Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей

Орлов, Валерий Александрович

Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Орлов, Валерий Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1999 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей»

Автореферат диссертации на тему "Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей"

С.

V»" «фр На правах рукописи

^ т/^сла^от

ОРЛОВ Валерий Александрович

ЛАЗЕРНЫЕ ГЕТЕРОДИННЫЕ ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И

СКОРОСТЕЙ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1999

Работа выполнена в Институте лазерной физики Сибирского отделения Российской Академии Наук (ИЛФ СО РАН, г.Новосибирск)

Научный руководитель: академик С.Н.Багаев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.М.Тумайкин доктор физико-математических наук, профессор В.М. Клементьев

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН

часов на

Защита диссертации состоится года в час

заседании специализированного совета К200.18.01 при Институте лазерной физики СО РАН по адресу 630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.

Автореферат разослан

1999 г.

Ученый секретарь

специализированного совета к.ф.- м.н.

(

; !

Н.Г. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Вопросы точного измерения перемещений и скоростей будут всегда занимать в науке и технике исключительно важное место, поскольку движение является основой всех процессов, протекающих в окружающем нас мире. Существуют различные методы контроля и измерения указанных величин, однако наибольшим преимуществом обладают оптические, основанные на явлениях интерференции света и доплеровского сдвига частоты. Большие потенциальные возможности методов классической оптики по существу начали проявляться только после создания лазеров, источников когерентного высокомонохроматического излучения. С их появлением в оптике, в частности, возникло новое направление - лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия [1,2]. Исследования в этом направлении показали, что лазерные методы и средства позволяют дистанционно, в условиях пренебрежимо малых квантово-механических возмущений, т.е. по существу бесконтактным способом, измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне измеряемых величин. Существенное развитие универсальных лазерных методов фазочувствительной спектроскопии стало возможным благодаря созданию высокостабильных квантовых генераторов с узкой спектральной линией [3, 4]. В связи с этим расширилась сфера научных и технических приложений самих методов. В настоящее время лазерные системы служат метрологической основой большого поля измерительной техники в таких областях как дальнометрия, анемометрия, деформо-графия, локация, спектроскопия светового рассеяния и т.д. Они также являются мощным научным инструментом в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы, химии, биологии, медицине. В зависимости от сложности решаемых задач адекватно возрастают и требования к совершенствованию самих лазерных методов и средств измерения.

К началу наших работ, одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения медико-биологических и ряда других приложений, являлась про-

блема измерения малых скоростей (<1 мкм/с) рассеивающих микрообъектов таких, как клетки, белки и т.д. Задача лазерного метода таких измерений, например в биомедицине, состоит в том, чтобы по регистрируемым физическим характеристикам (размер, форма, скорость, концентрация, молекулярный вес и др.) микронных и субмикронных частиц биологической, как правило, жидкой среды, определять патологические изменения в исследуемых объектах. Регистрировать напрямую низкие поступательные скорости частиц, обусловленные седиментационным, тепловым броуновским движением или собственной двигательной активностью с помощью традиционного метода лазерной доплеров-ской анемометрии невозможно из-за низкого его спектрального разрешения (Ду»б0-н100 Гц).

Другая проблема, решение которой открывает большие возможности использования лазерных интерферометров - это измерение малых относительных перемещений объектов на больших расстояниях в присутствии естественных атмосферных возмущений. Например, использование таких дистанционных наземных лазерных систем в геофизических измерениях малых деформаций земной коры позволяет более эффективно решать практические вопросы поиска и регистрации предвестников землетрясений, с целью их прогнозирования. Создаваемые в последние годы у нас в стране и за рубежом бесконтактные лазерные деформографы с базой до 1000 м, как правило, размещаются в подземных (естественных или искусственных) штольнях. При этом, для уменьшения влияния атмосферы на трассе распространения лазерного луча, связанного с изменением температуры, давления и влажности воздуха, измерительное плечо интерферометра экранируют с помощью вакуумпровода или помещают его в герметичный лучевод с избыточным давлением газа. Идея такого способа экранировки не нова и впервые была реализована в [5, 6]. Несмотря на достаточно высокую относительную чувствительность таких систем, дорогостоящая техника выработки протяженных искусственных тоннелей, необходимость применения вакуумных и герметичных лучеводов, отсутствие возможности реализовать многолучевые радиальные схемы измерения, а также мобильные лазерные сис-

темы в зонах повышенной сейсмической активности существенно ограничивает их использование в геодинамическом мониторинге напряженно-деформированного состояния земной поверхности.

Данная диссертационная работа посвящена разработке физических решений, развивающих гетеродинные фазовые методы и средства с использованием высокостабильных лазеров, позволяющих реализовать сверхвысокую точность и чувствительность измерения малых перемещений и скоростей на качественно новом уровне.

Цель и задачи работы Цель настоящей работы состоит в проведении физических исследований фазочувствительных гетеродинных лазерных методов измерения ультрамалых перемещений и скоростей, разработка на их основе прецизионной принципиально новой лазерной аппаратуры:

а) лазерного измерителя перемещений для экспериментальной геофизики и сейсмологии, способного с высокой чувствительностью и в широком частотном диапазоне регистрировать малые деформации земной коры в условиях открытой атмосферы с целью непрерывного геодинамического мониторинга и поиска предвестников землетрясений;

б) высокочувствительного лазерного спектрометра светового рассеяния, пригодного для диагностики низкоскоростных микрообъектов в биомедицине.

В задачи работы входило:

- Разработка гетеродинного метода регистрации малых перемещений на основе синхронизованных по фазе лазеров и исследование возможности его применения для дистанционных измерений на открытых протяженных трассах.

- Проведение исследований по разработке методики измерения инфранизких скоростей и изучение возможности ее применения для определения физических параметров движения микрообъектов в биологических жидкостях.

Научная новизна Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые.

• Предложен и экспериментально обоснован гетеродинный фазочувствитель-ный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях в условиях открытой атмосферы с использованием синхронизованных по фазе лазеров. Показано его существенное преимущество в условиях протяженных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными интерфе-рометрическими системами регистрации деформаций земной коры.

• Экспериментально показано, что вследствие частотно-фазовых флуктуаций лазерного излучения в атмосфере, относительная чувствительность разработанных лазерных методик непрерывного измерения деформаций земной поверхности на базах Ь>1 км ограничена в диапазоне периодов собственных и приливных колебаний Земли величиной ~10"7. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазового лазерного деформогра-фа, позволяющая в приливном диапазоне колебаний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10"8-10-9.

• С помощью гетеродинной лазерной системы на базе 1 км зарегистрированы детерминированные колебательные перемещения порядка 1 мкм на частоте ~1 Гц. Разработанными С02- лазерными дифференциальными методиками в режиме непрерывных фазовых измерений на базе ~1.7 км зарегистрированы приливные деформации горных пород в условиях разломов земной коры с амплитудой ~2 мм.

• Выявлены два вклада в уширение спектральной линии лазерного излучения при прохождении его в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери пространственной и временной когерентности. Установлено, что ширина линии излучения зависит от метеоусловий на трассе и в среднем подчиняется зависимости Г что хорошо согласуется с известными теоретическими выводами. Экспериментально подтверждено наличие на высоких частотах асимптотической зависимости для спектральной плотности частотных флуктуаций.

• Гетеродинным Не-№-лазерным деформографическим комплексом, специально разработанным для измерений в присутствии атмосферы с высокой относительной чувствительностью 10"9 - Ю"10 на базах до 100 м, получены длинные ряды наблюдений (длительностью от одного месяца до одного года) по регистрации деформаций земной коры в штольне Байкальской рифто-вой зоны (БРЗ).

• С помощью лазерных наблюдений в штольне БРЗ обнаружены особенности в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых в виде значительных вариаций скорости деформации земной коры за несколько суток до сейсмического события. Использование таких высокочувствительных непрерывных наблюдений в геофизической практике позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.

• Теоретически и экспериментально показано, что линия рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемая созданным спектрометром светового рассеяния с разрешающей силой К>1015, определяется лоренцевым спектральным контуром, полуширина которого не зависит от направления и угловой апертуры регистрируемого рассеянного излучения и равна произведению коэффициента трансляционной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими монохроматическими излучениями. Осуществлено прямое наблюдение уширения спектральной линии рассеяния, обусловленное броуновским движением микрочастиц размером >10 мкм.

• В спектре рассеяния на частицах латекса в воде с размерами (1=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. Выявлено дополнительное уширение узкой лоренцевой части линии рассеяния при концентрациях латекса выше 10м см"3, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами.

• Зарегистрированы в динамике скорости оседания эритроцитов в физиологическом растворе порядка нескольких микрометров в секунду, как в единичном режиме седиментации клеток, так и в условиях конгломерации. Обнаружены специфические особенности собственного движения бактериальных клеток Escherichia coli в водных суспензиях. Последними исследованиями показано, что детектирование отличительных динамических характеристик собственной подвижности различных видов микроорганизмов может быть положено в основу экспресс-метода их идентификации без привлечения трудоемких биологических методик.

Практическая иенность

Разработан, экспериментально исследован и внедрен лазерный гетеродинный измеритель малых перемещений для систематических геофизических наблюдений за деформациями земной коры на полигонах Института земной коры СО РАН, Ташкентского государственного университета и Института лазерной физики СО РАН в Горном Алтае.

Разработан и экспериментально исследован прецизионный спектрометр светового рассеяния со спектральным разрешением Av/v~ 10~15 на основе синхронизованных по.фазе лазеров для автоматизированных измерений физических параметров микрочастиц (скорость, размер, концентрация) и осуществлено его внедрение в биомедицинские исследования. Планируется внедрение спектрометра в практику экологического мониторинга и порошковых технологий.

Разработки по созданию лазерного деформографа и спектрометра светового рассеяния защищены патентами на изобретения: №1362923, №1748058, №2082085.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

ровать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне частот с относительной чувствительностью ~10'7 и детерминированные колебательные смещения в секундном диапазоне периодов на уровне 10"9.

