Развитие лазерных спекл-коррелометрических и дифрактометрических методов зондирования рассеивающих сред

Здражевский, Роман Анатольевич

Развитие лазерных спекл-коррелометрических и дифрактометрических методов зондирования рассеивающих сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Здражевский, Роман Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие лазерных спекл-коррелометрических и дифрактометрических методов зондирования рассеивающих сред»

Автореферат диссертации на тему "Развитие лазерных спекл-коррелометрических и дифрактометрических методов зондирования рассеивающих сред"

005008449

На правах рукописи

Здражевский Роман Анатольевич

РАЗВИТИЕ ЛАЗЕРНЫХ СПЕКЛ-КОРРЕЛОМЕТРИЧЕСКИХ И ДИФРАКТОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЗОНДИРОВАНИЯ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД

Специальность 01.04.21 Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 9 ЯНВ Ш

Саратов - 2011

005008449

Работа выполнена на кафедре физики Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Зимняков Дмитрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Рябухо Владимир Петрович

доктор физико-математических наук Хлебцов Борис Николаевич

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники РАН, Саратовский филиал, г. Саратов.

Защита состоится « 8 » февраля 2012 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 в Саратовском государственном университете имени Н.Г. Чернышевского по адресу 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, III корпус, ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан «28» января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из основных направлений лазерной физики является разработка фундаментальных основ и практическая реализация методов бесконтактного зондирования оптически неоднородных объектов и сред с использованием лазерного излучения. В качестве параметров, несущих информацию о структуре и динамике рассеивающих объектов, могут быть использованы статистические моменты различных порядков характеристик рассеянного лазерного излучения: интенсивности, фазы, поляризации, а также их комбинации, чувствительные к изменениям структуры и динамики зондируемых объектов. С момента появления лазерных источников интенсивное развитие техники и технологий в области создания новых источников и приемников оптического излучения стимулировало значительный интерес к решению фундаментальных и прикладных задач исследования взаимодействия когерентного излучения с ансамблями движущихся рассеивателей различной природы. Классическими примерами прикладных задач, успешно решаемых с помощью анализа стохастических интерференционных сигналов, формируемых в результате рассеяния лазерного излучения, являются задачи визуализации и определения скорости движения рассеивателей в оптически неоднородных средах и параметров потоков газов, жидкостей и сыпучих материалов. Следует также отметить успешное применение методов квазиупругого рассеяния света к анализу дисперсных систем со сложной структурой и динамикой: полимеризующихся сред, процессов агрегации и кластеризации частиц в коллоидных системах, вспененных материалов с изменяющимися во времени характеристиками и др. Значительный вклад в развитие данного направления в последние три десятилетия внесен группами Б. Чанса (В. Chance), Д. Пайна (D. Pine) и Д. Вейтца (D.A. Weitz), А.Йода (A. Yodh), С. Жака (S. Jacques) , Д. Боаса (D. Boas), JI. Ванга (L. Wang), Дж. Брайерса (J.D. Briers), Ф. Шеффолда (F. Scheffold), Ж. Марэ (G. Maret) и П.-Э. Вольфа (P.E. Wolf), Ф. де Мула (F.F.M. de Muí), И.В. Меглинского в США и Западной Европе, Т. Асакуры (T. Asakura), Т. Йосимуры (T.Yoshimura) в Японии, O.A. Ангельского, А.Я. Хайруллиной, А. Н. Понявиной, В.Л. Кузьмина и М.В.Романова, Е.Е. Городничева и Д.Б. Рогозкина, Л.М. Веселова и И.А. Попова, A.B. Приезжева, Н.Г. Хлебцова, В.В.Тучина, В.П. Рябухо, С.С.Ульянова, Д.А. Зимнякова и др. в России и странах ближнего зарубежья.

Группа методов, получивших различные названия: диффузионно-волновая спектроскопия, спектроскопия оптического смешения, корреляционная спектроскопия, спектроскопия квазиупругого рассеяния и др., основана на анализе биений детектируемого оптического сигнала, формируемого в результате стохастической интерференции составляющих рассеянного поля с разными мгновенными значениями доплеровского сдвига вследствие рассеяния зонди-

рующего излучения на динамическом ансамбле случайных рассеивателей. Аналогичные подходы применимы и к анализу структурных характеристик стационарных случайно-неоднородных объектов и сред в случае исследования пространственно-временных флуктуаций интенсивности рассеянного излучения при сканировании исследуемых объектов коллимированными или сфокусированными лазерными пучками; подобное направление в технике лазерного зондирования объектов со сложной структурой может быть условно названо пространственной спекл-коррелометрией.

Следует отметить, что несмотря на интенсивное развитие фундаментальных и прикладных аспектов когерентно-оптических методов зондирования сред со сложной структурой и динамикой с использованием лазерного излучения в последние три десятилетия, вплоть до настоящего времени недостаточно полно и систематически исследованы вопросы взаимосвязей статистических и масштабных свойств флуктуаций интенсивности детектируемого оптического сигнала со структурными и динамическими характеристиками случайно-неоднородных рассеивающих систем, а также влияние на эти взаимосвязи условий зондирования рассеивающих систем когерентным и частично когерентным излучением.

В связи с этим целью данной работы явилось развитие существующих и разработка новых методов лазерной дифрактометрии и спекл-коррелометрии динамических и статических случайно-неоднородных рассевающих сред при зондировании когерентным и частично-когерентным излучением на основе теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязей статистических и масштабных свойств спекл-модулированных оптических полей со структурными и динамическими характеристиками порождающих их рассеивающих систем.

В рамках решения поставленной проблемы были сформулированы и решались следующие задачи:

1) теоретические исследования особенностей эффекта хаотизации флуктуаций интенсивности рассеянного излучения при дифракции остросфокусирован-ных лазерных пучков на движущихся предфрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах;

2) экспериментальные исследования применимости оценок спектральных моментов пространственных распределений интенсивности рассеянного вперед лазерного излучения для количественного описания особенностей структуры оптически тонких слоев случайно-неоднородных сред (в том числе изменений морфологии ¡п-уИго образцов биотканей при воздействии различных агентов);

3) теоретический анализ и экспериментальная апробация метода зондирования оптически тонких случайно-неоднородных сред с использованием частично когерентного излучения в условиях дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего пучка;

4) исследование возможности повышения чувствительности метода спекл-коррелометрии полного поля применительно к зондированию нестационарных случайно-неоднородных сред путем использования выборочных оценок коэффициентов асимметрии и эксцесса пространственных флуктуации интенсивности интегрируемых по времени динамических спеклов как диагностических параметров.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы натурного и модельного эксперимента, статистического моделирования процессов распространения электромагнитного излучения в случайно-неоднородных средах, приближенного аналитического и численного решения прямых дифракционных задач и задач теории рассеяния электромагнитного излучения, теории случайных процессов и статистические методы.

