных интегральных схем, например, при жидкостной Эпйтаксии.

Результаты проведенных исследований могут послужить физической основой для разработки новых методов диагностики пленочных структур, в том числе модельных биологических мембран и смазочных пленок при исследовании динамики процесса абразивного износа различных поверхностей.

Среди возможных применений эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки можно выделить воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани — биостимуляцию. Возникновение узких треков лазерного излучения в жидких биоорганических, мембранах позволяет по-новому объяснить эффект лазерной биостимуляции в живых тканях под действием низкоинтенсивного когерентного излучения и уточнить методы дозиметрии при планировании соответствующих терапевтических процедур в практическом здравоохранении.

Связь с программами НИР. Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательских работ, проводимых в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте) на кафедре электрооборудования и оптоэлектронных средств воздушной разведки в рамках темы НИР «Спекл-оптические методы исследования поверхностей и подповерхностной структуры объектов» и по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 05-08-33639.

Основные защищаемые положения:

1. Причиной дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения являются квазипериодические фазовые неоднородности жидко-пленочной системы, возникающие, в частности из-за наличия капиллярных волн при свободном расположении пленки в рамке. Разбиение лазерного излучения на треки происходит в соответствии с условием поперечного резонанса для планарной волноводной структуры. Само явление дискретной дифракции происходит в пленках монослойной, а не только бислойной (как в мыльном растворе), структуры.

2. Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием. Пространственная картина дискретной дифракции (разбиения на треки) обладает динамическими свойствами, соответствующими динамике пленкообразующей жидкости и движению инициирующего лазерного пучка.

3. В пленках на основе светочувствительных самопроявляющихся желатин-глицериновых хромированных эмульсий в процессе их студенения может осуществляться самозапись волноводных структур. Свойства самозаписанных световодов определяются условиями ввода инициирующего излучения и химическим составом самой эмульсии.

4. Параметрами дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения в жидких пленках можно управлять, изменяя способ ввода инициирующего пучка и длину волны излучения, форму и геометрические размеры пленки, ее физико-химический состав и способы возбуждения динамических квазипериодических неоднородностей (применяя, например, ультразвуковое облучение).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на

• Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Asia-Pacific Conference Fundamental problems of opto- and microelectronics (APCOM) - Fundamental problems of opto- and microelectronics »(Хабаровск - 2004 г., Владивосток - 2005 г.);

• «Научной сессии МИФИ-2007»;

• Федеральной конференции «Школа по голографии - 2007» (Иркутск -2007 г.);

• VI Региональной школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития" (Томск, 2005);

• семинарах Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУ СУР);

• Иркутских городских научно-методических семинарах «Физика наукоемких технологий»;

• семинарах Иркутского Высшего Военного Авиационного Инженерного Училища (Военного Института);

• семинарах Иркутского Государственного Медицинского Университета;

• семинарах Иркутского Государственного Педагогического Университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в

том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК дня публикации результатов диссертационных исследований.

Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы (77 наименований), изложенных на 141 странице и содержит 87 рисунков, 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность рассматриваемых в работе задач. Определена цель работы. Изложены научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются данные о свойствах и особенностях распространения треков, установленные в [2-4], а также гипотетический механизм, предложенный в [3, 4]. Проводится обзор явлений, лежащих в основе других предложенных гипотез о возможных механизмах возникновения треков, описан объект исследования. На основе приведенных данных выделены вопросы, исследование которых актуально для установления свойств треков

и развития современных представлений о возможном механизме их возникновения.

Во второй главе описана методика получения объектов исследования, методика проведения и результаты экспериментальных исследований дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических пленках различной формы. Показано, что лазерное излучение, вводимое как в торец исследуемых пленок, так и под углом скольжения через их поверхность, в самих пленках разбивается на совокупность узких треков, которые наблюдаются визуально, имеют различную яркость.

На рис. 1 представлены результаты исследования распространения лазерного излучения в пленках, полученных из растворов на основе желатина.

Рис. 1. Вид лазерного излучения, распространяющегося в горизонтальной пленке го 15% раствора желатина (а) и пленке из смеси 5% раствора желатина и глицерина (б) в виде узких треков, при фокусировке на пленку излучения непрерывного гелий - неонового лазера 632.8 им (плотностьмощности в фокусе 54 Вт/см2).

На рис. 2 показано увеличенное изображение треков, распространяющихся в пленках из смеси 5% раствора желатина и глицерина. Из рис. 2 видно, что для треков, распространяющихся в пленке, характерно полное внутреннее отражение от границы областей пленки с различными показателями преломления, возникающей возле рамки.

В эксперименте по исследованию распространения лазерного излучения в пленках из 5% раствора самопроявляющегося дихромированного желатина (СПДЖ), чувствительного к красному свету, зарегистрировано, что лазерное излучение также разбивалось на совокупность треков. В течение всего времени ввода излучения в пленку треки постепенно становились менее контрастными и заметными. Через 30 минут в пленке отчетливо наблюдалась только ярко красная область фокусировки излучения.

Рис. 2. Вид лазерного излучения, распространяющегося в пленке из смеси 5% раствора желатина и глицерина в виде узких треков, при фокусировке на пленку излучения непрерывного гелий - неонового лазера 632.8 нм (плотность мощности в фокусе 54 Вт/см2).

Дополнительное исследование такой пленки с помощью теневого прибора (рис. 3), который позволяет визуализировать фазовые неоднородности прозрачных объектов, в том числе и пленок, показало, что в области взаимодействия лазерного излучения с пленкой возникают фазовые неоднородности, повторяющие форму и направление треков I (рис.4). Таким образом, использование светочувствительных сред в качестве материалов для пленки позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки.

| Рис. 4. Фазовые неоднородности, образовавшиеся в пленке из раствора СПДЖ 5% кон-

центрации в результате воздействия лазерного излучения от гелий - неонового лазера ^ 632.8 нм (при плотности мощности в фокусе около 65 кВт/см2). Стрелкой показана об-

^ ласть фокусировки излучения на пленку (область ввода излучения).

В третьей главе рассматривается возможный механизм дискретной дифракции лазерного излучения, вводимого в пленку. Для этого пленки дополнительно исследовались теневым прибором (рис.3), который позволяет визуализировать структуру и пространственное распределение фазовых неоднородностей пленки. Наблюдение теневой картины показало, что в пленках действительно присутствуют неоднородности (рис. 5).