2. Разработанный Не-№-лазерный деформограф с коротким компенсационным интерферометрическим плечом длиной ~1м обеспечивает на базах до 100 м в присутствии атмосферы в условиях штольни проведение измерений деформаций горных пород в диапазоне периодов колебаний 102 - 107 с с относительной амплитудой на уровне 10"9 — Ю'10 и позволяет регистрировать особенности деформационных процессов сейсмической зоны в земной коре накануне землетрясений, как предвестники сейсмособытий.

3. Созданный спектрометр светового рассеяния на основе синхронизованных по фазе лазеров с длиной волны А.Ю.63 мкм обладает разрешающей силой Ы > 1015 и позволяет по регистрируемым доплеровскому сдвигу частоты и ширине линии рассеяния измерять инфранизкие скорости V < 1 мкм/с и характеристики броуновского движения микрообъектов живой и неживой природы в диапазоне размеров 0.01<<3<100 мкм.

4. Теоретически и прямыми экспериментальными наблюдениями установлено, что в дифференциальной схеме лазерного спектрометра форма линии рассеяния броуновскими сферическими частицами одинакового размера имеет лоренцев спектральный контур с полушириной, определяемой произведением коэффициента поступательной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими полями (Г = Dql), независимо от направления и угловой апертуры регистрируемого рассеянного излучения.

град, 1987); Межотраслевом экспертном совете при СМ СССР (Москва, 1988); Всесоюзном совещании "Развитие сейсмологических и геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке (Иркутск, 1988); I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1989); Международной конференции "Лазеры и медицина" (Ташкент, 1989); Всесоюзном семинаре "Лазерные стандарты частоты и времени" (Новосибирск, 1990); Школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1991); XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1991); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); 2nd International Symposium "Modem Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997). В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на Лейп-цигской ярмарке, где был удостоен диплома и золотой медали.

Публикации По теме диссертации в соавторстве опубликовано 24 печатных работы.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 172 страницы машинописного текста, 62 рисунка и 3 таблицы, библиографические названия в количестве 146 ссылок занимают 12 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведен перечень конференций, на которых докладывались основные результаты диссертационной работы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней представлены физические основы и современное состояние лазерной интерферометрии перемещений и доп-

леровской анемометрии.

В 1.1 кратко перечислены основные оптические методы измерения скоростей и перемещений и с единых позиций описаны физические принципы, лежащие в их основе.

В 1.2 дано описание наиболее часто применяемых на практике оптических схем лазерных доплеровских измерителей скоростей и лазерных интерферометров перемещений. Проанализированы основные факторы, ограничивающие чувствительность и разрешение известных лазерных систем к измерению малых перемещений и скоростей. Среди многообразия методов, позволяющих успешно решать поставленные задачи, как наиболее перспективные, выделены гетеродинные, использующие оптическое смешение световых полей со сдвигом частоты.

В 1.3 рассмотрены практические аспекты лазерной интерферометрии перемещений и доплеровской анемометрии. Перечислен ряд конкретных приложений. Прослежены тенденции развития интерферометрических измерительных систем.

В 1.4 обсуждается проблема измерения малых линейных перемещений и скоростей лазерными методами. Анализ показал, что среди известных интерферометрических лазерных систем, используемых в задачах измерения перемещений и скоростей наибольшими возможностями обладают гетеродинные, применяющие метод оптического смешения со сдвигом частоты. При разработке нового методического подхода, позволяющего достичь высокой инструментальной фазовой чувствительности и решать поставленные проблемы, необходимо было сделать выбор в пользу той гетеродинной лазерной системы, в которой двухчастотное когерентное излучение имеет низкий уровень флуктуаций мощности и высокую стабильность разности частот. Именно таким требованиям удовлетворяет система двух узкополосных синхронизованных по фазе лазеров, ранее эффективно используемая в технике стабилизации и абсолютного измерения частот [7]. Однако, взяв за основу использование такой лазерной системы в задачах измерения малых деформаций земной коры в условиях от-

крытой атмосферы и инфранизких скоростей слабо рассеивающих микрообъектов необходимо было экспериментально подтвердить высокую эффективность выбранного направления [8]. Для этого требовалось провести ряд дополнительных исследований.

При работе над проблемой большебазовой интерферометрии перемещений необходимо было решить следующие задачи:

- Исследовать влияние нестационарной атмосферы на чувствительность гетеродинного лазерного интерферометра перемещений в зависимости от метеоусловий, протяженности измерительной трассы и времени наблюдения в течении суток.

- Выявить роль атмосферной турбулентности в снижении чувствительности интерферометрической системы к малым перемещениям.

- Разработать новые схемы большебазовых фазочувствительных лазерных систем, позволяющих исключить влияние медленных суточных вариаций показателя преломления воздушной среды на протяженных измерительных трассах и путем прямых измерений регистрировать деформационные процессы в земной коре с целью поиска первичных предвестников землетрясений.

В случае проблемы измерения малых скоростей микрообъектов на основе метода светового рассеяния требовалось разработать высокоразрешающий спектрометр, чувствительный к низким уровням рассеяния с целью создания новой методики измерения физических параметров микрочастиц, таких как размер, скорость, концентрация и др. в диагностике биообъектов.

Вторая глава посвящена исследованию спектральной линии лазерного излучения, прошедшего протяженную атмосферную трассу. Значительная часть представленного в этом разделе материала связана с экспериментами в атмосфере, поскольку основным фактором затрудняющим измерение малых перемещений на открытых оптических трассах является воздушная среда.

В 2.1 дано описание гетеродинного фазочувствительного лазерного изме-

рителя малых перемещений на больших расстояниях. В его основу положена двухчастотная интерферометрическая система с двумя синхронизованными по фазе лазерами (см.рис.1). Принцип действия разработанной в ИЛФ СО РАН

тепесзсолы

Рис. 1 Гетеродинная лазерная система для дистанционных фазовых измерений.

системы состоит в непрерывной регистрации изменения фазы волны во времени, обусловленного эффектом Доплера при отражении излучения от движущегося объекта так, что

= (1)

где А! - регистрируемое перемещение, Л<р(1) и 0.(1) - разность фаз и частотный доплеровский сдвиг, зависящие от времени, а Т - время измерения. Наряду с двумя лазерами схема измерителя включает блок формирующей и приемной оптики, а также регистрирующий вычислительный комплекс. Фазовая синхронизация излучений лазеров осуществляется с помощью быстродействующей электронной системы частотно-фазовой автоматической подстройки (ЧФАП). Излучение зондирующего лазера проходит по трассе через атмосферу до зеркального или уголкового отражателя, жестко связанного с перемещающимся

объектом. Далее, излучение тем же путем возвращается обратно и смешивается на фотодетекторе с излучением другого лазера - гетеродина. Величина перемещения за время измерения определяется из анализа разности фаз двух сигналов на частоте 1 МГц, полученных с фотоприемников, установленных в опорном и измерительном плечах. Изменение разности фаз на величину 2л реверсивный счетчик регистрирует как перемещение объекта на половину длины волны излучения.

В 2.2 на основе существующей теории распространения света в турбулентной атмосфере приведен анализ приближенного решения волнового уравнения, в котором показатель преломления является случайной функцией координат и времени и, согласно теории Колмагорова-Обухова, описывается структурной функцией

Д„(р) = ([П(г + р)-и(г)]2) = С„У'3 (2)

где СI - структурная характеристика показателя преломления, р - пространственное разнесение, а { ) означает усреднение по пространству. Флуктуации фазы, которые наблюдаются экспериментально, в соответствии с (2) должны описываться структурной функцией

ОМ = {Ыг + Р)~ РМГ) = 2.92 С,2* V3 (3)

для 1о«р«Ьо, где к - волновой вектор, Ь - пройденное излучением расстояние, а 10 и Ь0, соответственно, внутренний и внешний масштабы турбулентности. Пользуясь известной гипотезой «замороженности», пространственные статистические характеристики флуктуаций фазы можно перенести на временные, заменив р на Ух/, где - поперечная по отношению к трассе составляющая скорости ветра. Экспериментальная зависимость Х> (0 позволяет количественно исследовать уровень нестационарного фазового шума, а также определять внешний масштаб турбулентности Ьо и структурную характеристику флуктуаций показателя преломления С\.

В 2.3 описана методика и представлены результаты экспериментального

изучения спектральных характеристик лазерного излучения с длиной волны 1=0.63 мкм, прошедшего в турбулентной атмосфере. С помощью гетеродинной лазерной системы на базах до одного километра экспериментально исследовано поведение ширины спектральной линии

Рис.2 Зависимость ширины линии лазерного излучения от базы.

излучения в зависимости от метеоусловий, длины трассы и времени наблюдения в течение суток (см.рис.2). Показано, что ширина линии зондирующего излучения зависит от всех перечисленных параметров и в среднем подчиняется закону Г = 41, не противоречащему известным теоретическим моделям, описывающим распространение когерентного излучения в турбулентной атмосфере. Одновременными независимыми исследованиями спектральной плотности амплитудных и частотных флуктуаций лазерного поля показано, что уширение линии излучения вследствие нестационарности воздушной среды имеет два вклада и связано с потерей, соответственно, пространственной и временной когерентности зондирующей волны. На высоких частотах, согласно известным теоретическим представлениям, обе спектральные плотности имеют асимптотическую зависимость /~т, наблюдаемую для частотных вариаций впервые. Третья глава посвящена исследованию возможностей измерения малых относительных перемещений на больших расстояниях в условиях открытой атмо-

сферы.

В 3.1 представлены экспериментальные исследования фазовых флуктуации лазерного излучения на длине волны Х=0.63 мкм в условиях открытой протяженной трассы. Проанализированы данные, полученные в горном районе Ташкентской области (п. Кумышкан). В этих экспериментах с помощью гетеродинной Не-№-лазерной системы в открытой атмосфере на базе 1 км зарегистрированы детерминированные перемещения порядка 1 мкм на частоте 0.5 Гц (см.рис.З).

0 20 40 60 ъс

Рис.3 Фрагмент регистрации перемещений на базе Ь= 1 км.