Научная новизна работы:

1. Предложен новый метод зондирования оптически тонких рассеивающих сред на основе использования рассеянного "модулирующей" средой с известными транспортными характеристиками частично когерентного зондирующего излучения и определения величины изменения индекса мерцания спекл-модулированного рассеянного поля при введении зондируемого объекта в измерительную схему.

2. Впервые исследованы особенности проявления эффекта хаотизации при дифракции сфокусированных лазерных пучков на движущихся предфракталь-ных одномерных амплитудных и фазовых экранах и наблюдении флуктуаций интенсивности в параксиальной области дальнего поля. Впервые установлена взаимосвязь фрактальных размерностей пространственных флуктуаций амплитуды и фазы граничного поля и наблюдаемых временных флуктуаций интенсивности в зависимости от глубины модуляции фазы зондирующего лазерного пучка для пространственных масштабов, где структурная функция флуктуаций фазы £>Ф(Д?) = {{Ф(? + Дг)-Ф(?)}2)г1.

3. В экспериментах с т-уЦго образцами эпидермиса кожи человека впервые продемонстрирована возможность лазерного дифрактометрического экспресс-мониторинга морфологических изменений оптически тонких биологических объектов с использованием в качестве диагностического параметра значений первого спектрального момента и спектрального индекса (показателя степени) пространственных спектров лазерного излучения, рассеянного вперед зондируемыми объектами.

4. Впервые в экспериментах с рассеивающими средами, характеризуемыми как поверхностным, так и объемным рассеянием, продемонстрирована возможность повышения чувствительности метода спекл-коррелометрии полного поля к вариациям подвижности рассеивающих центров в зондируемой среде на основе использования в качестве диагностических параметров коэффициентов

асимметрии и эксцесса пространственных флуктуации яркости усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности зондируемой среды.

Практическая значимость результатов исследований.

Результаты работы дополняют и развивают теоретические и экспериментальные основы современных методов лазерной диагностики статических и динамических рассеивающих объектов и сред.

В частности, метод низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования с использованием дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего частично когерентного пучка предлагается использовать для экспресс-анализа структуры и оптических свойств тонких слоев случайно-неоднородных сред в биомедицинской диагностике, а также для различных приложений в материаловедении.

Использование в качестве диагностического параметра значений спектрального индекса (показателя степени) пространственных спектров мощности рассеянного исследуемыми объектами лазерного излучения расширяет функциональные возможности лазерной дифрактометрии и увеличивает ее чувствительность к структурным изменениям т-у^го образцов биотканей при проведении оптической биопсии в лабораторных условиях.

Полученные зависимости фрактальной размерности флуктуации интенсивности детектируемого оптического сигнала от фрактальной размерности флуктуации амплитуды или фазы граничного поля в случае зондирования пред-фрактальных амплитудных и фазовых объектов лазерными пучками представляют собой фундаментальную основу для дальнейшего развития метода сканирующей спекл-коррелометрии.

Использование в спекл-коррелометрии полного поля в качестве диагностических параметров выборочных значений асимметрии и эксцесса флуктуаций яркости усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности исследуемых объектов позволяет существенно повысить чувствительность метода к вариациям подвижности рассеивающих центров в зондируемой среде по сравнению с традиционно используемым значением контраста спеклов.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается: корректностью постановки задач исследования; применением апробированных аналитических и численных методов анализа; соответствием в частных случаях полученных данных известным из литературы результатам аналогичных исследований, выполненных другими научно-исследовательскими группами; воспроизводимостью

' Здесь и далее по тексту подвижность рассеивающих центров понимается как параметр нестационарной рассеивающей среды, определяемый средним значением времени смешения рассеивателей на расстояние, равное длине волны зондирующего излучения.

экспериментальных данных и их соответствием результатам теоретических расчетов и моделирования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. При сканировании сфокусированными лазерными пучками случайных одномерных амплитудных и фазовых экранов с предфрактальными свойствами зависимость фрактальной размерности £), флуктуации интенсивности в параксиальной области дальней зоны дифракции от фрактальной размерности флуктуа-ций амплитуды граничного поля Ои представима линейной функцией вида О, = айи+рот + •/ с коэффициентами а , /?, у , зависящими от характера и глубины стохастической модуляции фазы аг зондирующего пучка.

2. Усредненные по конечной полосе пространственных частот значения спектрального индекса и первого спектрального момента пространственных спектров мощности рассеянного лазерного излучения при дифрактометрическом анализе оптически тонких слоев неоднородных сред обладают максимальной чувствительностью к изменениям структурных характеристик среды в области пространственных частот, соответствующих структуре зондируемого образца.

3. Изменение индекса мерцаний детектируемого излучения в низкокогерентной спекл-коррелометрии рассеивающих сред с дополнительной стохастической фазовой модуляцией зондирующего пучка происходит по линейному закону в зависимости от дисперсии флуктуаций фазы граничного поля зондируемого объекта. Коэффициент пропорциональности в линейной зависимости имеет вид: 1 — схр[- )'' ], где Я - характерный размер участка объекта, разрешаемый оптической схемой спекл-коррелометра, гф - радиус корреляции флуктуаций фазы граничного поля, а - показатель степени, определяемый асимптотикой корреляционной функции фазы граничного поля.

4. Предложен метод низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования оптически тонких сред на основе измерения декремента индекса мерцаний рассеянного частично когерентного излучения при введении зондируемого образца в оптическую схему спекл-коррелометра, содержащую стохастический фазовый модулятор в форме плоского слоя случайно-неоднородной среды, удовлетворяющего критерию 0.05/с < <0.21С (£. и - соответственно толщина и транспортный коэффициент рассеяния слоя, !с - длина когерентности зондирующего излучения).