однородностей пленки с помощью теневого прибора

а б В

Рис. 5. Фазовые неоднородности вертикальных пленок: а - мыльная пленка 0,5% концентрации, б - пленка из смеси раствора желатина 5% концентрации и глицерина, в - полимерная пленка для печати на принтере. Из рис. 5 видно, что теневые картины различаются. Несмотря на визуально непохожую картину, в случае мыльной и желатиной пленки, очевидно наличие

явных неоднородностей. Рисунок также позволяет заключить, что размер неодно-родностей связан с толщиной пленки - чем толще пленка, тем больше характерный размер неоднородностей. В случае сухой жесткой полимерной пленки распределение неоднородностей (рис. 5в) более равномерное и не обладает сложной разветвленной структурой, характерной для жидких пленок (рис. 5а и 56). Возможно, сложное распределение неоднородностей в жидких пленках обусловлено движением раствора в пленке.

Для выявления характерных масштабов пространственной структуры желатиновой, мыльной и полимерной твердой пленок был применен вейвлет-анализ.

Обобщая данные, полученные с помощью вейвлет-анализа, можно сделать вывод, что:

1. Желатиновая пленка, в самой тонкой своей части, имеет три характерных масштаба около 0,5 мм, около 2 мм и около 3 мм. При стекании раствора в пленке происходит утолщение ее нижней части, что приводит к исчезновению мелких неоднородностей за счет увеличения толщины крупных неоднородностей (с характерным размером около Змм).

2. Самые мелкие неоднородности мыльной пленки несколько меньше, чем у желатиновой и в самой тонкой своей части, имеют характерный масштаб около 0,3 мм. Более крупные масштабы, как и у желатиновой пленки, имеют характерную величину около 2 мм и около 3 мм.

3. Неоднородности полимерной пленки имеют преимущественно два характерных масштаба — примерно 0,8 мм и 1,75мм.

4. При протяженности пленки от 3,5 до 17,5 мм (рис. 6) отчетливо выявляются более высокие гармоники волн, что можно трактовать как своеобразную рябь на поверхности более крупных волн. Эта рябь, возможно, обуславли- , вает прерывистую микроструктуру треков, наблюдавшуюся и в [4].

В целом, вейвлет-анализ показал, что желатиновая и мыльная пленки имеют I сравнимые величины неоднородностей, разрешаемые данным теневым прибором, и одинаковое поведение при увеличении толщины - в обоих случаях происходит [ увеличение вклада крупномасштабных компонент за счет исчезновения мелкомасштабных.

В то же время наличие в пленке фазовых неоднородностей, величина кото- , рых колеблется от нескольких долей мил- I лиметра до нескольких миллиметров, по- | зволяет сделать предположение о наличии в пленке также неоднородностей, сравнимых по порядку величины с длиной волны падающего излучения, которые в экспериментах теневым прибором не разрешаются. В связи с этим в рамках данного предположения была выдвинута и рассматривается гипотеза, согласно которой ' разбиение лазерного излучения на треки

X, мм

Рис. 6. Скелетон еейвлет-поверхности для мыльной пленки, полученный при использовании материнской функции Морпе.

происходит в результате его дифракции на локальных неоднородностях при вводе излучения в пленку. При этом, дифрагируя на неоднородностях, излучение лазера отклоняется на различные углы, как в плоскости, так и в толще пленки. При этом в пленке, как планарном волноводе, излучение будет распространяться только в области разрешенных углов, удовлетворяющих возбуждению волноводных мод. То есть тех углов, для которых выполняется условие поперечного резонанса. В частности, для однородной пленки толщиной d для излучения, вектор Е которого лежит в плоскости пленки (ТЕ мода), условие самосогласованности (условие поперечного резонанса) можно записать следующим образом [5]: 2к ■ п0 ■ d ■ cos9 - 2arctg(^n2„ sin1 в-п1 /п„ cos в) -

- larctgi-yjnl sin2 в-п2 cos б) = 2т л,

где т = 0, 1, 2, ...- номер моды, п - показатель преломления граничной среды (воздуха), По - показатель преломления вещества пленки.

Зная угол полного внутреннего отражения а„т для данной пленки, из уравнения (1) можно определить количество разрешенных волноводных мод т, каждой из которых согласно (1) соответствует разрешенный угол вт.

Как видно из рис. 7 при данном угле 9 дифрагировавшее в различных направлениях излучение, будет распространяться только в тех плоскостях, подобных плоскости ADD'A', для которых выполняется условие поперечного резонанса и угол распространения излучения в которой является одним из разрешенных углов вт. При этом каждому разрешенному углу в„, при данном угле в соответствует определенный угол (p¡ между первоначальным направлением распространения возбуждающего излучения и плоскостью, в которой может распространяться излучение после дифракции. Таким образом, при данном угле в излучение в

пленке будет распространяться в направлениях, определяемых углом ф,.

Например, для пленки толщиной d = 30 мкм с показателем преломления п0 = 1,35 количество разрешенных углов для излучения с длиной волны 632.8 нм согласно уравнению (1) равняется 86. При угле 9 = 48,391°, являющимся одним из разрешенных углов 0т, в

соответствии с условием поперечного резонанса (1) картина возможных направлений распространения излучения для семи ближайших к нему разрешенных улов будет иметь вид, изображенный на рис. 8.

Результат численной оценки распределения интенсивности лазерного излучения в пленке после его дифракции на локальных фазовых неоднородностях представлен на рис. 9.

]

\

ГУ

Рис. 7. Распространение дифрагировавшего излучения в пленке в плоскостях, определяемых разрешенными углами вт при вводе излучения в торец пленки.

4030"

20" 10"

Рис. 8. Теоретически рассчитанные с учетом Рис.9. Теоретически рассчитанное распре-условия поперечного резонанса возможные на- деление интенсивности лазерного излучения правления распространения излучения (X = 0.63 в плоскости пленки после его дифракции на мкм) в пленке толщиной ЗОмкм. (по = 1,35). фазовой дифракционной решетке, образованной неоднородностями пленки.

При численной оценке фазовая дифракционная решетка, образуемая неоднородностями среды в области взаимодействия лазерного излучения с пленкой, задавалась определенным количеством элементарных излучателей, излучаюших друг относительно друга вторичные волны с некоторым сдвигом по фазе, определяемым выражением вида

9 тг

Г(д) = М1-008—), (2)

где I - коэффициент, определяющий максимальный сдвиг фазы между излучателями, Т— коэффициент, определяющий период дифракционной решетки.