Лазерная система в режиме непрерывной фазовой регистрации на базе ¿=50 м позволила по насыщению временной структурной функции фазы и измеренному значению скорости ветра на трассе распространения излучения определить внешний масштаб турбулентности атмосферы ¿0 и структурный коэффициент показателя преломления С]. Показано, что уровень среднеквадратичной амплитуды флуктуаций оптической длины измерительной базы за времена т«10 с составил в относительных единицах величину ~3-10"7. По регистрируемым относительным фазовым флуктуациям в разнесенных оптических каналах определены структурный коэффициент показателя преломления и радиус когерентности лазерного поля в турбулентной атмосфере.

В 3.2 приведено описание болылебазовых СС^-лазерных систем и результаты их испытаний. Учитывая специфику распространения лазерного излучения в атмосфере на коротких длинах волн 1<1 мкм, характеризуемую глубокими замираниями фотоэлектрического сигнала при гетеродинном приеме, наи-

более предпочтительным в большебазовых измерениях оказалось использование ССЬ-лазеров. Кроме того, лазеры с длиной волны в области Х.=10.6 мкм имеют большую мощность 1-10 Вт, а их излучение характеризуется малым затуханием в атмосфере. Главным препятствием в эффективном применении таких лазеров в дистанционных измерениях малых деформационных смещений земной поверхности оставался точный учет суточных изменений показателя преломления атмосферы, приводящих к фазовым вариациям зондирующего излучения, существенно превышающим фазовый сигнал, обусловленный подвижками земной поверхности. При решении этой проблемы в результате исследований удалось найти два методических подхода, использующих в своей основе дифференциальный принцип измерения малых относительных перемещений на больших расстояниях. Первый основан на одновременном зондировании различных трасс одноволновым лазерным излучением, второй - на регистрации вариаций оптической длины единственной трассы при одновременном зондировании ее излучением на двух длинах волн. Отработка указанных методик проводилась на специально созданном ИЛФ СО РАН научно-исследовательском полигоне «Кайтанак».

Испытания равноплечной схемы С02-лазерного деформографа с базой 1 -2.5 км показали, что амплитуда флуктуаций разностного фазового сигнала, вызванного нестационарностью атмосферы зависит от угла 9 между зондирующими лазерными пучками, когда последний изменяется в пределах нескольких градусов. Установлено, что при углах 9>10° флуктуации фазы в обоих плечах деформографа являются независимыми, соответствуя относительным вариациям оптических длин плеч на уровне 10"7. Показано, что малая инструментальная чувствительность к перемещениям самой разностной схемы при углах ~10° не позволяет напрямую регистрировать естественные деформации земной коры в диапазоне периодов собственных и приливных колебаний. Обнаружить эти колебания удается только после структурного и спектрального анализа.

Девяностоградусная одноволновая схема СОг-лазерного деформографа с

длинами плеч 1,1=1140 м и Ь2=1670 м путем прямого вычитания скоррелиро-ванных фазовых вариаций двух сигналов, обусловленных суточными изменениями показателя преломления атмосферы позволила зарегистрировать приливные колебания земной поверхности ~2 мм. Обнаруженная большая относительная амплитуда приливных деформаций ~10"6 интерпретирована как результат присутствия в зоне наблюдения глубинных разломов в земной коре, обладающих интегрирующим свойством по отношению к деформационным смещениям.

ОТ СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ

ЭЛЕКТРОННЫЙ &ЛОКЧОАЛ ЛАЗЕРОВ

ДШ

С02 ЛАЗЕР ЛИНИЯК И

С02 ЛАЗЕР ЛИНИЯИ1В

УСИЛИТЕЛЬ

мощности

«СИНТЕЗАТОРУ ЧАСТОТ

• МГц

АОМ

Л МГц

'Г 'Г

ГЕНЕРАТОР НА ДИОДЕ ГАННА ЗЭ975МГ«

ОТ СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ

г МГц I

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

Х|,Х|

АОМ 31МГц

УСИЛИТЕЛЬ МОЦНОСТИ

Л «Гц * у

СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ 41-74

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТРАССА: 117« МЕТРОВ.

•ОТОПРИ (КНИК НдС4Та

«гг. I—-| и МГц

г!>н— а-ЧЯ-Г4

40®' ш

и МГц

БЛОХ ОПОРНЫХ ЧАСТОТ

<8>

1МГц I

К БЛОХУ ЧФАЛ

»МГц

ДАТЧИК Ш1ЛЕРМУ-

ДАТЧИХ ДАВЛЕНИЯ

1_Г

РЕГИСТРИРУЮЩАЯ ЭВМ

О!

1 МГц

КОС И11Ш

СЕЙСИО-ДАТЧИК

Рис.4 Блок схема двухволнового большебазового лазерного измерительного

комплекса.

Двухволновая схема С02-лазерного деформографа с разнесением частот двух лазеров на величину ~40 ГТц (см.рис.4) с относительной нестабильностью на уровне 10'13 и одновременном контроле температуры и давления в одной «точке» оптической трассы позволило зарегистрировать на базе ~\Л км абсолютную приливную деформацию земной коры с амплитудой ~2 мм (см.рис.5) и подтвердить результаты, полученные в одноволновой разностной схеме измерений.

В 3.3 анализируются возможности повышения чувствительности больше-базовых измерений деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема регистрации малых перемещения на больших расстояниях, позволяющая в приливном диапазоне периодов повысить чувствительность деформографичесикх измерений до уровня 10~8 - 10"9, т.е. на один - два порядка по сравнению с достигнутым пределом.

(1, мкм

Рис.5 Сигнал деформации, зарегистрированный двухволновым лазерным

деформографом.

В четвертой главе приводятся результаты геофизических исследований, выполненных в штольне Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Описываются постановка задачи и методика деформографических лазерных измерений в сейсмически активном регионе Российской Федерации. Цель этой методической работы - исследовать возможности регистрация предвестников землетрясений.

В 4.1 описана работа лазерного гетеродинного деформографического комплекса в условиях геофизической штольни. С помощью его были получены первые результаты по регистрации деформаций горных пород в условиях отсутствия экранировки измерительных плеч интерферометрической системы от влияния воздушной среды. Экспериментами показано, что Не-Ые-лазерный гетеродинный деформограф с двумя равными ортогональными измерительными плечами позволяет без экранировки зондирующего излучения в условиях штольни регистрировать разностную приливную деформацию земной коры с относительной чувствительностью на уровне 10"9.

В 4.2 приведены результаты деформографических наблюдений по регистрации в штольне собственных колебаний Земли. Результаты получены в рав-ноплечной девяностоградусной схеме наблюдения. Спектры деформограмм, выделенные с помощью быстрого преобразования Фурье позволили получить дискретный набор частот, соответствующий собственным колебаниям Земли с периодами от нескольких минут до одного часа и относительной амплитудой 10*+КГ10.

Высокочастотный деформационный шум, обнаруженный в записях, анализировался с помощью временной структурной функции. Наличие шума на временах т<30 с интерпретировано как результат действия конвективной турбулентности воздуха в штольне.

В 4.3 на нескольких примерах обсуждаются результаты экспериментального наблюдения особенностей в деформационном сигнале, предваряющих землетрясения. С помощью лазерных наблюдений в штольне БРЗ обнаружено аномальное поведение деформационного процесса в горной породе (см.рис.6)

27 12 88 29 0112 88 3 5 7 09.12 88 11

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

Рис.6 Аномальное поведение деформаций накануне сильных далеких землетрясений: а-Спитак 1988 г., б-Кобэ 1995 г.

накануне ряда далеких (Спитак 1988, Кобэ 1995) и региональных (Байкальск 1988, Иркутск 1995 и др.) землетрясений, проявляемое за несколько суток до сейсмособытия в виде значительных вариаций скорости деформации земной коры.

Раздел 4.4 посвящен дальнейшему развитию гетеродинной лазерной методики измерения малых смещений в присутствии атмосферы. В результате исследований разработана и экспериментально реализована лазерная интерферо-метрическая система с опорным компенсационном плечом. Без специальной экранировки каждого из двух измерительных плеч в такой системе удалось ис-

ключить влияние медленных суточных вариаций метеопараметров на деформационный сигнал и поднять относительную чувствительность к перемещениям в приливном диапазоне частот более чем на два порядка, достигнув величины 10~9 (см.рис.7). С помощью созданного двухканального автоматизированного деформографического комплекса в штольне БРЗ в настоящее время проводятся систематические режимные наблюдения за деформациями горных пород длительностью от нескольких месяцев до года.

Рис.7 Фрагмент деформационной записи в штольне БРЗ с 8 по 19 ноября 1997 г.

В пятой главе описывается методика измерения физических параметров микрочастиц, движущихся с малыми скоростями. Далее приводятся результаты исследований, выполненных с помощью лазерного высокоразрешающего (11>1015) спектрометра светового рассеяния, а также проанализированы экспериментальные данные по рассеянию, полученные на компонентах крови, молока и др.

В 5.1 описан физический принцип работы дифференциальной схемы спектрометра светового рассеяния. В нем используются два когерентных зондирующих световых потока различной частоты, сфокусированных под углом друг к другу в исследуемый объект. Основу спектрометра составляют два Не-Ые лазера мощностью ~1 мВт, синхронизованных между собой по фазе с помощью быстродействующей электронной системы ЧФАП. Частотный сдвиг в спектрометре УгУ2=1 МГц и его стабильность задаются опорным радиогенера-

тором. В случае низкоконцентрированной рассеивающей среды (гЛ3«1) осциллирующая часть корреляционной функции интенсивности рассеяния описывается выражением

Ст(т) = АЕ4(соз{ч[г(г + т) - г(0]~ Пг}) (4)

где N -число частиц, Е - амплитуда поля, я = к,-к2, С1=а)1-а>2, г(1 + т)-г(т) = Щг) - траектория рассеивающей частицы, перемещающейся из области г(0 в положение г(/ + г) за время т. Применяя для усреднения (4) по ансамблю частиц р(К,т) - вероятность нахождения частицы в точке II в момент времени г, подчиняющейся уравнению Фоккера-Планка

& + = 0 (5)

¿>7

были получены для корреляционной функции и спектра сигнала рассеяния, соответственно, выражения:

С(2)(г) = ЛЖ4е-°">-'(П-'у''" (6)

8(а>) = №1

РтЯ2/л

(7)

где V,/ - скорость дрейфа (седиментации) частиц, а Бт - коэффициент трансляционной диффузии. Важным свойством полученного лоренцева распределения (7) является то, что его полуширина Т=Отд2 так же как и доплеровский сдвиг максимума определяется только разностным волновым вектором д = к, - кг и не зависит от направления и угловой апертуры приема рассеянного излучения.