5. Использование в спекл-коррелометрии полного поля в качестве диагностических параметров коэффициентов асимметрии и эксцесса флуктуаций яркости усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности зондируемьк объектов позволяет повысить чувствительность к изменениям подвижности рассеивающих центров в зондируемой среде (до двукратной в случае

коэффициента асимметрии и до шестикратной в случае эксцесса) в сравнении с традиционно применяемым значением контраста спеклов.

Личный вклад соискателя.

Личный вклад автора диссертации состоит в участии в постановке задач исследований, в разработке методик расчета, методик проведения экспериментальных исследований, проведении эксперимента, а также обработке и анализе полученных результатов. Представленные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии совместно с д.ф.-м.н., проф. Зимняковым Д.А. Эксперименты по зондированию in-vivo биотканей с использованием спекл-коррелометрии полного поля выполнены совместно с д.ф.м.-н., проф. Д.А. Зимняковым и к.ф.-м.н. М.А. Виленским. Теоретические исследования и статистическое моделирование процессов дифракции сфокусированных лазерных пучков на предфрактальных фазовых и амплитудных экранах выполнены совместно с к.ф.-м.н. И.П. Переточкиным.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научных конференциях:

Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Medicine; Saratov, Russia; October 2009;

Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Medicine; Saratov, Russia; October 2010;

Optical Pulse and Beam Propagation II; San Jose, CA, USA; January 2000;

The 10th International Conference on Correlation Optics; Chernivtsi, Ukraine; September 2011.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в т. ч. 6 статей в журналах из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 239 источников. Диссертация изложена на 159 страницах, содержит 2 таблицы и 33 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели исследований, обоснована научная новизна и практическая значимость результатов, приведена общая характеристика работы, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе обсуждается современное состояние в области фундаментальных основ и практики лазерного зондирования объектов со сложной структурой и динамикой на микроскопическом уровне; рассмотрены методы лазерной диффузионно-волновой спектроскопии, низкокогерентной интерферометрии и оптической когерентной томографии, лазерной дифрактометрии и спекл-коррелометрии, применяемые для исследований структуры и динамики случайно-неоднородных сред в различных промышленных, медицинских и биологических приложениях. Представлена классификация методов по особенностям их применения и используемым физическим принципам. Обсуждаются основные особенности взаимодействия лазерного излучения с объектами с фрактальной структурой и рассмотрены возможные применения фрактальных моделей к задачам лазерного зондирования случайно-неоднородных сред.

Во второй главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований дифракции коллимированных и остросфокусированных когерентных пучков на случайно-неоднородных объектах, допускающих описание в рамках моделей одномерных случайных амплитудных и фазовых экранов с предфрактальными свойствами.

Установлены особенности проявления эффекта хаотизации при дифракции сфокусированных когерентных пучков на движущихся предфрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах и наблюдении флуктуации интенсивности в параксиальной зоне дальнего поля.

В качестве метода исследования был выбран метод статистического моделирования при использовании в качестве порождающей функции для представления предфрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах функции Вейерштрасса:

Щх) = Ьф~1)к соз(2л6*хс + ^), (1)

4=1

где N - число гармоник, С - нормировочная постоянная, определяющая среднеквадратичное значение амплитуды флуктуаций IV(х), О - фрактальная размерность, 5- масштабный множитель, \фк} - набор начальных фаз - статистически независимых случайных величин, равномерно распределенных в интервале (0,2л). В подобном представлении ансамбль реализаций IV(х), соответствующих различным наборам {фк}, характеризуется нулевым средним и, отсутствием "тренда", в отличие от часто используемой "косинусной" функции Вейерштрасса с нулевыми начальными фазами гармоник. Интервал проявления фрактальных свойств IV(х) определяется числом гармоник N и значением параметра Ъ.

На основе анализа результатов статистического моделирования показано, что при дифракции остросфокусированных когерентных пучков на амплитудных экранах с функцией пропускания ((*) = {< + И7 (*)}/»„„ (где параметры < и 1тах оп-

ределялись в процессе моделирования для каждой реализации функции Вейер-штрасса IV(х), исходя из условия 0 < ¡(х) < 1) имеет место равенство фрактальных размерностей флуктуаций амплитуды граничного поля и интенсивности в параксиальной области дальнего поля (рис. 1).

18 1.6 14 1.2 1

1 1.2 1.4 1.6 1.8 Бт, . . . ц "и

а) б)

Рис. 1. Зависимость фрактальной размерности флуктуаций интенсивности в параксиальной области дальней зоны от фрактальной размерности флуктуаций амплитуды граничного поля для предфрактальных амплитудных экранов: а - с ненулевым средним значением амплитуды граничного поля, б - при нулевом среднем значении амплитуды граничного поля.

При смешанной амплитудно-фазовой модуляции с нулевым средним значением амплитуды граничного поля имеет место превышение значений фрактальной размерности флуктуаций интенсивности над соответствующей фрактальной размерностью амплитуды граничного поля; предельное значение последней, соответствующее £>, = 2, равно 1.75 (рис.1, б).

Установлено, что в случае дифракции сфокусированных лазерных пучков на одномерных случайных фазовых экранах с предфрактальными свойствами с ростом среднеквадратичного значения флуктуаций фазы граничного поля наблюдается эффект хаотизации. Данный эффект обусловлен как убыванием среднего граничного поля до значений, близких к 0, так и проявлением нелинейной взаимосвязи корреляционных характеристик флуктуации фазы и амплитуды граничного поля (рис.2).

Движение предфрактальных экранов, порождающих распределения амплитуды граничного поля со значениями £>(Л превышающими предельную величину 1.75, генерирует флуктуации интенсивности, характеризуемые значениями индекса спектральной плотности в интервале от 1 до 0. При этом величина фрактальной размерности, определяемая по близкому к 0 значению индекса структурной функции в интервале проявления фрактальных свойств, достигает 2 и не зависит от индекса структурной функции а/. В связи с этим в данном случае необходимо анализировать не мгновенные значения флуктуации интенсивности

1(ф в дальней зоне, а интегральные оценки вида 11(х)ск. Это позволяет исполь-

зовать скейлинговый анализ генерируемых подобным образом сигналов для анализа рассеивающих структур, характеризуемых значениями выше предельного.