Для упрощения расчетов результирующая амплитуда А колебаний в произвольной точке плоскости пленки с координатами (х, у) задавалась выражением

(3)

¡-1 к г;

где г, - расстояние от определенной точки (излучателя) области взаимодействия излучения с пленкой до конкретной точки в плоскости пленки, N - количество излучателей в области взаимодействия излучения с пленкой, А0 полагалась равной единице. Распределение интенсивности излучения в плоскости пленки, представленное на рис. 9 выполнено для излучения X = 0,63 мкм в случае I = 0,5 и Г= 80.

Совмещая друг с другом рис. 8 и 9, видно, что некоторые максимумы дифракционной картины совпадают с разрешенными направлениями распространения излучения в пленке, рассчитанными с учетом условия поперечного резонанса (рис. 10). Это позволяет сделать вывод о том, что при вводе лазерного излучения в пленку происходит его дифракция на локальных неоднородностях, в результате чего оно разбивается на совокупность треков, которые представляют собой каналы распространения излучения, соответствующие волноводным модам пленки.

15 х, мм

Рис. 10. Сопоставление дифракционной картины с разрешенными направлениями распространения излучения в пленке, рассчитанными с учетом условия поперечного резонанса.

При этом из всех возбуждаемых в пленке мод, в виде треков будут распространяться только те, для которых выполняется условие поперечного резонанса.

Экспериментально наблюдаемые картины разбиения отличаются от расчетных сложностью, разветв-ленностью и большим количеством треков. По-видимому, это обусловлено тем, что при расчётах полагалось, что пленка обладает постоянной толщиной и однородным распределением показателя преломления по всему сечению на протяжении всей пленки, что практически в эксперименте не реализуется. В частности к локальным изменениям толщины пленки будет приводить наличие в ней капиллярных волн.

В п. 3.4 рассматриваются возможные причины, обуславливающие движение треков. Одной из основных причин движения треков, по-видимому, является движение раствора в пленке, косвенным подтверждением чему является тот факт, что движение треков отмечается только в пленках, в которых происходит движение раствора

В четвертой главе рассматриваются возможные применения эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки, среди которых можно выделить следующие:

1. Воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани - биостимуляция;

2. Диагностика процесса абразивного износа различных поверхностей.

Также в главе приводятся результаты эксперимента по изучению распространения лазерного излучения в пленке с искусственно созданными неоднород-ностями. В качестве объекта исследований (модели биоподобного объекта) использовалась пленка из смеси 5% раствора желатина и глицерина (показатель преломления п = 1,35) с нанесенными на нее капельками масла (показатель преломления п = 1,47). Излучение гелий-неонового лазера фокусироваюсь собирающей линзой с фокусным расстоянием Г = 12 см и направлялось на пленку под небольшим углом скольжения (менее 10°). В пленке излучение разбивалось на совокупность тонких узких треков. После этого на пленку путем распыления наносились капельки масла.

В результате было выявлено, что наличие в пленке неоднородностей, образованных каплями масла, приводит к уменьшению расстояния распространения

треков. Если треки возникали в области пленки, в которой отсутствуют капли масла, то, доходя до области с неоднородностями, треки исчезали.

При вводе лазерного излучения в пленку непосредственно в области с неоднородностями было установлено, что в этом случае излучение либо сразу от точки ввода рассеивается либо возникают треки, расстояние распространения которых незначительно. Стоит отметить, что данные треки при распространении могут огибать крупные неоднородности, меняя свое направление, либо проходить через такие неоднородности без изменения направления.

Визуальное сравнение полученных результатов, позволяет предположить, что столь явные отличия в характере распространения излучения в пленке, по-видимому, обусловлены размерами неоднородностей (капель масла), находящихся в области ввода излучения в пленку. Наличие преимущественно мелкомасштабных по размеру неоднородностей приводит к исчезновению лазерных треков. Если же в области ввода наблюдаются преимущественно крупномасштабные неоднородности, то треки лазерного излучения возникают, хотя направление их распространения при этом изменяется, а пройденное ими расстояние уменьшается.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются ее мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводными свойствами пленки.

2. Зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.

3. Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием.

4. Установлено, что время существования и подвижности треков в пленках зависит от химического состава и концентрации растворов, а также условий эксперимента. Динамические свойства пространственной картины дискретной дифракции (разбиения на треки) обусловлены динамикой пленкообразующей жидкости и движением инициирующего лазерного пучка.

5. Показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.

6. Параметры пространственной картины разбиения на треки зависят от свойств пленки, формы и геометрических размеров пленки. В частности, показано, что увеличение мутности пленки приводило к сильному рассеянию света и снижению контрастности картины разбиения. В системах, состоящих из нескольких изогнутых пленок, возникающие при разбиении лазерного излучения треки, распространяются в пределах той пленки, в которой они были инициированы.

7. В экспериментах не было замечено зависимости, эффективности возникновения треков от плотности мощности , в фокусе вводимого в пленки и растворы излучения, которая изменялась примерно от 4 Вт/см2 до '900 Вт/см2, а также способа его ввода в пленки.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Вайчас А.А., Малов А.Н., Шевченко Е.В. Взаимодействие лазерного излучения с макромолекулярными пленками // «Известия ВУЗов. Физика». - Т. 48, № 6,2005. -С. 69 - 70 (входит в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК).

2. Вайчас А.А., Малов А.Н., Шевченко Е.В. Взаимодействие лазерного излучения с моделью биологической мембраны // Сибирский медицинский журнал. - Иркутск: ИГМУ, 2004. - №8.-С.23-26.

3. Vâichas А.А., Malov A.N. Shevchenko E.V. Integral-opticaJ method for modeling biological membranes research // «Proceedings of the Fourth Asm-Pacific Conférence "Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (APCOM'2004)"» / DVGUPS : Khabarovsk, 2004. - P. 447-453.

4. Вайчас A.A., Малов A.H., Шевченко Е.В. Треки лазерного излучения в биоорганических пленках // Проблемы фундаментальной физики XXI века: тезисы конференции, посвященной международному году физики, Самара, 21-27 ноября 2005г.: Изд-во «Универс-групп», 2005. - С. 25-26.