В 5.2 представлены спектрометрические исследования формы и сдвига линии рассеянного света броуновскими частицами.

В спектральной плотности сигнала рассеяния на частицах латекса в воде размером <1=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. При концентрациях латекса выше 1011 см"3, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами, наблюдается дополнительное уширение узкой лоренцевой части линии рассеяния.

Показано, что высокое спектральное разрешение разработанной аппаратуры позволяет проследить во времени динамику эритроцитов в физиологическом растворе. Из измеренных доплеровских частотных сдвигов (см.рис.8б) определены скорости оседания клеток крови человека (порядка нескольких микрометров в секунду), как в единичном режиме седиментации, так и в условиях конгломерации.

Выявлено, что при рассеянии света на компонентах крови без эритроцитов (в плазме и ее водных растворах) доплеровский сдвиг в спектре не регистрируется, а ширина линии рассеяния определяется броуновским движением тромбоцитов, размер которых ё~1 мкм (см.рис.8а).

эритроцитов, б - эритроциты в физиологическом растворе.

Анализ спектров рассеяния на водных растворах молочных сливок при всплывании жировых частиц позволил по измеренной скорости всплывания оценить их средний радиус г=9 мкм.

В 5.3 рассмотрены вопросы использования спектрометра в задачах экспресс-диагностики таких физических параметров, как скорость, плотность, концентрация, размер и др. Описано использование вычислительной техники для автоматизации процесса измерений. Последующие усовершенствования

I t, с

5.00

ЧГц

Рис.9 Сигнал рассеяния на движущейся бактерии Escherichia и спектральные характеристики его фрагментов: а - временная развертка, b - спектр фрагмента сигнала (а) в интервале 1.0 -3.2 с, с - спектр фрагмента сигнала (а) в интервале 3.2 - 5.0 с. Начальная фаза движения бактериальной клетки соответствует движению с измеряемой вертикальной составляющей скорости 21 мкм/с. Об этом свидетельствует частотный доплеровский сдвиг (Ь). Далее бактерия резко изменила направление движения на угол близкий к 90°. В соответствующем спектре доплеровский сдвиг практически отсутствует (с). Пульсации, наблюдаемые в начальной фазе движения, соответствуют незавершенным колебаниям на частоте опорного сигнала и интерпретируются как моменты полной остановки флагеллярного мотора.

методики регистрации и обработки сигналов, связаны с применением для записи сигнала аналого-цифрового преобразователя и современной вычислительной техники. Качественно новый уровень техники спектроскопии светового рассеяния оказался плодотворным при изучении собственной подвижности бактериальных клеток (см.рис.9). Специально разработанная методика анализа амплитудных и частотно-фазовых характеристик сигналов рассеяния на одиночных частицах микронного размера, движущихся с малой скоростью, позволила на большом экспериментальном материале получить уникальные результаты по выявлению специфических особенностей собственного движения различных видов бактерий. Детектирование отличительных динамических характеристик собственной подвижности одиночных микроорганизмов открывает новые возможности в создании экспресс-методов их видовой идентификации.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Впервые предложена методика измерения малых-линейных перемещений на больших расстояниях на основе созданной гетеродинной фазочувствитель-ной лазерной системы с использованием двух синхронизированных оптических квантовых генераторов. Показано ее преимущество в условиях протяженных атмосферных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными интерферометрическими системами.

2. Про ведены исследования влияния нестационарной атмосферы на чувствительность гетеродинного лазерного интерферометра перемещений. Экспериментально показано, что интенсивность атмосферного шума, проявляющегося в уширении спектральной линии зондирующего излучения зависит от метеоусловий, протяженности трассы и времени наблюдения в течение суток. Впервые установлено, что в среднем ширина линии излучения прошедшего трассу длиной Ь подчиняется закону Г ~ -Л, что хорошо согласуется с теорией.

3. Независимым экспериментальным изучением спектральной плотности частотных и амплитудных флуктуаций лазерного поля выявлены два вклада в уширение линии излучения в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери его пространственной и временной когерентности. Показано, что обе спектральные плотности на высоких частотах имеют асимптотическую зависимость , впервые экспериментально наблюдаемую для частотных вариаций.

4. В режиме непрерывных фазовых измерений с помощью Не-Ие лазерной системы определены радиус когерентности лазерного поля в турбулентной атмосфере, а также внешний масштаб турбулентности и структурный коэффициент показателя преломления. Показано, что относительный уровень среднеквадратичных флуктуаций оптической длины измерительной базы за времена усреднения порядка и более 10 секунд составляют величину ~10'7. В специальном эксперименте зарегистрированы детерминированные перемещения порядка 1 мкм на частоте 0.5 Гц. Вследствие полного замирания фотоэлектрического сигнала при гетеродинном приеме на базах Ь»100м экспериментально обоснован переход от системы с длиной волны 0.63 мкм к системе с длиной волны 10.6 мкм.

5. Представлены результаты разработки и исследования новых гетеродинных лазерных систем регистрации деформаций земной коры на больших расстояниях, основанные на дифференциальном принципе исключения влияния метеорологических условий. Одна основана на одновременном зондировании двух трасс одноволновым лазерным излучением, вторая - на регистрации вариации длины единственной трассы при одновременном зондировании ее на двух длинах волн. Экспериментально показано, что относительная чувствительность обеих схем к перемещениям на базах порядка 2 км, определяемая величиной порядка 10'7, позволяет в условиях разломов земной коры регистрировать приливные деформации.

6. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазо-вого лазерного деформографа, позволяющая в приливном диапазоне колеба-

ний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10~8 - 10"9.

7. Экспериментально показано, что Не-Ые лазерный гетеродинный деформо-граф с двумя равными ортогональными измерительными плечами без экранировки зондирующего излучения в условиях штольни позволяет регистрировать вариации разностной деформации земной коры в приливном диапазоне периодов от полусуток до года с относительной чувствительностью 10" 9, а также собственные колебания Земли с абсолютной амплитудой смещения на уроне 5-(10"2 -10"3) мкм.

8. С помощью лазерных наблюдений в штольне Байкальской рифтовой зоны обнаружены особенности в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых в виде значительных вариаций скорости деформаций земной коры за несколько суток до сейсмического события, что очень важно в изучении закономерности проявления предвестников землетрясений.

9. Разработан и внедрен в практику круглогодичных наблюдений в штольне БРЗ двухканальный автоматизированный лазерный комплекс с компенсационным коротким плечом, позволяющий непрерывно регистрировать в присутствии атмосферы абсолютную деформацию земной коры в каждом из двух ортогональных измерительных плеч с относительной чувствительностью в приливном диапазоне частот на уровне 10"9.

10. Впервые разработана методика измерения сверхнизких скоростей микрочастиц У<1 мкм/с на основе созданного гетеродинного дифференциального спектрометра светового рассеяния с использованием двух Не-Ые лазеров синхронизованных между собой по фазе с разрешением < 0.1 Гц. Теоретически и экспериментально показано, что уширение линии рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемое спектрометром определяется лоренцевым спектральным контуром, ширина которого не зависит от направления и угловой апертуры приема рассеянного излучения и пропорциональна коэффициенту диффузии и квад-

рату разностного волнового вектора между зондирующими лазерными излучениями.

11. Спектры рассеяния на частицах латекса в воде с размеров d=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. При концентрациях латекса выше 10й см'3, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами, наблюдается дополнительное уши-рение узкой лоренцевской части линии рассеяния.

12. Впервые зарегистрированы в динамике скорости оседания эритроцитов в физиологическом растворе порядка нескольких микрометров в секунду, как в единичном режиме седиментации клеток, так и в условиях конгломерации. Дано объяснение наблюдаемому уширению спектральной линии рассеяния в плазме крови, связанного с присутствием тромбоцитов. Обнаружены специфические особенности собственной подвижности бактериальных клеток Escherichia coli в водных суспензиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.Н.Багаев, А.С.Дычков, В.А.Орлов, В.П.Чеботаев, Ю.Н.Фомин "Исследование сдвига частоты и изменения спектра лазерного излучения при прохождении через атмосферу на больших расстояниях". Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ереван, 1982, часть I с.278.

2. В.А.Орлов "Исследование влияния атмосферы на спектральные характеристики лазерного излучения на протяженных трассах". Краткий отчет по лазерной физике за 1984 год, Институт теплофизики СО АН, Новосибирск, 1985, с.52-54.

3. С.Н.Багаев, А.С.Дычков, А.Э.Ом, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин, В.П.Чеботаев "Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений". Патент RU№ 1362923, Б.И. №48,1987.

4. В.А.Орлов "Высокочувствительный гетеродинный лазерный измеритель ма-

лых смещений и скоростей". Краткий отчет отделения лазерной физики за 1985 - 86 гг. Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, с.132 -133, 138- 139.

5. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, В.П.Чеботаев "Форма линии рассеяния света броуновскими частицами" "Оптика и спектроскопия" том 71, вып 1, 1991 г., с.144-150.

6. С.Н.Багаев, В.В.Баранец, Б.Д.Борисов, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Автоматизированная лазерная система для измерения сверхмалых скоростей". Тезисы докл I Всесоюзного семинара "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1989, с.8-10.

7. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Изучение спектров деформационных колебаний в штольне с помощью лазерного гетеродинного измерителя перемещений". Развитие сейсмологических и геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке, Иркутск, 1988, с.74.

8. С.Н.Багаев, В.В.Баранец, Б.Д.Борисов, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Автоматизированный лазерный доплеровский измеритель сверхмалых скоростей (ЛДИСС)". Известия СО АН СССР, серия техн.наук №1,1990, с.20-23.

9. С.Н.Багаев, В.В.Баранец, Б.Д.Борисов, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Лазерное измерение инфранизких скоростей для изучения микрообъектов в медицине и биологии". Сборник тезисов докл., часть 2, Международная конференция "Лазеры и медицина", Ташкент, 1989, с.30-31.