0№=1.6

В0 □ £3 К й Ы СИВЙ Л

9 2'

Рис. 2. Зависимости фрактальной размерности флуктуаций амплитуды граничного поля (1) и детектируемых флуктуаций интенсивности (2) для предфрактальных фазовых экранов, описываемых функцией Вейерштрасса с О =1.6, от среднеквадратичного значения флуктуаций фазы.

Были проведены дифрактометрические эксперименты с оптически тонкими образцами т-гИго биотканей (в частности, образцами эпидермиса кожи человека в норме и после обработки диффундирующими иммерсионными агентами на основе водно-масляных эмульсий) с использованием разработанного лабораторного образца лазерного дифрактометра (рис.3). В результате анализа экспериментальных данных установлено, что значения первого спектрального момента пространственных флуктуаций мощности рассеянного излучения, зависящие от фрактальной размерности флуктуаций граничного поля для зондируемых объектов, обладают высокой чувствительностью к изменениям структурных характеристик образцов в результате обработки (рис.4). Значения спектрального индекса а, в степенном представлении полученных в эксперименте пространственных спектров мощности дифрагировавшего излучения для исследуемых объектов в зависимости от пространственной частоты 51(ю)а10> а' также демонстрируют высокую чувствительность к структурным изменениям исследуемых образцов.

Рис.3. Схема лазерного дифрактометра для анализа структуры оптически тонких слоев случайно-неоднородных сред. 1 - Не-Ые лазер, 2 - телескопическая система, 3 - образец, 4 - фурье-преобразующий объектив (Р — 210 мм), 5 - детектор (ФЭУ-55) с точечной диафрагмой (10 мкм), 6 - платформа с шаговым приводом (величина шага - 5 мкм), 7 - персональный компьютер.

Соответственно, значения спектрального индекса для интервала пространственных частот, характеризующего пространственную неоднородность клеточных структур исследуемых образцов, в комбинации со значением первого спектрального момента пространственных флуктуации мощности рассеянного излучения могут быть рекомендованы в качестве информативных параметров при дифрактометрическом экспресс-анализе морфологических особенностей образцов «\-vitro биотканей.

8\(у) ш"'

ЬЬмеробраз ца

Рис.4. Зависимости спектральных моментов первого порядка пространственных распределений интенсивности рассеянного исследуемыми образцами лазерного излучения от номера кожного отрыва, соответствующего глубине расположения биопсии в слое эпидермиса: сплошная линия - интактный эпидермис, штриховая (о\у) и пунктирная (\№) линии - эпидермис, обработанный водно-масляными эмульсиями с различными объемными долями составляющих.

В третьей главе рассмотрен новый подход к когерентно-оптической диагностике оптически тонких случайно-неоднородных сред со слабым поглощением, основанный на статистическом анализе флуктуаций интенсивности рассеянного излучения при зондировании среды коллимированным частично когерентным излучением в режиме детектирования рассеянного вперед света. С целью увеличения чувствительности к вариациям оптических параметров зондируемой среды предложено осуществлять дополнительную стохастическую фазовую модуляцию зондирующего излучения с помощью слоя случайно-неоднородной среды с заданными оптическими характеристиками («модулирующей среды»),

В главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния слабой фазовой модуляции многократно рассеянных частично когерентных световых полей на значение индекса мерцаний рассеянного излучения с применением разработанного лабораторного образца низкокогерентного спекл-коррелометра полного поля (рис. 5).

В качестве исследуемых объектов использовались модельные случайные фазовые экраны (отбеленные спеклограммы с различными значениями радиуса

корреляции г( и дисперсией флуктуации агф фазы граничного поля) с функциями плотности вероятности Н(<р) и структурными функциями оДр) флуктуаций фазы граничного поля, с приемлемой точностью допускающими следующие аппроксимации:

(1/л/2^^)ехр{-(^-3ст^/га;), (2)

О#05)-2а^-вф|г(|р|/г,)'|. (3)

Рис. 5. Схема низкокогерентного спекл-коррелометра полного поля. 1 - суперлюминесцентный диод с коллиматором, 2 - поляризатор, 3 - "модулирующая" среда, 4 - исследуемый образец (случайный фазовый экран), 5 -поляризатор, 6 — объектив, 7 — ПЗС-камера, 8 - персональный компьютер.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что убывание индекса мерцаний Д/?, детектируемого спекл-модулированного излучения в условиях низкокогерентной спекл-коррелометрии с дополнительной стохастической фазовой модуляцией зондирующего излучения происходит по линейному закону в зависимости от дисперсии фазы граничного поля для исследуемого образца. Коэффициент пропорциональности при этом равен 1-ехр[-(й/г^)" ], где Е - характерный размер участка объекта, разрешаемый оптической схемой спекл-коррелометра, гф - радиус корреляции флуктуаций фазы граничного поля, а -индекс, определяемый асимптотикой корреляционной функции фазы граничного поля (рис. 6).

Исходя из анализа результатов статистического моделирования стохастической интерференции частично когерентного излучения в слоях многократно рассеивающих сред, был сформулирован следующий критерий выбора толщины слоя Ь и транспортного коэффициента рассеяния модулирующей среды в зависимости от длины когерентности /с зондирующего излучения:

0.05/с < < 0.2/е (4)

0.04

0.0«

лр,

0.0 0.1 0.4 0.« 0.8 1.0

Рис. 6. Зависимость изменения индекса мерцаний рассеянного поля в плоскости изображения от параметра р{аф,гф) при введении объекта (СФЭ) в оптическую схему. 1 - аф = 0.7, гф = 7 мкм, а = 2 (осциллирующая автокорреляционная функция флуктуа-ций фазы граничного поля); 2 - аф = 1.4, гф =21 мкм, а = 1.6; 3 - <тф = 1.6, г, = 18.5 мкм, а = 1.6; 4 - аф = 1.7, гф = 18 мкм, а = 1.5;

5 - <тф = 1.95, ^ = 19 мкм, о = 1.6; 6 - аф = 1.4, г, = 6.5 мкм, а = 1.6 (осциллирующая автокорреляционная функция флуктуаций фазы граничного поля); 7 - аф =1.3, гф =4.1 мкм, а = 1.6; 8 - аф = 1.25, гф = 3 мкм, а = 1.65.