5. Vaichas А.А., Malov A.N. Shevchenko E.V. Laser tracks in soap and gelatin films // Pacific Science Review. -2005. - Vol. 7. - P. 37-40.

6. Вайчас A.A., Малов A.H., Шевченко Е.В. Мультипликация лазерных пучков в пленках жидких веществ // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 4. Лазерная физика. Физика плазмы. Сверхпроводимость и физика наноструктур. Физика твердого тела. Фотоника и информационная оптика / М.: МИФИ, 2006.-С. 285-286..

7. Вайчас А.А., Малов А.Н., Шевченко Е.В. Распространение лазерного излучения в макромолекулярных плёнках на основе желатина. // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование / Материалы VI региональной научной конференции. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2006.-С. 77-78.

8. Вайчас А.А., Малов А.Н., Синицын И.А., Шевченко Е.В. Лазерные треки в жидких пленках как дифракция на локальных неоднородностях // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 15. Физика твердого тела. Фотоника и инофрмационная оптика / М.: МИФИ, 2007. - С. 97-98.

9. Вайчас А.А., Малов А.Н., Синицын И.А., Шевченко Е.В., Бородин А.Н. Лазерные треки в жидких органических пленках как результат дифракции излучения на локальных неоднородностях. // Голография: фундаментальные исследования, инновационные проекты и нанотехнологии/ Материалы XXVI школы по когерентной оптике и голографии. - Иркутск: Изд-во «Папирус», 2008. ~ С. 499-504.

1}

Ю.Бородин А.Н., Вайчас А. А., Малов А.Н., Миронов Б.М., Неупокоева A.B., Синицын И.А., Онацкий А.Н., Сычевский A.B., Чупраков С.А. Спекл-оптические методы исследования шероховатых поверхностей и подповерхностной структуры объектов ФИЗИКА НАУКОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЙ. Выпуск 2. //Под общей редакцией Малова А.Н. и Пахомова C.B. - Иркутск: ИВВАИУ,2008. -С. 5-71.

11.Вайчас A.A., Малов А.Н., Шевченко Е.В., Неупокоева А. В. Распространение лазерного излучения в жидкой фоточувствительной пленке // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 2. Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. Лазерная физика. Фотоника и информационная оптика. Физика конденсированного состояния вещества/ М.: МИФИ, 2008. -

1. Кившарь Ю.С., Агравал Г.П. Оптические солитоны. От волоконных световодов до фотонных кристаллов. -М: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 648 с.

2. Старцев A.B., Стойлов Ю.Ю. Чудо с лазерным лучом в мыльной пленке II Квантовая электроника, 2003. - Вып. 33, №5. - С. 380-382. '

3. Старцев A.B., Стойлов Ю.Ю. О природе лазерных поляритонных треков в мыльной пленке II Квантовая электроника. - 2004. - Вып. 34, №6. - С. 569 - 571.

4. Стойлов Ю.Ю. Лазерный луч в мыльной пленке // УФН. - 2004. - Том 174, №12. - С.

5. Когельник Г. Введение в интегральную оптику/1 УФН. - 1977. - Том 121, №4. - С.

Автор выражает благодарность Синицыну И.А., Кукаркину В. Н., Бородину А.Н., Неупокоевой A.B., Шевченко Е.В. за помощь в работе.

Отпечатано в ОАО Иркутский «Дом печати».

664009, г. Иркутск, ул. Советская, 109. Зак. 1734. Тир. 100.

С. 130-132.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1359-1369.

695-726.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О

ВОЗНИКНОВЕНИИ ЛАЗЕРНЫХ ТРЕКОВ И

ВОЗМОЖНОМ МЕХАНИЗМЕ ИХ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ

1.1. Треки лазерного излучения в пленках поверхностно-активных веществ

1.2. Моды планарных волноводных структур

1.3. Приближение геометрической оптики для мод планарных волноводов

1.4. Ввод излучения в оптические волноводы

1-5. Структура жидких пленок

1-6. Нелинейно-оптические свойства веществ и самофокусировка

1.7. Тепловой механизм

1.8. Лазерная манипуляция как пример воздействия на микрочастицу в жидкой среде

1.9. Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. Материалы и методы

2.1.1 Методика приготовления пленок водного мыльного раствора и ввода в них лазерного излучения

2.1.2. Методика приготовления пленок водного желатинового раствора и ввода в них лазерного излучения

2.2. Результаты экспериментальных исследований

2.2.1. Распространение лазерного излучения в пленках мыльного раствора

2.2.2 Распространение лазерного излучения в пленках из раствора на основе желатина

2.2.3 Распространение лазерного излучения в пленках раствора на основе дихромированного желатина

2.2.4 Распространения лазерного излучения в сферически изогнутых и вертикальных пленках из смеси 5% раствора желатина и глицерина

2.2.5 Поляризационный эффект

2.2.6 Распространение лазерного излучения в объеме раствора

2.2.7 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТРЕКОВ

3.1. Интерференция поляритонных волн

3.2. Визуализация фазовых неоднородностей пленки теневым прибором

3.3. Дифракция на локальных неоднородностях

3.4. Причины движения треков

3.5. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. БИОСТИМУЛЯЦИЯ И ДИАГНОСТИКА

ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

4.1. Воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани'

4.2. Распространение лазерного излучения в пленке с искусственно созданными неоднородностями

4.3. Исследование динамики процесса абразивного износа различных поверхностей

Актуальность темы. Современное развитие оптических информационных и телекоммуникационных технологий базируется на достижениях когерентной оптики пленочных и волоконных структур. Одной из наиболее актуальных проблем этого направления интегральной оптики является обеспечение оптического контакта между планарной пленочной интегрально-оптической структурой и волоконными световодами. Решение этой проблемы требует как исследования процессов распространения лазерного излучения в одно- и двумерных системах, так и разработки новых оптических сред.

Среди перспективных направлений современной физической оптики и оптического приборостроения наиболее активно развивается оптика солитонов - уединенных электромагнитных волн, которые позволяют достичь предельных скоростей передачи и обработки информации [1]. Уже физически и технически реализован режим передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических линиях связи с помощью солитонов. Дальнейший прогресс солитонных технологий связывается с выдвинутой в 2001 г. концепцией дискретно-солитонных сетей, основанных на планарной системе связанных оптических волноводов в пределах одной пленочной структуры. В этих сетях оптические пучки вводятся в пленочную систему волноводов, которые выступают в качестве оптических проводов, по которым передаются солитоны.