Ю.С.Н.Багаев, Ю.М.Кирин, А.Э.Ом, В.А.Орлов, С.Ф.Панин, О.А.Плотникова, Ю.Н.Фомин " Наблюдение аномалий деформаций земной коры накануне Спитакского землетрясения с помощью гетеродинной лазерной аппаратуры". Деформационные процессы в период предшествующий Спитакскому землетрясению, Москва, 1989, с.92-98.

11 .С.Н.Багаев, О.Л.Вахрушев, Ю.М.Кирин, С.Ю.Кузнецов, О.В.Некипелов, В.А.Орлов, С.Ф.Панин, О.А.Плотникова, Ю.Н.Фомин "Наблюдение особенностей деформации земной коры накануне землетрясений с помощью лазерного деформографа". Исследования по созданию научных основ прогноза

землетрясений в Сибири, Иркутск, 1989, с.70-71.

12.С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Способ определения содержания жира и белка в молоке" Патент №1748058, приоритет от 07.08.89 г.

13.С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Лазерный гетеродинный измеритель малых смещений в геофизических измерениях". Материалы школы-семинара-выставки "Лазеры и современное приборостроение", С.-Петербург, 1991, с.103-104.

14.С.Н.Багаев, Б.Д.Борисов, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Лазерный доплеровский измеритель сверхмалых скоростей". Материалы школы-семинара-выставки "Лазеры и современное приборостроение", С,- Петербург, 1991, с. 118-120.

15.С.Н.Багаев, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин "Гетеродинный лазерный интерферометр для дистанционных измерений малых перемещений". Тезисы докл. Международной конференции "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1993, с.555.

16.С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин, В.П.Чеботаев "Гетеродинные лазерные деформографы для прецизионных геофизических измерений". Известия Академии наук, Физика Земли, №1, 1992, с.85-91.

17.В.А.Орлов "Исследование влияния атмосферы на спектральные характеристики лазерного излучения на протяженных трассах". Краткий отчет по лазерной физике за 1984 год, Институт теплофизики СО АН, Новосибирск, 1985, с.52-54.

18.С.Н.Багаев, Ю.М.Кирин, С.Ю.Кузнецов,И.В.Мещеряков, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин "Исследование динамических характеристик деформаций земной коры в БРЗ с помощью высокочувствительной лазерной аппаратуры". В сборнике научных трудов "Развитие методов и средств в экспериментальной геофизике", вып. 1,1993 г., с.38-51.

19.С.Н.Багаев, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин «Двухчастотная лазерная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений». Патент 1Ш №2082085, приоритет от 22.04.94.

20.В.А.Орлов Разработка основ метрологического обеспечения гетеродинных

лазерных систем высшей точности. Сб. отчетов за 1995 г. «Фундаментальная метрология», Новосибирск, 1995, с.215-219.

21.В.А.Орлов Разработка основ метрологического обеспечения гетеродинных лазерных систем высшей точности. Сб. отчетов за 1997 г. «Фундаментальная метрология», Новосибирск 1998, с.185-187.

22.С.Н.Багаев, В.Ф.Захарьяш, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, А.Р.Саметов, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин Научно-технический отчет СОМЛП СО РАН за 1997 г., Новосибирск 1998, с.30-40.

23.С.Н.Багаев, С.Ю.Кузнецов, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин Научно-технический отчет СОМЛП СО РАН за 1993 г., Новосибирск 1994, 94с.

24.S.N.Bagayev, V.A.Gusev, V.A.Orlov, S.V.Panov. The observation of dynamic peculiarities of motility of individual bacterium cells. Laser Physics, 1998, vol.8, N3, pp.803-808.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Schmidt V.A., et.al.- Acoust.soc. Amer. 1962, v.34, N4, p.455.

2. Yeh Y., Cummins H.Z., Locolized fluid flow measurements with an He-Ne laser spectrometer, Appl.Phys.Lett., 1964, 4, p.176-178.

3. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии Наука, 1075.-260С.

4. Багаев С.Н., Чеботаев В.П. Лазерные стандарты частоты. УФН, 1986, т. 148, в.1, с. 143-178.

5. Вейли В., Грогстад Р., Мосс Р., Интерферометр с ОКГ для измерения деформаций в геофизике земной поверхности, ТИИЭР, 1965, N9, с.186.

6. Бергер Д., Лавберг Р., Лазерный измеритель деформаций земной коры., Приборы для научных исследований, 1969, N12, с.41-48.

7. Chebotayev V.P., Goldort V.G., Klementyev V.M., Nikitin M.V., Timchenko В.A., Zakharjash V.F. Appl.Phys., 1982, vol.B29, p.63.

8. С.Н.Багаев, А.С.Дычков, А.Э.Ом, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин, В.П.Чеботаев

"Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений". Патент № 1362923, Б.И. №48, 1987.

Подписано к печати 08.12.1999 г. Формат бумаги 60x84 1/16 Уч.изд.л. 1.3 Заказ № б си Тираж 100 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН

630090, Новосибирск, 90, просп. Академика Лаврентьева, №1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Орлов, Валерий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И

СКОРОСТЕЙ В ОПТИКЕ.

1.1. Оптические методы измерения перемещений и скоростей.

1.2. Основные схемы лазерной интерферометрии перемещений и доплеровской анемометрии.

1.3. Применения лазерной интерферометрии перемещений и доплеровской анемометрии.

1.4. Основные проблемы измерения малых перемещений и скоростей лазерными методами.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПРОТЯЖЕННОЙ АТМОСФЕРНОЙ ТРАССЫ.

2.1. Гетеродинная лазерная система для дистанционных фазовых измерений

2.2. Основы теории распространения света в турбулентной атмосфере.

2.3. Изучение влияния турбулентной атмосферы на спектральную линию лазерного излучения с длиной волны ^=0.63 мкм.

2.4. Выводы.

Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА

БОЛЬШИХ РАССТОЯНИЯХ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЫ

3.1. Экспериментальные исследования фазовых флуктуаций лазерного излучения в условиях открытой протяженной трассы.

3.2.Испытания гетеродинных болынебазовых С02 лазерных систем.

3.3.Возможности повышения чувствительности болынебазовых измерений деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы.

3.4. Выводы.

Глава 4. ПРЕЦИЗИОННЫЙ ГЕТЕРОДИННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДЕФОРМОГРАФ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ШТОЛЬНЕ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ.

4.1. Наблюдение земных приливов с помощью двухкоординатного лазерного деформографа.

4.2. Регистрация собственных колебаний Земли.

4.3. Наблюдение аномалий в поведении деформаций земной коры накануне землетрясений.

4.4. Новый подход к измерению линейных перемещений и деформаций в присутствии атмосферы.

4.5. Выводы.

Глава 5. ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦ С МАЛЫМИ СКОРОСТЯМИ.

5.1. Описание методики измерений и схемы спектрометра.

5.2. Спектрометрические исследования формы линии рассеяния света броуновскими частицами, включая микрочастицы крови человека.

5.3. Автоматизированный лазерный измеритель инфранизких скоростей в экспресс-диагностике физических параметров микрообъектов для целей медицины и биологии.

5.4. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей"

Актуальность темы

Вопросы точного измерения перемещений и скоростей будут всегда занимать в науке и технике исключительно важное значение, поскольку движение является основой всех процессов, протекающих в окружающем нас мире. Существуют различные методы контроля и измерения указанных величин, однако наибольшей точностью обладают оптические, основанные на явлениях интерференции света и доплеровского сдвига частоты. Большие потенциальные возможности методов классической оптики по существу начали проявляться только после создания лазеров - источников когерентного, высокомонохроматического излучения. С их появлением в оптике, в частности, возникли новые направления - лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия. Исследования в этом направлении показали, что лазерные методы и средства позволяют бесконтактным способом и дистанционно измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне измеряемых величин. Благодаря развитию универсальных фазочувст-вительных лазерных методов достаточно быстро выросла сфера их научных и технических приложений. В настоящее время лазерные системы широко используются не только как метрологическая основа большого поля измерительной техники, такой как дальнометрия, анемометрия, деформография, локация, спектрометрия светового рассеяния и т.д., но и являются мощным научным инструментом в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы, химии, биологии, медицине и др. В зависимости от сложности решаемых задач адекватно возрастают и требования как к самим лазерным методам и средствам измерения и исследования, так и их совершенствованию. Прошло уже около 30 лет с тех пор, как лазерные методы измерения перемещений и скоростей начали свое бурное развитие.

Впервые лазерный интерферометр для измерения механических колебаний был представлен в 1962 году в работе [1], а схема первого лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) для локальных измерений жидкостных потоков в 1964 году в [2]. Чуть позднее появились лазерные интерферометры перемещений (ЛИП) [3,

4], предназначавшиеся для регистрации деформаций земной поверхности. В шестидесятые годы поток научных сообщений, посвященных измерениям перемещений и скоростей, был настолько велик, что уже через десять лет со времени первых публикаций начали появляться обобщающие обзоры и монографии [5, 6] с теоретическим и практическим обоснованием множества различных схем и применений. Однако, развитие лазерных методов измерения не ограничивалось анализом и применением известных интерферометров Фабри-Перо, Майкельсона, Жамена, Маха-Цандера и др. Например, в [7] и [8] для исследования слабого обратного отражения и рассеяния предложено в качестве гетеродина использовать сам лазер.

Постепенно расширялся и круг объектов, интересных для спектроскопии светового рассеяния. Так, в [9] начали применять метод лазерной доплеровской анемометрии для изучения движения крови в артериях сетчатки глаза, а в [10] для внутреннего измерения скорости кровотока уже использовался световод. В свою очередь, чтобы повысить точность металлообработки и формообразования деталей машин и механизмов быстро росла сфера использования лазерных интерферометров перемещений в точном машиностроении [11].