В четвертой главе обсуждаются фундаментальные основы лазерной спекл-коррелометрии полного поля применительно к зондированию случайно-неоднородных динамических сред. Основным критерием применимости данного метода является асимптотическая сходимость значений статистических моментов флуктуаций интенсивности спеклов, определяемых путем усреднения во временной и пространственной областях. Данный критерий выполняется для эр-годических и статистически однородных спекл-полей.

Качественный анализ статистики флуктуаций интенсивности 1Т интегрируемых по времени динамических спеклов в зависимости от времени интегрирования Т показывает, что для идеального случая регистрации развитого линейно поляризованного спекл-поля функция плотности вероятности p{lT) характеризуется асимптотическим поведением вида ,£?(/,._,„)->(l/{/r))exp(-/r/(/r});

Был выполнен анализ «дискретной» модели регистрации спекл-поля, в соответствии с которой отношение времени интегрирования спекл-структуры к времени корреляции флуктуаций интенсивности спеклов равно целому числу п =Т/тс и при моделировании определяет число статистически независимых реализаций спекл-поля, суммируемых для получения модельного изображения интегрированной по времени спекл-структуры. В результате анализа, что в идеальном случае при отсутствии шумов регистрации результирующее распределение регистрируемой интенсивности линейно-поляризованного развитого спекл-поля при дельта-коррелированной временной корреляционной функции поля описывается выражением:

" l I (5)

p(l)= ("/(rTÇL

Оценку степени трансформации формы плотности распределения интенсивности спеклов в зависимости от параметра п =Т/тс осуществлялась путем анализа безразмерных комбинаций статистических моментов 3 и 4 порядка флуктуации интенсивности - коэффициентов асимметрии и эксцесса функции плотности вероятности p(l) :

Ии^Ди'))2)!1 W

,4=((/-{/)У)/|(/-(/»2))2-3 (7)

С использованием известного соотношения для факториальных моментов в случае развитых спекл-полей: (j")/(j)" ="'• были получены асимптотические значения: /,(г)-»2;г4(г)(м -»6 и 0;;к4(г)|г^ -»0. Таким образом,

диапазон вариаций yjj') и yjT) при изменениях Т/тсот 0 до 00 существенно выше, чем в случае контраста интегрируемых по времени динамических спеклов —> —> 0 ), что соответствует их более высокой чувствительно-

сти к изменениям подвижности рассеивателей в спекл-коррелометрии полного поля.

С учетом (5) показано, что контраст, коэффициент асимметрии и коэффициент эксцесса в случае «дискретной» модели интегрирования динамических спеклов описываются выражениями:

V(n) = l/л/и (8)

Г,(И) = 2А£ (9)

У» = 6/и (Ю)

Для исследования возможности использования коэффициентов асимметрии и эксцесса в качестве диагностических параметров проведены эксперименты по спекл-коррелометрии полного поля динамических рассеивающих сред, в качестве которых использованы модельные образцы - шлифованный алюминиевый и полистироловый вращающиеся диски. Эксперименты проводились с использованием установки, схематически представленной на рис. 7.

Рис. 7. а- Схема экспериментальной установки. 1 - Не-Ые лазер, 2 - коллиматор, 3 -вращающийся диск, 4 - управляемый привод, 5 - ПЗС - камера с варифокальным объективом, 6 - плата видеозахвата, 7 - ПК.; б - фрагмент регистрируемого изображения динамических спеклов (А1 диск, частота вращения 0,01 Гц, экспозиция 60 мс; анизотропный характер спеклов обусловлен влиянием формы ирисовой диафрагмы объектива при малых значениях светосилы).

На рис. 8 приведены полученные в эксперименте зависимости У(т), у,(т) и у4{т) от времени интегрирования при частоте вращения дисков 0.01 Гц. В случае металлического диска («поверхностное рассеяние») асимптотические значения 2.6 и /4(г)к7 при минимальном времени интегрирования оказываются несколько больше теоретических значений для развитого спекл-поля /3(т)= 2 и /4(т) = 6, что предположительно обусловлено небольшими отклонениями функции плотности вероятности интенсивности от классической экспоненциальной формы при малых числах спеклов в пределах анализируемой зоны. Для полистиролового диска значения уъ(т) и ул(т) оказываются ниже теоретических оценок для развитого спекл-поля, что обусловлено влиянием многократного объемного рассеяния зондирующего излучения в модельном образце. Оценка средней кратности рассеяния зондирующего излучения с длиной волны 633 нм в режиме обратного рассеяния (Я) »4-5 по результатам спекл-корреляционного эксперимента удовлетворительно согласуется с данными об оптических характеристиках полимерных материалов в видимой области.

-с- т V ГП

-о- Г у. V — 7/7^

0.04 0.20 0.36 0.52 0.68 0.84 1.00

0.04 0.16 0.28 0.40 0.52 0.64 0.76 0.88 1.00

Т.

Рис. 8. Экспериментальные зависимости У(г), /,(г) и у4(г) - частота вращения образцов 0.01 Гц; и /3{Т)' - частота вращения 0.03 Гц (а - алюминиевый диск, б - полистироловый диск).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1. Установлено, что при дифракции сфокусированных лазерных пучков на одномерных предфрактальных амплитудных и фазовых экранах, характеризуемых существенно ненулевым средним значением амплитуды граничного поля, эффект хаотизации флуктуации интенсивности отсутствует и фрактальная размерность флуктуации интенсивности в дальней зоне дифракции равна фрактальной размерности флуктуации амплитуды или фазы граничного поля.

2. Показано, что эффект хаотизации проявляется при убывании среднего граничного поля до значений, близких к 0. Предельная фрактальная размерность флуктуаций амплитуды граничного поля, порождающего флуктуации интенсивности с фрактальной размерностью, близкой к 2, равна 1.75, что больше известного из литературы предельного значения для двумерных изотропных предфрактальных объектов, равного 1.5.

3. Предложенная в работе схема анализа амплитудно-фазовых флуктуаций граничного поля, эквивалентная сканированию объекта оптическим зондом малого размера с точечным детектором, расположенным в дальней зоне на оси зонда, может быть рассмотрена в качестве модификации сканирующей спекл-микроскопии. При этом локальные оценки фрактальной размерности детектируемого сигнала могут быть использованы для мониторинга и визуализации структуры рассеивающих объектов (например, оптически тонких образцов биотканей с выраженной анизотропией структуры).