В настоящее время в достаточно большой степени исследованы различные периодические системы связанных оптических волноводов на основе твердотельных и жидкокристаллических пленок. Подобные интегрально-оптические схемы представляют собой особый тип систем, в которых могут быть возбуждены новые виды пространственных солитонов -пространственно локализованных волноводных мод. В пределах каждого отдельного волновода дифракция излучения не происходит, но оптический пучок, тем не менее, может расширяться в системе в целом из-за связи между волноводами. Это расширение называют дискретной дифракцией, поскольку расхождение пучка выглядит как расщепление (мультипликация) на веер отдельных тонких треков. Дискретная дифракция в системе связанных волноводов позволяет управлять лазерными пучками, что обычно невозможно в сплошной среде или в одиночном световоде. Это обстоятельство важно для таких операций обработки информации как мультипликация лучей, их маршрутизация, дискретизация и пространственно-временная селекция.

Особый интерес в последних исследованиях этого направления представляют т.н. оптические самонаведенные волноводы, когда световодные структуры возникают в пленке за счет фоторефрактивной нелинейности. Если пленка или мембрана сформирована из светочувствительного вещества, то происходит самозапись волноводов, что позволяет в принципе разработать уже самоорганизующиеся нанотехнологии синтеза состыкованных интегрально-оптических и волоконных элементов схемы.

Эти обстоятельства делают актуальной тему исследования процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках и мембранах.

К моменту начала настоящего исследования в работах [2-6] было впервые показано, что излучение лазера, сфокусированное собирающей линзой и введенное в торец свободной мыльной пленки, представляющей собой планарный симметричный волновод, разбивается в пленке на совокупность тонких узких треков. Были установлены следующие свойства и особенности распространения треков [2-6]:

1. Треки возникают в свободных жидких мыльных пленках толщиной менее 10 мкм при использовании любых лазеров (с длиной волны излучения от 440 нм до 1 мкм) при фокусировке излучения мощностью от 10 мкВт до 10 кВт. В объеме мыльных растворов и на их поверхности при таких же условиях лазерного возбуждения треки не возникают. Треки не появляются в тонких мыльных пленках на зеркале, ртути или диэлектриках (слюда, полиэтилен), а также в самых тонких (3-5 мкм) твердотельных пленках слюды, полиэтилена и тефлона.

2. Расходимость треков меньше дифракционной; они хаотически по времени меняют направление своего распространения в жидкой пленке, создают ответвления, пересекаются без видимого взаимодействия, разбиваются на новые треки и могут иметь длины пробега в десятки сантиметров.

3. Треки возникают и выходят из одной точки от одного до семи (иногда более 20) и существуют как отдельные объекты.

4. В пленке треки изменяют направление около крупных пылинок, не замечают влияния мелких пылинок, пересекающих их потоков; их вид (ширина) практически не зависит от мощности лазера, длины волны, вида и концентрации мыла, температуры и толщины пленок.

5. В пленках из мутных растворов с большим количеством рассеивающих центров, в объемных растворах которых лазерный луч рассеивается и виден на расстоянии около 1 см, треки имеют дендритную (ветвистую) структуру с широкой кроной из очень тонких лучей.

6. Треки без временной задержки перемещаются по пленке вместе с лазерным лучом, изменяются при изменении его направления, и время их образования не превышает 10 нсек.

Таким образом, было известно, что разбиение лазерного излучения на треки устойчиво наблюдается в жидких мыльных пленках и имеет динамический характер. В [2-6] на уровне гипотезы была сделана попытка объяснения механизма образования треков в пленке с учетом структуры свободной жидкой мыльной бислойной пленки.

Однако наряду с этими результатами оставались неясными следующие аспекты данного явления:

• возможность и достоверное доказательство разбиения лазерного излучения на треки в других жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от пленок поверхностно-активных веществ (мыла);

• свойства треков, если их возникновение возможно в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от бислойных мыльных пленок и растворов;

• причины разбиения лазерного излучения, введенного в пленку, на совокупность треков только один раз, при отсутствии порогового значения интенсивности, необходимого для возникновения треков.

В связи с вышеизложенным актуальным является исследование процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках, обладающих структурой, отличной от структуры пленок поверхностно-активных веществ, установление возможного механизма возникновения треков лазерного излучения.

Целью работы являлось исследование дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических (включая желатин - полимер биологического происхождения) пленках и установление возможного механизма, лежащего в основе разбиения лазерного излучения на треки. В связи с этим в работе решались следующие задачи:

• Исследование распространения лазерного излучения в жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ (мыла);

• Изучение свойств треков, если их возникновение возможно, в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от мыльных пленок и растворов;

• Исследование структуры и пространственного распределения фазовых неоднородностей пленок, использующихся в качестве объектов исследования;

• Определение возможности формирования в светочувствительной пленке самозаписанной системы волноводов.

Методы исследования. Экспериментальный анализ процесса взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с пленками, мембранами и растворами проводился на основе современной методологии когерентно-оптических исследований с учетом таких явлений как саморефракция излучения на светоиндуцированных неоднородностях, фазовой структуры пленки, визуализируемой методами теневой оптики. Для выявления механизма взаимодействия лазерного излучения с пленочными структурами использовалось компьютерное моделирование процесса дискретной дифракции когерентного излучения на фазовых неоднородностях слоя. В качестве объектов исследования использовались растворы поверхностно-активных органических веществ (мыла), водные желатиновые растворы, светочувствительные желатин-глицериновые хромированные эмульсии, синтезированные по технологии формования самопроявляющихся голографических регистрирующих сред. Для интерпретации полученных экспериментальных данных использовались концепции физической оптики, теории колебания и вейвлет-анализа.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.

2. Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются ее мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводными свойствами пленки.

3. Установлены свойства и особенности распространения треков в полимерных пленках.

4. Впервые показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.

5. Впервые показано возникновение треков в объеме раствора, из которого формовались пленки.

6. Полученные результаты представляются значимыми для разработки теоретической биофизической модели механизма действия низкоинтенсивного лазерного излучения на биообъекты, учитывающей клеточную структуру живой ткани и природу клеточных мембран.