Современные методы лазерной интерферометрии и доплеровской анемометрии постоянно развиваются и совершенствуются по мере решения одних и возникновения новых научно-технических проблем. Одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения медико-биологических приложений, являлось измерение очень малых скоростей рассеивающих объектов мкм/с. Задача лазерного метода таких измерений, например в биомедицине, состоит в том, чтобы по регистрируемым физическим характеристикам (размер, форма, скорость, концентрация, молекулярный вес и др.) микронных и субмикронных частиц биологической, как правило, жидкой среды, определять патологические изменения в исследуемых объектах. Регистрировать напрямую низкие поступательные скорости микрообъектов, сопровождающие седиментацию, тепловое броуновское движение или собственную двигательную активность с помощью традиционного метода лазерной доплеровской анемометрии невозможно из-за низкого его спектрального разрешения (Ау«50ч-100 Гц).

Другая проблема, решение которой открывает большие возможности использования лазерных интерферометров, это - измерение малых относительных перемещений объектов на больших расстояниях в присутствии естественных атмосферных возмущений. Например, использование таких дистанционных наземных лазерных систем в геофизических измерениях малых деформаций земной коры позволяет более эффективно решать практические вопросы поиска и регистрации предвестников землетрясений, с целью прогноза сейсмособытий. Создаваемые же в последние годы у нас в стране и за рубежом бесконтактные лазерные деформографы с базой до 1000 м, как правило, размещаются в подземных (естественных или искусственных) штольнях. При этом, для уменьшения влияния атмосферы на трассе распространения лазерного луча, связанного с изменением температуры, давления и влажности воздуха, измерительное плечо интерферометра экранируют с помощью вакуумпровода или помещают его в герметичный лучевод с избыточным давлением газа. Несмотря на достаточно высокую относительную чувствительность таких систем, малая база измерений, дорогостоящая техника выработки протяженных искусственных тоннелей, необходимость применения вакуумных и герметичных лучеводов, отсутствие возможности реализовать многолучевые радиальные схемы измерения существенно ограничивают возможности их использования в геодинамическом мониторинге напряженно-деформированного состояния земной поверхности.

Цель настоящей работы состоит в проведении физических исследований фазочувст-вительных гетеродинных лазерных методов измерения ультрамалых перемещений и скоростей, разработка на их основе прецизионной принципиально новой лазерной аппаратуры: а) лазерного измерителя перемещений для экспериментальной геофизики и сейсмологии, способного с высокой чувствительностью и в широком частотном диапазоне регистрировать малые деформации земной коры в условиях открытой атмосферы с целью непрерывного геодинамического мониторинга и поиска предвестников землетрясений; б) высокочувствительного лазерного спектрометра светового рассеяния, пригодного для диагностики низкоскоростных микрообъектов в биомедицине. В задачи работы входило:

• Предложен и экспериментально обоснован гетеродинный фазочувствительный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях в условиях открытой атмосферы с использованием синхронизованных по фазе лазеров. Показано его существенное преимущество в условиях протяженных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными интерферометрическими системами регистрации деформаций земной коры.

• Экспериментально показано, что вследствие частотно-фазовых флуктуаций лазерного излучения в атмосфере, относительная чувствительность разработанных лазерных методик непрерывного измерения деформаций земной поверхности на базах Ь>1 км ограничена в диапазоне периодов собственных и приливных колебаний Земли величиной ~10"7. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазового лазерного деформографа, позволяющая в приливном диапазоне колебаний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10"8 - 10"9.

• С помощью гетеродинной лазерной системы на базе 1 км зарегистрированы детерминированные колебательные перемещения порядка 1 мкм на частоте ~1 Гц.

Разработанными СОг- лазерными дифференциальными методиками в режиме непрерывных фазовых измерений на базе ~\Л км зарегистрированы приливные деформации горных пород в условиях разломов земной коры с амплитудой ~2 мм.

• Выявлены два вклада в уширение спектральной линии лазерного излучения при прохождении его в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери пространственной и временной когерентности. Установлено, что ширина линии излучения зависит от метеоусловий на трассе и в среднем подчиняется зависимости Т -41, что хорошо согласуется с известными теоретическими выводами. Экспериментально подтверждено наличие на высоких частотах асимптотической зависимости /~8/3 для спектральной плотности частотных флуктуаций.

• Гетеродинным Не-Ые-лазерным деформографическим комплексом, специально разработанным для измерений в присутствии атмосферы с высокой относительной чувствительностью 10"9- Ю"10 на базах до 100 м, получены длинные ряды наблюдений (длительностью от одного месяца до одного года) по регистрации деформаций земной коры в штольне Байкальской рифтовой зоны (БРЗ).

• Теоретически и экспериментально показано, что линия рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемая созданным спектрометром светового рассеяния с разрешающей силой R>1015, определяется лоренцевым спектральным контуром, полуширина которого не зависит от направления и угловой апертуры регистрируемого рассеянного излучения и равна произведению коэффициента трансляционной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими монохроматическими излучениями.

Осуществлено прямое наблюдение уширения спектральной линии рассеяния, обусловленное броуновским движением микрочастиц размером >10 мкм.

• В спектре рассеяния на частицах латекса в воде с размерами d=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. Выявлено дополнительное уширение узкой ло-ренцевой части линии рассеяния при концентрациях латекса выше 10й см°, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами.

Практическая ценность

Разработан и экспериментально исследован прецизионный спектрометр светового рассеяния со спектральным разрешением Д v/v ~ 10"15 на основе синхронизованных по фазе лазеров для автоматизированных измерений физических параметров микрочастиц (скорость, размер, концентрация) и осуществлено его внедрение в биомедицинские исследования. Планируется внедрение спектрометра в практику экологического мониторинга и порошковых технологий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Предложенные фазочувствительные гетеродинные системы измерения малых линейных перемещений на основе использования синхронизованных по фазе лазеров позволяют на километровых базах в открытой атмосфере регистрировать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне частот с относительной п чувствительностью ~10" и детерминированные колебательные смещения в секундном диапазоне периодов на уровне 10"9.

2. Разработанный Не-Ие-лазерный деформограф с коротким компенсационным ин-терферометрическим плечом длиной ~1м обеспечивает на базах до 100 м в присутствии атмосферы в условиях штольни проведение измерений деформаций гор

2 7 ных пород в диапазоне периодов колебаний 10 - 10 с с относительной амплитудой на уровне Ю"9 - Ю"10 и позволяет регистрировать особенности деформационных процессов сейсмической зоны в земной коре накануне землетрясений, как предвестники сейсмособытий.

3. Созданный спектрометр светового рассеяния на основе синхронизованных по фазе лазеров с длиной волны А,=0.63 мкм обладает разрешающей силой Я > 1015 и позволяет по регистрируемым доплеровскому сдвигу частоты и ширине линии рассеяния измерять инфранизкие скорости V < 1 мкм/с и характеристики броуновского движения микрообъектов живой и неживой природы в диапазоне размеров 0.01<с1<100 мкм.

4. Теоретически и прямыми экспериментальными наблюдениями установлено, что в дифференциальной схеме лазерного спектрометра форма линии рассеяния броуновскими сферическими частицами одинакового размера имеет лоренцев спектральный контур с полушириной, определяемой произведением коэффициента поступательной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими полями (Г = /У), независимо от направления и угловой апертуры регистрируемого рассеянного излучения.

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); Всесоюзном семинаре "Применение лазерных интерферометрических систем для прецизионных измерений" (Тырныауз, 1986); Советско-американском симпозиуме "Лазерная оптика конденсированных сред" (Ленинград, 1987); Межотраслевом экспертном совете при СМ СССР (Москва, 1988); Всесоюзном совещании "Развитие сейсмологических и геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке (Иркутск, 1988); I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1989); Международной конференции "Лазеры и медицина" (Ташкент, 1989); Всесоюзном семинаре "Лазерные стандарты частоты и времени" (Новосибирск, 1990); Школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1991); XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1991); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); 2nd International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997). В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на Лейпцигской ярмарке, где был удостоен диплома и золотой медали.

Публикации

По теме работы диссертантом в соавторстве опубликовано 24 печатных работы.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Впервые предложена методика измерения малых линейных перемещений на больших расстояниях на основе созданной гетеродинной фазочувствительной лазерной системы с использованием двух синхронизированных оптических квантовых генераторов. Показано ее преимущество в условиях протяженных атмосферных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными интерферо-метрическими системами.

2. Проведены исследования влияния нестационарной атмосферы на чувствительность гетеродинного лазерного интерферометра перемещений. Экспериментально показано, что интенсивность атмосферного шума, проявляемого в уширении спектральной линии зондирующего излучения зависит от метеоусловий, протяженности трассы и времени наблюдения в течение суток. Впервые установлено, что в среднем ширина линии излучения прошедшего трассу длиной L подчиняется закону Г ~ 41, что хорошо согласуется с теорией.

3. Независимым экспериментальным изучением спектральной плотности частотных и амплитудных флуктуаций лазерного поля выявлены два вклада в уширение линии излучения в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери его пространственной и временной когерентности. Показано, что обе спектральные плотf- s/з ности на высоких частотах имеют асимптотическую зависимость J , впервые экспериментально наблюдаемую для частотных вариаций.

4. В режиме непрерывных фазовых измерений с помощью He-Ne лазерной системы определены радиус когерентности лазерного поля в турбулентной атмосфере, а также внешний масштаб турбулентности и структурный коэффициент показателя преломления. Показано, что относительный уровень среднеквадратичных флуктуаций оптической длины измерительной базы за времена усреднения порядка и более 10 секунд составляют величину ~10"7. В специальном эксперименте зарегистрированы детерминированные перемещения порядка 1 мкм на частоте 0.5 Гц. Вследствие полного замирания фотоэлектрического сигнала при гетеродинном приеме на базах Ь»100м экспериментально обоснован переход от системы с дли ной волны 0.63 мкм к системе с длиной волны 10.6 мкм.

5. Представлены результаты разработки и исследования новых гетеродинных лазерных систем регистрации деформаций земной коры на больших расстояниях, основанные на дифференциальном принципе исключения влияния метеорологических условий. Одна основана на одновременном зондировании двух трасс одноволно-вым лазерным излучением, вторая - на регистрации вариации длины единственной трассы при одновременном зондировании ее на двух длинах волн. Экспериментально показано, что относительная чувствительность обеих схем к перемещениям на базах порядка 2 км, определяемая величиной порядка 10"7, позволяет в условиях разломов земной коры регистрировать приливные деформации.

6. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазового лазерного деформографа, позволяющая в приливном диапазоне колебаний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10"8 - 10"9.

7. Экспериментально показано, что He-Ne лазерный гетеродинный деформограф с двумя равными ортогональными измерительными плечами без экранировки зондирующего излучения в условиях штольни позволяет регистрировать вариации разностной деформации земной коры в приливном диапазоне периодов от полусуток до года с относительной чувствительностью 10"9, а также собственные колебания Земли с абсолютной амплитудой смещения на уроне 5-(10"2 - 10°) мкм.

10. Впервые разработана методика измерения сверхнизких скоростей микрочастиц V<1 мкм/с на основе созданного гетеродинного дифференциального спектрометра светового рассеяния с использованием двух He-Ne лазеров синхронизованных между собой по фазе с разрешением Д v < 0.1 Гц. Теоретически и экспериментально показано, что уширение линии рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемое спектрометром, определяется ло-ренцевым спектральным контуром, ширина которого не зависит от направления и угловой апертуры приема рассеянного излучения и пропорциональна коэффициенту диффузии и квадрату разностного волнового вектора между зондирующими лазерными излучениями.

11. В спектре рассеяния на частицах латекса в воде с размеров d=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. При концентрациях латекса выше 1011 см"3, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами, наблюдается дополнительное уширение узкой лоренцевской части линии рассеяния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Орлов, Валерий Александрович, Новосибирск

1. Schmidt V.A., et.al.- Acoust.soc. Amer. 1962, v.34, N4, p.455.

2. Yeh Y., Cummins H.Z., Locolized fluid flow measurements with an He-Ne laser spectrometr, Appl.Phys.Lett., 1964, 4, p.176-178.

3. Вейли В., Грогстад P., Мосс P., Интерферометр с ОКГ для измерения деформаций в геофизике земной поверхности, ТИИЭР, 1965, N9, сЛ86.

4. Бергер Д., Лавберг Р., Лазерный измеритель деформаций земной коры., Приборы для научных исследований, 1969, N12, с.41-48.

5. Cummins H.Z., Pike E.R. Photon Correlation and Light Beating Spectroscopy, Plenum, New York, 1973 (Русский пер: Камине Г.З., Пайк Е.Р. Корреляция фотонов и спектроскопия оптического смещения,- М., Мир, 1978)

6. Коломийцев Ю.В. Интерферометры, Л., 1976

7. Rudd M.J. A Laser Doppler velocimeter employing a laser as a mixer oscillator. J.Sci.Instrum. (J. Phys.E.) 1968, Ser.2, vol.1, p.723-726.

8. Берштейн И.Л. Издательство вузов. Радиофизика,т.16, N4, 1973.

9. Riva С., Ross В., Benedek G.B., Invest.Opthalmol, 1972, 11, р.936.

10. Tanaka Т., Benedek G.B., Measurement of velocity of blood flow (in vivo) using a fiber optic cathetter and mixing spectroscopy. Appl.Opt., 1975, vol.14, p. 189.

11. Коронкевич В.П., Ханов B.A., Современные лазерные интерферометры перемещений, Автометрия N6, 1982, с. 11-27.

12. Орлов В.В. Экспериментальное изучение пристенной турбулентности в канале. ПМТФ, 1966, N4, с. 124-126.

13. Борисов А.А., Новиков Б.Г., Федосенко В.Д. Стереометрия свободных турбулентных потоков. В кн.: Тезисы докладов 1 Всесоюзного саминара "Оптические методы исследования потоков." Новосибирск, 1989, с.80-81.

14. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: Знание, 1988, с.64.

15. Сальников Е.В., Турищев А.И. Однолучевой времяпролётный измеритель скорости. Измерительная техника, 1989, N5, с.28-29.

16. Ринкевичюс Б.С., Лазер измеряет скорость, Природа, 1979, N2, с.76-89.17LRitonga J., Ushizaka Т. and Asakura Т. Two-Demensional measurements of velocityusing Two Rotating Gratings. Appl.Phys. B-1989-48, N5, p.371-377.

17. Ландсберг Г.С. Оптика, 5 изд., M., 1976.

18. Франкфурт У.И., Френк A.M. Оптика движущихся тел, М., 1972.

19. Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика, 3 изд., М., Наука, 1969, гл.4.

20. Раутиан С.Г., Смирнов Г.И., Шалагин A.M. Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул. Новосибирск, Наука, 1979, с.310.

21. Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболев B.C., Столповский А.А., Уткин Е.Н. Лазерные доплеровские измерители скорости. Под ред. Нестери-хина Ю.Е., Новосибирск, Наука, 1975.

22. Durst F., Melling A., Whitelow J., Principles and practical of laser-doppler anemometry, Academic Press. L.-N.Y.-San Francisco, 1976.

23. Дюррани Т., Грейтид К., Лазерные системы в гидродинамических измерениях, М., Энергия, 1980.

24. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С., Методы лазерной доплеровской анемометрии, М., Наука, 1982.

25. Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П.,Соболев B.C. и др. Автометрия, 1969, N6, с.115.

26. Ринкевичюс Б.С., Радиотехника и электроника, 1969, т.14, N10, с.1903.

27. Rudd M.J. A new theoretical model for the laser Doppler meter. J.Phys., 1969, E2, p.55-58.

28. Wang C.P. and Snyder D., Laser doppler velocimetry: Experimental study. Appl.Opt., vol.13, N1, 1974, p.98-103.

29. Laser Anemometr systems from Thermo-Systems, inc.Catalog, Minnesota:TSI, 1976.

30. Laser Doppler Anemometry, Dantec, 1983, p. 108.

31. Евсеев A.P. и др. Измерение структурных характеристик газожидкостного потока лазерным анемометром с волоконным световодом. Автометрия, 1987, N2, с.69-73.

32. Подкорытов Д.Г., Тимкин Л.С., Чиннов Е.А., Волоконно-оптический метод исследования криогенных сред. Изв.СО АН СССР Сер.техн.наук., 1988, N6, с.

33. Stern M.D., Nature, 1975, v.254, р.56-58.35i Stern Michael D., Lappe Dounald L. Method of and apparatus for measurement of bloodflow using cogerent light. G 01 P 3/36, 4, 109, 647, 1978, Patent USA.

34. Wunderlich R.W., Folger R.L., Giddon D.B., Ware B.R. Laser Doppler Blood Flow Meter and Optical Plethysmograph. Rev.Sci.Instrum.51 (1980), N9, p.1258-1262.

35. Арефьев И.М., Еськов А.П., Шевченко P.A., Лазерный спектрометр оптического смещения для анализа микроциркуляций крови.-В кн.: Тезисы докладов 3 Всесоюзной конфнренции "Оптика лазеров". Л.: ГОИ им. С.И.Вавилова, 1981.

36. Лисицын В.Н., Орлов В.А., Ревякин С.В., Сергиевский B.C., Фомин Ю.Н. О лазерном методе локальных измерений кровотока. Автометрия, №1, 1984, с.86-92.

37. Приезжев А.В., Степонян А.С., Денисов Ю.А., Вестник МГУ, сер.З, физика, 1989, 30, N2, с.62-66.40;. Ruth В., Non-contact blood flow determination using a laser specklemethod. Optics and laser technology, vol.20, N6, 1988, p.309-316.

38. Джоунс P., Уаикс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, М., Мир, 1986, с.327.

39. Бронников В.И., Прилипко А.Я., Спекло-велосиметр. 1 Всесоюзный семинар "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1989, с. 167-168.

40. Uzgiris Е.Е. Electrophoresis of particles and biological cells measured by the Doppler shift of scattered laser light. Opt.comm., vol.6, number 1, 1972, p.55-57.

41. Бенедек Дж. УФН, 1972, т. 106, N3, с.481.

42. Арефьев И.М. Медицинские применения фотон-корреляционной спектроскопии. В кн.: Лазерная доплеровская анемометрия и ее применения. Новосибирск, 1980, с.90-91.

43. Nash P.J., King Т.А., A heterodine photon correlation spectrometr of advanced desing. J.Phis.E.Sci.Instrum., 1985, 18 N4, p.319-321.

44. Лебедев А.Д., Левчук Ю.Н., Ломакин A.B., Носкин В.А., Лазерная корреляционная спектроскопия в биологии. Киев: Наукова Думка, 1987, 250с.

45. Тычинский В.П., Панков B.JL, Даугель-Дауге А.Г., Карпулькин А.В., Регистрация субгерцовых флуктуаций анизотропии при малоугловом рассеянии света. Письма в ЖЭТФ, том 44,вып 4, с.197-200, 1986.

46. Terui Giichi. Photon correlation spectroscopy in micellar solutions of sodium and potassium oleate. Phys.Lett. A vol.120, num.2, p.89-94.

47. Кучин A.A., Обрадович K.A., Оптические приборы для измерения шероховатости., JL, Машиностроение, 1981.

48. Коронкевич В.П., Ханов В.А., Лазерные интерферометры и их применение, Новосибирск, 1984.

49. Вастрогин Ю.Ф., Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера, М., Машиностроение, 1986, с.270.

50. Fibre optic heterodyne interferometer for Vibration measurements in optical system. Rev.Sci.Instrum. 49 (1987) p.722.

51. Chandra S. Vikram, McDevitt Т.Е., Optical ingineering, 1989, vol.28, N8. Simple spectrum analyzis in laser Doppler studies of sinusoidal vibrations.

52. Бутусов M.M., Тарасюк Ю.Ф., Урванцева Н.Л. Гидроакустические антенны на волоконных световодах. Зарубежная радиоэлектроника 1983,5, с.38-58.

53. S.Bopp, C.Tropea and L.Zhau. The use of graded-index fibers in fiber-optic laser-Doppler anemometry prober. Rev.Sci.Instrum., vol.60, N10, 1980, p.3195-3200.

54. Toda H., Haruna M., Nichihara H. Integrated-optic device for a fibre laser Doppler velocimeter. Electronics letters, 1986, vol.22, N19, p.982-984.

55. Mocker Has W. and Bjork Paul E., High accuracy laser doppler velocimetr using stable long-wave length semiconductor lasers. Appl.Opt.,vol.28, N22, 1989, p.4914-4919.