3. Показано, что лазерная дифрактометрия оптически тонких слоев случайно-неоднородных сред с использованием в качестве диагностических параметров спектрального индекса пространственного спектра мощности и спектрального момента первого порядка позволяет выявить особенности структуры среды, в частности, существование предфрактальных свойств в определенном интервале пространственных масштабов.

4. Показано, что лазерная дифрактометрия оптически тонких т-уИго образцов биотканей позволяет осуществлять экспресс-анализ биотканей на предмет выявления структурных изменений, вызванных патологиями или воздействием различных физико-химических факторов, включая диффузию в объем ткани иммерсионных агентов и лекарственных препаратов. Это позволяет рекомендовать данный метод для морфологического экспресс-анализа образцов тканей в лабораторных условиях.

5. Показано, что индекс мерцаний рассеянного частично когерентного излучения характеризуется максимальной чувствительностью к изменениям геометрии рассеяния или оптических характеристик рассеивающей среды при ее освещении источником излучения с длиной когерентности порядка среднего значения разностей оптических путей парциальных составляющих рассеянного поля в среде. Данная особенность может быть использована в методиках низкокогерентного зондирования случайно-неоднородных сред на основе статистического анализа флуктуаций интенсивности спекл-модулированного рассеянного излучения.

6. Разработанный метод низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования с дополнительной стохастической фазовой модуляцией зондирующего частично когерентного излучения предлагается использовать для экспресс-анализа оптически тонких случайно-неоднородных объектов. Показано, что при введении зондируемого объекта в оптическую систему измеренные значения декремента индекса мерцаний спекл-поля, формируемого непосредственно за зондируемой средой, позволяют оценить среднеквадратичное значение и радиус корреляции флуктуаций фазы граничного поля, характеризующие структуру зондируемого объекта. Чувствительность метода и диапазон измерений варьируются путем задания глубины стохастической фазовой модуляции и выбора длины когерентности источника излучения.

7. Показано, что выборочные значения статистических моментов третьего и более высоких порядков пространственных флуктуаций интегрируемых по времени динамических спеклов характеризуются более высокой чувствительностью к вариациям подвижности рассеивателей по сравнению с традиционно используемым контрастом. Это позволяет рекомендовать в качестве диагностических параметров при спекл-коррелометрическом анализе «медленной» динамики рассеивающих центров в гетерогенных системах (например, медленного испаре-

ния жидкой фазы из пористых слоев, процессов массопереноса с малыми скоростями в живых системах и др.) значения коэффициентов асимметрии и эксцесса флуктуаций интенсивности интегрируемых по времени динамических спеклов.

В качестве возможных направлений дальнейших исследований могут быть предложено следующее:

1) исследование дополнительных возможностей метода низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования с дополнительной стохастической фазовой модуляцией зондирующего пучка в части определения дисперсии и радиуса корреляции фазы граничного поля для зондируемых объектов при использовании различных условий детектирования, приводящих к различным значениям нормировочного коэффициента для зависимости декремента индекса мерцания от дисперсии фазы граничного поля, а также разработка аналитической модели для описания взаимосвязи между оптическими параметрами зондируемых объектов (коэффициентом рассеяния, параметром анизотропии рассеяния) и дисперсией и радиусом корреляции фазы граничного поля;

2) развитие методики и модернизация инструментального обеспечения лазерной дифрактометрии оптически тонких слоев случайно-неоднородных сред при комплексном использования многоэлементных матричных ПЗС и КМОП фотоприемников и многоволнового зондирования в видимой и ближней ИК областях;

3) установление и экспериментальная проверка аналитических зависимостей значений асимметрии и эксцесса флуктуаций интенсивности интегрируемых по времени динамических спеклов от параметров функций распределения рассевающих центров в зондируемой среде по значениям показателей подвижности для различных типов динамики рассеивателей (диффузионное движение, диффузионное движение с медленным или быстрым дрейфом, потоковое движение со сложной пространственной структурой).

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Зимняков Д.А., Хмара М.Б., Виленский М.А., Козлов В.В., Горфин-кель И.В., Здражевский P.A., Исаева A.A. Спекл-корреляционный мониторинг микрогемодинамики внутренних органов // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. №6. С. 941-947.

2. Зимняков Д.А., Здражевский P.A., Трифонов В.А., Гурьянов Е.В., Жимский A.B. О влиянии фазовой модуляции рассеянного излучения на асимптотический свойства индекса мерцаний частично когерентных спекл-полей // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. №.20. С.88-94.

3. Виленский М. А., Агафонов Д. Н., Зимняков Д. А., Тучин В. В., Здражевский Р. А. Спекл-корреляционный анализ микрокапиллярного кровотока ногтевого ложа//Квантовая электроника. 2011. Т.41. №4. С.324—328.

4. Зимняков Д.А., Здражевский Р.А., Ушакова О.В. О выборе диагностических параметров в спеклкоррелометрии полного поля // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. В. 23. С. 1-9.

5. Zimnyakov D.A, Khmara М.В., Vilensky М.А., Kozlov V.V., Gorfinkel I.V., Zdrajevsky R.A., Speckle-correlation monitoring of the internal micro-vascular flow // Proc. of SPIE. V. 7388. P.73881B (2009).

6. Zdrajevsky R.A., Ushakova O.V,. Zimnyakov D.A., Asymptotic behavior of the higher-order statistics of time-integrated speckle patterns and sensitivity of full-field speckle techniques to scatter mobility // Proc. of SPIE. 8338, 833816(2011).

Публикации в других изданиях

7. Зимняков Д.А., Переточкин И.С., Здражевский Р.А. О предельной размерности флуктуаций интенсивности при дифракции когерентных пучков на предфрактальных экранах // Проблемы точной механики и управления. Сборник научных трудов. Саратов: Изд-во СГТУ, 2002. С. 158-169.

8. Зимняков Д.А., Здражевский Р.А. Анализ моментов пространственных спектров применительно к дифрактометрии биологических объектов // Проблемы точной механики и управления. Сборник научных трудов. Саратов: Изд-во СГТУ, 2004. С.78-82.

9. Здражевский Р.А. Визуализация макронеоднородностей в рассеивающих средах с использованием непрерывного лазерного излучения: перспективы использования в биологии и медицине // Проблемы нелинейной оптики. Сборник научных трудов СГУ. Саратов: Изд-во СГУ, 2000. С. 101-103.