Практическая значимость. Полученные результаты служат основой для теоретической и экспериментальной разработки принципов лазерного манипулирования (управления движением) ансамблями микрочастиц, находящихся в пленочной мембране, при волноводном распространении когерентного излучения в моно- и бислойных пленках, в том числе находящихся на поверхности твердых тел. Также они представляются значимыми для разработки нанотехнологии лазерного манипулирования микрочастицами в жидкой фазе вещества при формировании различных твердотельных интегральных схем, например, при жидкостной эпитаксии.

Результаты проведенных исследований могут послужить физической основой для разработки новых методов диагностики пленочных структур, в том числе модельных биологических мембран и смазочных пленок при исследовании динамики процесса абразивного износа различных поверхностей.

Среди возможных применений эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки можно выделить воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани — биостимуляцию. Возникновение узких треков лазерного излучения в жидких биоорганических мембранах позволяет по-новому объяснить эффект лазерной биостимуляции в живых тканях под действием низкоинтенсивного когерентного излучения и уточнить методы дозометрии при планировании соответствующих терапевтических процедур в практическом здравоохранении.

Связь с программами НИР. Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательскнх работ, проводимых в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте) на кафедре электрооборудования и оптоэлектронных средств воздушной разведки в рамках темы НИР «Спекл-оптические методы исследования поверхностей и подповерхностной структуры объектов» и по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 05-08-33639.

Основные защищаемые положения:

1. Причиной дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения являются квазипериодические фазовые неоднородности жидко-пленочной системы, возникающие, в частности из-за наличия капиллярных волн при свободном расположении пленки в рамке. Разбиение лазерного излучения на треки происходит в соответствии с условием поперечного резонанса для планарной волноводной структуры. Само явление дискретной дифракции происходит в пленках монослойной, а не только бислойной (как в мыльном растворе), структуры.

2. Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием. Пространственная картина дискретной дифракции (разбиения на треки) обладает динамическими свойствами, соответствующими динамике пленкообразующей жидкости и движению инициирующего лазерного пучка.

3. В пленках на основе светочувствительных самопроявляющихся желатин-глицериновых хромированных эмульсий в процессе их студенения может осуществляться самозапись волноводных структур. Свойства самозаписанных световодов определяются условиями ввода инициирующего излучения и химическим составом самой эмульсии.

4. Параметрами дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения в жидких пленках можно управлять, изменяя способ ввода инициирующего пучка и длину волны излучения, форму и геометрические размеры пленки, ее физико-химический состав и способы возбуждения динамических квазипериодических неоднородностей (применяя, например, ультразвуковое облучение).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на

• Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of opto- and microelectronics (APCOM) » (Хабаровск - 2004 г., Владивосток - 2005 г.);

• Федеральной конференции «Школа по голографии - 2007» (Иркутск - 2007 г.);

• VI Региональной школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития" (Томск, 2005);

• «Научной сессии МИФИ-2007, 2008»;

• Иркутских городских научно-методических семинарах «Физика наукоемких технологий»;

• семинарах Иркутского Высшего Военного Авиационного Инженерного Училища (Военного Института);

• семинарах Иркутского Государственного Медицинского Университета;

• семинарах Иркутского Государственного Педагогического Университета;

• семинарах Дальневосточного Государственного Технического Университета;

• семинарах Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.

Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы (77 наименований), изложенных на 141 странице и содержит 87 рисунков, 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых в работе задач. Определена цель работы. Изложены научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются данные о свойствах и особенностях распространения треков, установленные в [2-6], а также гипотетический механизм, предложенный в [5, 6]. Проводится обзор других предложенных гипотез о возможных механизмах возникновения треков, описан объект исследования. На основе приведенных данных выделены вопросы, исследование которых актуально для установления свойств треков и развития современных представлений о возможном механизме их возникновения.

Во второй главе описана методика получения объектов исследования, методика проведения и результаты экспериментальных исследований дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических пленках различной формы. Показано, что разбиение лазерного излучения на совокупность узких треков, наблюдалось в свободных тонких жидких пленках, имеющих разное структурное строение и созданных из растворов, имеющих разный химический состав. Установлено, что время существования и подвижности треков в пленках зависит от химического состава и концентрации растворов, а также условий эксперимента. Динамические свойства картины разбиения на треки обусловлены динамикой пленкообразующей жидкости и движением инициирующего лазерного пучка. Показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе самопроявляющегося дихромированного желатина позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.

Эксперименты по исследованию распространения лазерного излучения в объеме растворов, из которых получали пленки, показали, что на поверхности и в объеме мыльного раствора различной концентрации при вводе лазерного излучения разбиения на узкие треки не наблюдалось. При введении же сфокусированного лазерного излучения в мениск, образующийся на границе поверхности прозрачного желатин-глицеринового раствора и кюветы, лазерное излучение разбивалось на совокупность узких треков, которые распространялись далее в объеме раствора вследствие отражения от дна кюветы и его поверхности.

В третьей главе рассматривается возможный механизм дискретной дифракции. Обобщая результаты экспериментов по исследованию структуры и пространственного распределения фазовых неоднородностей пленок теневым прибором, была выдвинута и рассматривается гипотеза, согласно которой разбиение лазерного излучения на треки происходит в результате его дифракции на локальных неоднородностях при вводе излучения в пленку. При этом, дифрагируя на неоднородностях, излучение лазера отклоняется на различные углы, как в плоскости пленки, так и в толще пленки. Из всех возбуждаемых в этом случае в пленке волноводных мод в виде треков распространяются только те, для которых выполняется условие поперечного резонанса.

Результаты проведенного численного моделирования распределения интенсивности лазерного излучения в плоскости пленке после его дифракции на фазовых неоднородностях среды, а также теоретически рассчитанные в соответствии с условием поперечного резонанса возможные направления распространения излучения в пленке как планарном волноводе, позволяют сделать вывод о том, что треки, действительно представляют собой каналы распространения излучения, соответствующие волноводным модам пленки.

В главе также рассмотрены возможные причины, обуславливающие движение треков. С учетом экспериментальных результатов причиной движения треков, по-видимому, является движение раствора в пленке. Косвенным подтверждением этого является тот факт, что движение треков отмечается только в пленках, в которых происходит движение раствора.