56. Dhadwal H.S., Chu Benjamin, Afiber-Optic light-scattering spectrometr, Rev.Sci.Instrum. 60(5), 1989, p.845-853.

57. Brown R.G.W., and Jackson Ann.P., Monomode fibre components for dynamic light scattering, J.Phys.E.:Sci.Instr. 20 (1987), p. 1503-1507.

58. Гречинский Д.А., Патлах А.Л. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических преобразователей механических величин. ОМП, 1983, N4, с.57-60.

59. Авдошин Е.С. Оптоволоконный датчик звука. Автометрия 1, 1990, с.34-38.

60. Patrick J., Murphy and Thomas P.Coursolle. Fiber optic displacement sensor employing fa graded index lens. Appl.Opt., vol.29, N4, 1990, p.544-547.

61. Дмитриев A.B., Зак E.A., Волоконно-оптические преобразователи перемещений и параметров движения. Зарубежная радиоэлектроника. 1985, N5.

62. Медведев B.C., Нестеров В.В., Первомайский В.А. Измерение колебаний земной коры лазерным интерферометром-деформографом с волоконной оптикой. Автометрия, 1985, N5, с.30-34.

63. Sasaki Osami and Takahachi Kazuhide. Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fiber for displacement measument. Appl.Opt., vol.27, N19, 1988, p.4139-4142.

64. Алешин B.A., Дубров M.H., Яковлев А.П. Лазерный интерферометр для измерений деформаций земной коры,Докл.АН СССР, 1980, т.253, N6, с.1343-1346.

65. Белоусова И.Н., Горшков А.С., Золотов А.А. и др. Лазерный интерферометр для исследования деформаций земной коры, ОМП, 1981, N4, с.24-26.

66. Долгих Г.И., Копвиллем У.Х., Павлов А.Н., Наблюдение собственных колебаний Земли лазерным деформометром. Известия АН СССР, Физика Земли N2, 1983, с.15-20.

67. Takemoto S., Laser interferometr system for precise measurement of ground strains. Bull Disas.Pres.Res.Inst., Kyoto Univ.Ang., 1979, v.29, Part 2, N262, p.65-81.

68. Лазерный интерферометр длиной 1,6 км. Зарубежная электроника, 1976, N8, с. 107.

69. Вэйли В., Сейсмические измерения с помощью лазеров, УФН, 1971, т. 103, N1, с.127-138.

70. Гальперин Е.И., Ситников A.B., Кветинский С.И., Иванов A.M., Чесноков А.И., Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов. Физика Земли N10, 1986, с.99-109.

71. Савина Н.Г., Типисев С.Я., Линьков Е.М., Яновская Т.Б. Наблюдение длиннопериодных колебаний Земли. Физика Земли N8, 1984, с.3-12.

72. Гохберг М.В., Гуфельд И.Л., Добровольский И.П., Нерсесов И.Л. Процессы подготовки, признаки и предвестники коровых землетрясений. Физика Земли N2, 1983, с.59-67.

73. Беленький М.С., Лукин В.П., Миронов В.Л., Покасов В.В. Когерентность лазерного излучения в атмосфере. Новосибирск. Наука, 1985, с. 173.

74. Laser Beam Propagation in the Atmosphere Topics in the Applied physics, vol.25, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978.

75. Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. Новосибирск.: Наука, 1981, с.246.

76. Hirokazu Matsumoto and Koichi Tsukahata . Applied optics effects of the atmospheric phase fluctuation on long distance measurement, vol.23, N19, 1984.

77. Тычинский В.П., Мазалов И.Н., Пачков В.Л., Ублинский Д.В. Регистрация субмикронных структур на лазерном автоматизированном интерферометре. Письма в ЖТФ, 1989, 15, N4, с.24-27.

78. Алешин В.А. Автоматизированный измерительный комплекс на базе геофизических лазерных интерферометров-деформографов и микро-ЭВМ. Автометрия N2, 1990, с.64-67.

79. Кирьянов В.П., Коронкевич В.П. Лазерный интерферометр с низкочастотной фазовой модуляцией. Квантовая электроника. 1982, т.9, N7, с.1301-1308.

80. Телешевский В.И., Гетеродинные методы лазерной интерферометрии на основе акустической модуляции света. Измерительная техника. 1976, N1, с.42-45.

81. Атутов С.Н., Бессмельцев В.П., Бурнашев В.Н. и др. Измеритель угловых и линейных перемещений на основе двухчастотного лазера. Автометрия, 1975, N5, с.48-53.

82. Yoshihiro О., Kasuyoshi Y. Two-frequency laser interferometer for small displacement measurements in a low frequency range. Appl.Opt., 1979, v. 18, N2.

83. Ринкевичюс B.C., Толкачев А.В.,Сугоршин В.Н.,Чебунин В.Г. Лазерный допле-ровский анемометр для измерения сверхмалых скоростей. Измерительная техника. N5, 1986, с. 18-20.

84. Fukuoka Yutaka, Okada Eiji, Minamitani Harrkyuki. Rev.Sci.Instrum., 1989, vol.60, N3, p.508-510. Spiral optical-frequency shifter for lower-velocity measurement of the laser Doppler velocimeter.

85. Massey G.A. Optycal Spectra, 1969, N49.

86. Казарян Р.А., Мначаканян Т.А. Характеристики внутрирезонаторного метода приема ИК оптического сигнала в атмосфере и повышение его помехоустойчивости. Квантовая электроника. 3, 14, 1987.

87. Захаров В.П., Тычинский В.П., Снежко Ю.А. и др. О предельной чувствительности и точностных характеристиках лазерного интерферометра. Измерительная техника, 1975, N10, с.33-36.

88. Forward R.L. Wide band laser-interferometer gravitional radiation experiment. Phys.Rev.D., 1978, v. 17, N2, p.379-390.

89. Шмальгаузен В.И. Интерферометры для изучения малых колебаний. УФН, 1980, т. 132, N4, с.679-684.

90. Шереметьев А.Г., Волоконный оптический гироскоп., М., "Радио и связь", 1987.

91. Ханов В.А. в кн. Лазерные интерферометры. Сборник научных статей СО АН СССР. Институт автоматики и электрометрии. Отв.ред. Коронкевич В.П. Новосибирск, 1978, с. 117.

92. Багаев С.Н., Дычков A.C., Чеботаев В.П. Применение узких оптических резонан-сов для измерения малых смещений и для создания детекторов гравитационных волн. Письма в ЖЭТФ, 1981, т.ЗЗ, N2, с.85-89.

93. Андронова И.А., Берштейн И.Л., Зайцев Ю.И. Предельные возможности лазерной микрофазометрии. Изв. АН СССР, сер. физ. 1982, т.46, N8, с. 1590-1596.

94. Chebotayev V.P., Goldort V.G., Klementyev V.M., Nikitin M.V., Timchenko B.A., Zakharjash V.F. Appl.Phys., 1982, vol.B29, p.63.

95. С.Н.Багаев, А.С.Дычков, А.Э.Ом, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин, В.П.Чеботаев "Двух-частотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений". Патент № 1362923,МКИ G01 В21/00 Б.И. №48, 1987.

96. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин, В.П.Чеботаев "Гетеродинные лазерные де-формографы для прецизионных геофизических измерений". Известия Академии наук, Физика Земли, №1, 1992, с.85-91.

97. Гольдорт В.Г., Захарьяш В.Ф., Курневич Б.А. Широкополосный блок фазоча-стотной привязки лазеров. ПТЭ, 1979, 2, с.244-248.

98. Борисов Б.Д., Егоров А.Г., Мирон Н. Системы регистрации с дробной долей полосы в лазерных измерителях перемещений. Препринт N184-88 ИТФ СО АН СССР.

99. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967.

100. В.А.Орлов "Исследование влияния атмосферы на спектральные характеристики лазерного излучения на протяженных трассах". Краткий отчет по лазерной физике за 1984 год, Институт теплофизики СО АН, Новосибирск, 1985, с.52-54.

101. С.Ю. Кузнецов, В.А. Орлов, А.Ю. Рыбушкин, В.М. Семибаламут, Ю.Н. Фомин Научно-технический отчет Сибирской опытно-методической лазерной партии за 1993 г. Новосибирск, 1994, 94 с.

102. В.А. Орлов Сб.отчетов за 1998 г. "Фундаментальная метрология", Новосибирск.

103. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин Научно-технический отчет СОМЛП СО РАН за 1997 г., Новосибирск 1998, с.30-40.

104. В.Г.Колмогоров, П.П.Колмогоров Современная геодинамика Сибири (по геодезическим и геолого-геофизическим данным) в книге «Геофизические методы изучения земной коры». Новосибирск, 1998, с.74-78.

105. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983, с.416.

106. Валиев К.Ш. Временные вариации гравиметрического фактора как отражение глубинных процессов Земли. Канд.дисс. Алма-Ата, 1985.

107. Тимофеев В.Ю. Приливные вариации силы тяжести на сибирском профиле.1. Дисс., Новосибирск, 1985.

108. Альтерман 3., Ярош X., Пекирис X.JI. Колебания Земли в кн. Собственные колебания Земли. М.: Мир, 1964.

109. Эйби Дж. А. Землетрясения. М., Недра, 1982, с.263.

110. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Лазерный гетеродинный измеритель малых смещений в геофизических измерениях". Материалы школы-семинара-выставки "Лазеры и современное приборостроение", С.-Петербург, 1991, с.103-104.

111. Багаев С.Н., Чеботаев В.П. Лазерные стандарты частоты. УФН, 1986, т.148, в.1, с.143-178.

112. Хир. К. Статистическая механика, кинетические процессы. М.: Мир. 1976, с.107-109.

113. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Способ определения содержания жира и белка в молоке" Патент №1748058, приоритет от 07.08.89 г.

114. Чижевский А.Л. Биофизические механизмы реакции оседания эритроцитов. Новосибирск, Наука, 1980.I

115. С.Н.Багаев, В.В.Баранец, Б.Д.Борисов, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин "Автоматизированный лазерный доплеровский измеритель сверхмалых скоростей (ЛДИСС)". Известия СО АН СССР, серия техн.наук№1, 1990.