10. Kuznetsova L.V., Zdrajevsky R.A., Zimnyakov D.A., Shadow inversion in cw transillumination imaging and image projection function of highly scattering medium with absorbing inhomogeneity // Proc. of SPIE. 2001. V. 4242. pp.271-274.

11. Zimnyakov D.A., Tuchin V.V., Zdrajevsky R.A., Sinichkin Y.P., Coherent and polarization imaging: novel approaches in tissue diagnostics by laser light scattering// Proc. of SPIE. 2000. V. 3927. pp.179-194.

12. Kulyabina T.V., Zdrajevsky R.A., Kochubey V.I., Zimnyakov D.A., Coherent optical analysis of crystal-like patterns induced by human blood plasma desiccation // Proc. of SPIE. 2001. V. 4242. pp.282-285.

Формат 60x84 1/16. Подписано в печать 26.12.2011 г. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Объём - 1 печ. л. Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Здражевский, Роман Анатольевич, Саратов

61 12-1/479

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

На правах рукописи

Здражевский Роман Анатольевич

РАЗВИТИЕ ЛАЗЕРНЫХ СПЕКЛ-КОРРЕЛОМЕТРИЧЕСКИХ И ДИФРАКТОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЗОНДИРОВАНИЯ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Д.А. Зимняков

Саратов -2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ............................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА I. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ, ДИФРАКТОМЕТРИИ И СПЕКЛ-КОРРЕЛОМЕТРИИ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ РАССЕВАЮЩИХ СРЕД 17

1.1. Оптические методы анализа структуры случайно-неоднородных сред.. 17

1.2. Лазерные методы анализа динамики случайно-неоднородных сред......29

1.3. Фрактальные модели в оптике рассеивающих сред..................................43

1.4. Краткие выводы по главе.............................................................................45

ГЛАВА II. ЛАЗЕРНАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ АМПЛИТУДНЫХ И ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРЕДФРАКТАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ.................................46

2.1. Введение.........................................................................................................46

2.1. Дифракция остросфокусированных когерентных пучков на движущихся пред фрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах.......................47

2.2. Дифрактомерия т-у^го образцов эпидермиса кожи человека с различной морфологией.............................................................................................................70

2.3 Краткие выводы по главе..............................................................................83

ГЛАВА III. НИЗКОКОГЕРЕНТНОЕ СПЕКЛ-КОРРЕЛЯЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД В УСЛОВИЯХ СЛАБОЙ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПУЧКА...................85

3.1 Введение..........................................................................................................85

3.2. Статистический анализ оптических путей парциальных составляющих рассеянных оптических полей применительно к спекл-корреляционнои диагностике оптически тонких случайно-неоднородных сред............................86

3.3. Метод низкокогерентного спекл-корреляционного зондирования оптически тонких случайно-неоднородных сред..................................................94

3.4. Краткие выводы по главе...........................................................................100

ГЛАВА IV. СПЕКЛ-КОРРЕЛОМЕТРИЯ ПОЛНОГО ПОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ РАССЕВАЮЩИХ СРЕД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАТИСТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ ВЫСШЕГО

ПОРЯДКА В КАЧЕСТВЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ................102

4.1 Введение........................................................................................................102

4.2. Статистические свойства рассеянного спекл-модулированного излучения..................................................................................................................102

4.3. Спекл-коррелометрия полного поля динамических случайно-неоднородных рассевающих сред.........................................................................110

4.4. Методика проведения эксперимента и обсуждение экспериментальных результатов...............................................................................................................124

4.5. Краткие выводы по главе...........................................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................132

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................136

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных направлений лазерной физики является разработка фундаментальных основ и практических приложений методов бесконтактного зондирования оптически неоднородных объектов и сред с использованием лазерного излучения. В качестве параметров, несущих информацию о структуре и динамике рассеивающих объектов, могут быть использованы статистические моменты различных порядков характеристик рассеянного лазерного излучения: интенсивности^ ; фазы, поляризации, а также их комбинации, рассматриваемые в-шйлоотъе диагностических параметров, чувствительных к изменениям структуры; и динамики зондируемых объектов. Ряд важных результатов, полученных>з статистической радиофизике [1; 2; 10; 11] при решении задач взаимодействия электромагнитного излучения радио диапазона с рассеивающими средами, впоследствии был с успехом применен при рассмотрении аналогичных проблем в оптическом диапазоне [529].

С момента создания лазерных-^источников на протяжении пяти десятилетий, интенсивное развитие тоэтики и технологий в области создания новых источников и приемников оптического излучения стимулировало значительный интерес к решению , фундаментальных и прикладных задач исследования процессов взаимодействия когерентного излучения с ансамблями движущихся рассеивателей различной природы [29-42]. Классическим!* примерами прикладных задач, успешно решаемых с помощью анализа стохастических интерференционных сигналов, формируемых в результате динамического рассеяния лазерного излучения, являются задачи визуализации и определения скорости движения-раесенвателей в оптически неоднородных средах [31-38] и параметров потоков газог^ жидкостей и сыпучих материалов [39-42]. Следует также отметить успешное применение методов квазиупругого рассеяния света к анализу дисперсных систем со сложной структурой т* динамикой: полимеризующихся сред, процессов агрегации и кластеризации

частиц в коллоидных системах, вспененных материалов с изменяющимися во времени характеристиками и др. [73-81].

Группа методов, получивших в процессе их развития различные наименования: диффузионно-волновая спектроскопия, спектроскопия оптического смешения, корреляционная спектроскопия, спектроскопия квазиупругого рассеяния и др., основана на анализе биений детектируемого оптического сигнала, формируемого в результате стохастической интерференции составляющих рассеянного поля с разными мгновенными значениями доплеровского сдвига -вследствие рассеяния зондирующего излучения на динамическом ансамбле случайных рассеивателей. Данные методы развивались преимущественно в приложении к исследованиям динамических рассеивающих систем, состоящих из ансамблей невзаимодействующих рассеивающих частиц, находящихся в броуновском движении. Это направление стало традиционным для корреляционного анализа случайных оптических полей (42.83-97]. -

Вместе с тем, возможны аналогичные подходы и к исследованиям структурных характеристик стационарных объектов и сред, исследование пространственно-временных флуктуаций интенсивности при сканировании исследуемых объектов [98 - 158]. Подобный подход может быть условно назван пространственной спекл-коррелометрией..