В четвертой главе рассматриваются возможные применения эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки, среди которых можно выделить следующие:

1. Воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани - биостимуляция;

2. Диагностика процесса абразивного износа различных поверхностей. Также в главе приводятся результаты эксперимента по изучению распространение лазерного излучения в пленке с искусственно созданными прозрачными неоднородностями, имеющими больший показатель преломления, чем материал пленки. Выявлено, что наличие в пленке неоднородностей, приводит к уменьшению расстояния распространения треков. Визуальное сравнение полученных результатов, показало, что размеры неоднородностей (капель масла), находящихся в области ввода излучения в пленку, обуславливают отличия в характере распространения излучения в пленке. Наличие преимущественно мелкомасштабных по размеру неоднородностей приводит к исчезновению лазерных треков. Если же в области ввода наблюдаются преимущественно крупномасштабные неоднородности, то треки лазерного излучения возникают, хотя направление их распространения при этом изменяется, а пройденное ими расстояние уменьшается.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Автор выражает благодарность Синицыну И.А., Кукаркину В.Н., Бородину А.Н., Неупокоевой А.В., Шевченко Е.В. за помощь в работе.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются ее мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводными свойствами пленки.

2. Зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.

3. Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием.

4. Установлено, что время существования и подвижности треков в пленках зависит от химического состава и концентрации растворов, а также условий эксперимента. Динамические свойства пространственной картины дискретной дифракции (разбиения на треки) обусловлены динамикой пленкообразующей жидкости и движением инициирующего лазерного пучка.

5. Показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.

6. Параметры пространственной картины разбиения на треки зависят от свойств пленки, формы и геометрических размеров пленки. В частности, показано, что увеличение мутности пленки приводило к сильному рассеянию света и снижению контрастности картины разбиения. В системах, состоящих из нескольких изогнутых пленок, возникающие при разбиении лазерного излучения треки, распространяются в пределах той пленки, в которой они были инициированы.

7. В экспериментах не было замечено зависимости эффективности возникновения треков от плотности мощности в фокусе вводимого в пленки и растворы излучения, которая изменялась примерно от 4

2 2 Вт/см до 900 Вт/см , а также способа его ввода в пленки.

Заключение

1. Кившарь Ю.С., Агравал Г.П. Оптические солитоны. От волоконных световодов до фотонных кристаллов. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2005. - 648 с.

2. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Рецепт чуда: «лазерный луч в мыльной пленке». Препринт № 2. - М.: ФИАН, 2003. - 39 с.

3. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Чудо с лазерным лучом в мыльной пленке// Квантовая электроника. 2003. - Вып. 33, №5. - С.380-382.

4. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. О природе лазерных поляритонных треков в мыльной пленке. Препринт № 22- М.: ФИАН, 2003. - 45 с.

5. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. О природе лазерных поляритонных треков в мыльной пленке // Квантовая электроника. — 2004. — Вып. 34, №6. С. 569-571.

6. Стойлов Ю.Ю. Лазерный луч в мыльной пленке// УФН. 2004. - Т. 174, №12.- С. 1359-1369.

7. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. О двойном лучепреломлении в мыльных пленках. Препринт № 12. - М.: ФИАН, 2005. - 22 с.

8. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Дополнение к свойствам треков в мыльных пленках и о природе их образования. Препринт № 6. - М.: ФИАН, 2007. - 37 с.

9. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. — М.: Мир, 1987. 616 с.

10. Ю.Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. - 528с.

11. Будагян И.Ф. Оптоэлектронные элементы для интегральной голографии // В сб. «Материалы Шестой всесоюзной школы по голографии». Л.: ЛИЯФ, 1974 - С.507.

12. Калашников A.M., Степук Я.В. Колебательные системы. Основы радиотехники и радиолокации, вып.4. М.: Военное издательство Мин. обороны СССР, 1972.

13. Hermanson K.D. et al. Dielectrophoretic Assembly of Electrically Functional Microwires from Nanoparticle Suspensions // Science. 2001. - Vol. 294. -P.1082-1086.

14. М.Когельник Г. Введение в интегральную оптику// УФН. 1977. - Т. 121, №4, С.695-726.

15. Киселев В. А. Элементы интегральной оптики // Справочник по лазерам / Под. ред. Акад. А. М. Прохорова. В 2-х томах. Т. 2. М.: Сов. радио, 1978. -С. 91-107.

16. Пасынский А.Г. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1959. - 266 с.

17. Шейхет Ф.И. Материаловедение химикатов, красителей и моющих средств. М.: Легкая индустрия, 1969. - 324 с.

18. Ивков В. Г., Берестовский Г.Н. Липидный бислой биологических мембран. М.: Наука, 1982. - 224с.

19. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с. Англ. М.: Мир, 1997. - 624 с.

20. Мулдер М. Введение в мембранную технологию: Пер. с. Англ. М.: Мир, 1999.-513 с.

21. Cherry R. J., Chapman d. Optical properties of black lecithin films // J. Mol. Biol. 1969. - Vol. 40, N 1. - P. 19-32.

22. Джеймс T.X. Теория фотографического процесса. Л.: Химия, 1980. - 672 с.

23. Малов А.Н., Неупокоева А.В. Голографические регистрирующие среды на основе дихромированного желатина: супрамолекулярный дизайн и динамика записи. Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2006. - 344 с.

24. Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков. М.: Мир, 1982.-354 с.

25. Финкелыптейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. — М.: Книжный дом «Университет», 2002. 376 с.

26. Измайлова В.Н., Ребиндер П.А. Структурообразование в белковых системах. — М.: Наука, 1974. 268 с.

27. Зубов П.Н., Журкина З.Н., Каргин В.А. Строение студней. Получение глобулярной желатины. // ДАН СССР. 1949. - Вып. 67, №4. - С. 659-661.

28. Аскарьян Г.А. Эффект самофокусировки. Диплом на открытие № 67 с приоритетом от 22.12.1961г.

29. Аскарьян Г. А. Воздействие градиента поля интенсивного электромагнитного луча на электроны и атомы // ЖЭТФ. 1962. - Вып. 42, №6.- С. 1567-1570.

30. Chiao R. Y., Garmire Е., Townes С.Н. Self-Trapping of Optical Beams // Phys. Rev. Lett. 1964. - Vol. 13. - P. 479-482.

31. Аскарьян Г.А. Самофокусировка луча света при возбуждении атомов и молекул среды в луче // Письма ЖЭТФ. 1966. - Вып. 4, № Ю. - С. 400403.

32. Chiao R. Y., Krinsky М.А., Smith Н.А., Townes C.H., E. Garmire. A new class of trapped light filaments // IEEE Journal Of Quantum Electronics. 1966. -Vol. 2, № 9. - P. 467-469.

33. Аскарьян Г.А. Нелинейность сред из-за индуцированной деформации молекул атомов и частиц среды // Письма ЖЭТФ. 1967. - Вып. 6, № 5. -С. 672-674.

34. Аскарьян Г.А.Самофокусировка мощного луча при рождении пузырьков // Письма ЖЭТФ. 1971. - Вып. 13, № 7. - С. 395-397.

35. Сухоруков А.П. Дифракция световых пучков в нелинейных средах // Соросовский образовательный журнал. 1996. - №5. - С. 85-92.

36. Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов Р.В. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде // УФН. 1967. - Т. 93. - С. 19-70.

37. Kelley P.L. Self-Focusing of Optical Beams // Phys. Rev. Lett. 1965. - Vol. 15.-P. 1005-1008.

38. Аскарьян Г.А., Диянов Х.А., Мухамаджанов М. Новые эксперименты по образованию нити самофокусировки из фокуса луча у поверхности среды // Письма ЖЭТФ. 1971. -Вып. 14, № 8. - С. 452-455.

39. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. JL: Химия, 1974. - 400 с.

40. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порожденные дифракционной оптикой // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2004. - Т. 35, № 6. - С. 1368-1432.

41. Kerlcer М. The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation. N.Y.: Academic, 1969. 666 p.

42. Allen L., Eberly J. H. Optical resonance and two-level atoms. N.Y.: Dover, 1987.-233 p.

43. Ashkin A. et al. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles // Opt. Lett. 1986. - Vol. 11, № 5. - P. 288-290.

44. Svoboda K., Block S. M. Optical trapping of metallic Rayleigh particles // Opt. Lett. 1994.-Vol. 19, № 13.-P. 930-932.

45. Harada Y., Asakura T. Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime // Opt. Commun. 1996. - Vol. 124. - P. 529-541.

46. Moothoo D. N. et al. Beth's experiment using optical tweezers // Am. J. Phys. -2001. Vol. 69, № 3. - P. 271 -276.

47. Делоне Н.Б, Крайнов В.П. Основы нелинейной оптики атомарных газов. -М.: Наука, 1986.- 181с.

48. Крайнов В.П. Ориентация и фокусировка молекул полем лазерного излучения //Соровский образовательный журнал. 2000. - Т. 6, №4. - С. 90-95.

49. Ashkin A., Dziedzic J.M. Radiation pressure on free liquid surface // Phys. Rev. Lett. 1973. - Vol. 30, № 4. - P. 139-142.

50. Ashkin A., Dziedzic J.M., Smith P. W. Continuous-wave self-focusing and self-trapping of light in artificial Kerr media // Opt. Lett. 1982. - Vol. 7, № 6. - P. 276-278.

51. Микаэлян A. JI. Применение слоистой среды для фокусировки волн //ДАН СССР.-1951.-T.LXXXI. -С. 569-571.

52. Чу С. Лазерный захват нейтральных частиц // В Мире Науки. 1992. - № 4. С. 41-47.

53. Wright W. Н., Sonek G. J., Tadir Y., Berns M. W. Laser Trapping in Cell Biology // IEEE Journal Of Quantum Electronics. 1990. - Vol. 26, № 12. - P. 2148-2157.

54. Zhang Z.X., Sonek G.J., Wei X.B., Sun C., Bans M.W., Tromberg B.J. Cell viability and DNA denaturation measurements by two-photon fluorescence excitation in CW AlrGaAs diode laser optical traps // J. of Biomed. Opt. 1999. -Vol.4, №2.-P. 256-259.

55. Вайчас A.A., Малов A.H., Шевченко E.B. Взаимодействие лазерного излучения с макромолекулярными пленками // «Известия ВУЗов. Физика». Т. 48, № 6. - С. 69-70.

56. Вайчас А.А., Малов А.Н., Шевченко Е.В. Взаимодействие лазерного излучения с моделью биологической мембраны // Сибирский медицинский журнал. Иркутск: ИГМУ. - 2004. - №8. - С.23-26.

57. Вайчас А.А., Малов А.Н., Шевченко Е.В. Треки лазерного излучения в биоорганических пленках // «Проблемы фундаментальной физики XXI века: тезисы конференции, посвященной международному году физики». Самара: Изд-во «Универс-групп». - 2005. - С. 25-26.

58. Vaichas A.A., Malov A.N. Shevchenlco E.V. Laser tracks in soap and gelatin films // Pacific Science Review. 2005. - Vol. 7. - P. 37-40.

59. Вайчас А.А., Малов А.Н., Синицын И.А., Шевченко Е.В. Лазерные треки в жидких пленках как дифракция на локальных неоднородностях // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 15. Физика твердого тела. Фотоника и инофрмационная оптика / М.: МИФИ, 2007. С. 97-98.

60. Богдан И.В., Малов А.Н., Выговский Ю.Н., Загайнова Ю.С., Малов С.Н., Молоцило В.Ю., Петров А.А., Рейнганд Н.О. Лазерный отжиг коллоидных регистрирующих сред для голографии // ДАН. 2002. - Т. 382, № 6. - С.

61. Reinhand N.O., Malov A.N., Vigovsky Yu.N., Bogdan I.V., Molocilo V.Yu., Petrov A.A. Non-traditional dichromated gelatin recording media synthesis technologies for holography // Proceedings of SPIE. 2003. - Vol. 5134. - P. 162- 172.

62. Жижин Г.Н., Киселев C.A., Кузик Г.А., Яковлев В.А. Моделирование процесса интерференции ПЭВ и объемного излучения // Компьютерная оптика. 1989.-№4.-С. 71-77.

63. Ахманов С. А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд-во Моск. унта, 1998.-656 с.

64. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. - 720 с.

65. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. - 478

66. Толстых П.И., Клебанов Г.И., Шехтер А.Б., Толстых М.П. Антиоксиданты и лазерное излучение в терапии ран и трофических язв. М: Издательский дом «Эко», 2002. - 240 с.

67. Голуб И.Е., Малов А.Н., Неупокоева А.В., Сорокина Л.В., Ковыршин А.В. Лазерные медицинские технологии: от наномасштабов до организма в целом. Иркутск: ИГМУ, 2007. - 148 с.754.759.с.