Традиционно в ходе корреляционного анализа применительно к оптическому зондированию объектов со случайной структурой определяемыми параметрами являются пространственно-временные масштабы корреляции или соответствующие спектральные характеристики. Вместе с тем, возможен другой подход к анализу исследуемых квазислучайных сигналов, использующий представление о данных сигналах как одномерных или двумерных обобщенных броуновских процессах, обладающих предфрактальными свойствами. Применение данного подхода позволяет расширить число информативных параметров, используемых для описания

исследуемой рассеивающей системы. Принципы, лежащие в основе применения данного подхода, рассматривались в ряде работ [159-189].

Вместе с тем, в настоящее время недостаточно хороню исследованы вопросы взаимосвязей статистических и масштабных свойств флуктуаций интенсивности детектируемого оптического сигнала со структурными и динамическими характеристиками случайно-неоднородных рассеивающих систем, а также влияние на эти взаимосвязи условий зондирования рассеивающих систем лазерным когерентным и частично когерентным излучением.

В связи с этим целью данной работы явилось развитие существующих и разработка новых методов лазерной дифрактометрии и спекл-коррелометрии динамических и статических случайно-неоднородных рассевающих сред при зондировании лазерным когерентным и частично-когерентным излучением на основе теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязей статистических и масштабных свойств спекл-модулированных оптических полей со структурными и динамическими характеристиками порождающих их рассеивающих систем.

В рамках решения поставленной проблемы решались следующие задачи:

1. теоретические исследования особенностей эффекта хаотизации флуктуаций интенсивности рассеянного излучения при дифракции остросфокусированных лазерных - пучков на движущихся предфрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах;

2. экспериментальные исследования применимости оценок спектральных моментов пространственных распределений интенсивности рассеянного вперед лазерного излучения для количественного описания особенностей структуры оптически тонких слоев случайно-неоднородных сред (в том числе изменений морфологии т-уИго образцов биотканей при воздействии различных агентов);

3. теоретический анализ и экспериментальная апробация метода зондирования оптически тонких случайно-неоднородных сред с использованием частично когерентного излучения в условиях дополнительной стохастической фазовой модуляции зондирующего пучка;

4. исследование возможности повышения чувствительности метода спекл-коррелометрии полного поля применительно к зондированию нестационарных случайно-неоднородных сред путем использования выборочных оценок коэффициентов асимметрии и эксцесса пространственных флуктуаций интенсивности интегрируемых по времени динамических спеклов как диагностических параметров.

Объектами исследования в диссертационной работе являются рассеянные оптические поля, формируемые при взаимодействии лазерного излучения с оптически тонкими и многократно рассеивающими модельными средами (в частности, с ш-у/уо и т-уИго биологическими тканями), а также стохастические и детерминированные теоретические модели для описания процессов дифракции и рассеяния лазерного излучения случайно-неоднородными средами.

Предметом исследования являются свойства разработанных в ходе выполнения работы физических и математических моделей; результат!., аналитических исследований и натурных экспериментов в форме зарегистрированных временных и пространственных флуктуаций интенсивности световых полей, формируемых в результате взаимодействия когерентного и частично когерентного излучения с рассеивающими системами различной природы; результаты статистического моделирования взаимодействия световых полей со случайно-неоднородными средами для различных условий.

неоднородных средах, приближенного аналитического и численного решения прямых дифракционных задач и задач теории рассеяния электромагнитного излучения, теории случайных процессов и статистические методы.

Научная новизна работы:

2. Впервые исследованы особенности проявления эффекта хаотизации при дифракции сфокусированных лазерных пучков на движущихся предфрактальных одномерных амплитудных и фазовых экранах и наблюдении флуктуаций интенсивности в параксиальной области дальнего поля. Впервые установлена взаимосвязь фрактальных размерностей пространственных флуктуаций амплитуды и фазы граничного поля и наблюдаемых временных флуктуаций интенсивности в зависимости от глубины модуляции фазы зондирующего лазерного пучка для пространственных масштабов, где структурная функция флуктуаций фазы Д„(А?) = 1{Ф(г + Дг) -Ф(7)}2) > 1.

3. В экспериментах с т-уИго образцами эпидермиса кожи человека впервые продемонстрирована возможность лазерного дифрактометрического экспресс-мониторинга морфологических изменений оптически тонких биологических объектов с использованием в качестве диагностического параметра значений первого спектрального момента и спектрального индекса (показателя степени) пространственных спектров лазерного излучения, рассеянного вперед зондируемыми объектами.

4. Впервые в экспериментах с рассеивающими средами, характеризуемыми как поверхностным, так и объемным рассеянием,

продемонстрирована возможность повышения чувствительности метода спекл-коррелометрии полного поля к вариациям подвижности рассеивающих центров в зондируемой среде на основе использования в качестве диагностических параметров коэффициентов асимметрии и эксцесса пространственных флуктуаций яркости усредненных по времени спекл-модулированных изображений поверхности зондируемой среды.

Практическая значимость результатов исследований.

Использование в качестве диагностического параметра значений спектрального индекса (показателя степени) пространственных спектров мощности рассеянного исследуемыми объектами лазерного излучения расширяет функциональные возможности лазерной дифрактометрии и увеличивает ее чувствительность к структурным изменениям гп-хЫго образцов биотканей при проведении оптической биопсии в лабораторных условиях.

Полученные зависимости фрактальной размерности флуктуаций интенсивности детектируемого оптического сигнала от фрактальной размерности флуктуаций амплитуды или фазы граничного поля в случае зондирования пред-фрактальных амплитудных и фазовых объектов лазерными пучками представляют собой фундаментальную основу для дальнейшего развития метода сканирующей спекл-коррелометрии.

Достоверность результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. При сканировании сфокусированными лазерными пучками случайных одномерных амплитудных и фазовых экранов с предфрактальными свойствами зависимость фрактальной размерности £>/ флуктуаций интенсивности в параксиальной области дальней зоны дифракции от фрактальной размерности флуктуаций амплитуды граничного поля Ии представима линейной функцией вида £>7 = аВу+ (Зо-(р+у с коэффициентами а , ¡3 , у , зависящими от характера и

глубины стохастической модуляции фазы а^ зондирующего пучка.

обладают максимальной чувствительностью к изменениям структурных характеристик среды в области пространственных частот, соответствующих структуре зондируемого образца.