Высокочувствительные лазерные измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ОРЛОВ Валерий Александрович

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И СКОРОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОМЕХ

Специальность 01.04.05- оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2003

Работа выполнена в Институте лазерной физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН В.Я Панченко

доктор физико-математических наук,

профессор В.С Егоров

доктор физико-математических наук,

профессор Е.В Бакланов

Ведущая организация: Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита диссертации состоится "_" _2003 года в_часов на

заседании диссертационного совета ДООЗ.024.01 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 "_ "_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.- м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

С появлением лазеров оптика получила мощнейший инструмент для научных исследований. Важное место в широком круге их применений занимают лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия, начало развития, которых положено соответственно в работах [1] и [2]. Исследования в этих направлениях показали, что лазерные методы и средства, использующие в своей основе квантовые генераторы с узкой спектральной линией излучения, позволяют измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне регистрируемых величин. Методы создания таких высокостабильных лазерных источников в настоящее время разработаны достаточно хорошо [3,4]. Большим преимуществом лазерных измерений является то, что они осуществляются дистанционно в условиях пренебрежимо малых квантово -механических возмущений, т.е. по существу бесконтактным способом. В настоящее время прецизионные фазочувствительные лазерные системы [5] служат метрологической основой большого поля измерительной техники в таких областях как дальнометрия, анемометрия, деформография, локация, спектроскопия светового рассеяния и т.д. Они также эффективно используются в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы [6], химии [7], биологии и медицине [8]. Развитие указанных направлений за 40 лет своего существования шагнуло далеко вперед. С помощью лазерных доплеровских измерителей скорости стало возможным исследование сложных градиентных и пульсирующих течений [9], а достигнутая высокая чувствительность вакуумированных интерферометров перемещений с базой несколько километров сделала реальной постановку экспериментов по детектированию гравитационных волн [10]. Тем не менее, к началу наших работ существовал ряд проблем, решение которых не было очевидным и требовало поисковых исследований. Это, в частности, относилось к проблемам измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех. Речь идет о помехах, обусловленных природой или спецификой изучаемого объекта, при исследовании которого практически невозможно изменить окружающую объект среду или условия его существования без ущерба достоверности получаемой информации. Для устранения вредного влияния указанных помех в каждом конкретном случае требуется разрабатывать соответствующую лазерную систему, позволяющую в измерениях достигать высокого отношения сигнал/шум. Одна из таких проблем относилась к локальным измерениям скорости труднодоступных объектов и объемных потоков сред, сильнорассеивающих оптическое излучение, когда прямое зондирование лазерными пучками невозможно. В дальнейшем использование в таких задачах тонких бдноволоконных световодов позволило существенно продвинуться вперед. Впервые идея

использования одноволоконного световода в измерениях скорости продемонстрирована в [11 ]. К отмеченной проблеме тесно примыкала другая, связанная с исследованием слаборассеивающих или слабоотражающих движущихся объектов. Как показывает опыт, очевидное ее решение путем выбора соответствующих мощного лазерного источника и высокочувствительного фотоприемного устройства не всегда приводит к желаемому результату. Решение проблемы могло быть достигнуто путем поиска оригинальной высокочувствительной оптической схемы, например, используя принцип обратного отражения в лазер [12]. Следующая проблема, которая не была решена, касается регистрации малых относительных деформаций земной коры в присутствии естественных атмосферных возмущений. Проведение таких измерений на больших расстояниях с базой несколько километров продиктовано целесообразностью изучения подвижек земной коры в зоне ее разломов, где в подавляющем числе случаев формируются очаги сейсмособытий. Важным в этих измерениях является регистрация предвестников землетрясений. Как правило, зоны сейсмоактивных разломов расположены в горной местности и в поперечном направлении имеют достаточно большую протяженность. В этих условиях применение известных методов интерферометрии [13,14] с экранировкой измерительного плеча от атмосферных помех, несмотря на их высокую чувствительность, становится проблематичным. Для радикального решения указанной проблемы требовалась разработка специальных методик, позволяющих проводить измерения малых деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы. Несколько менее жесткие требования предъявляются к регистрирующей лазерной аппаратуре, когда речь идет об измерениях в штольнях, шахтах, пещерах, и т.п. [15-18]. В этом случае приходится решать те же задачи, что и при болынебазовых измерениях. Использование же вакуумированных лучеводов, является дорогостоящим и не всегда удобным, особенно в процессе длительных непрерывных наблюдений.

Еще одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения применения лазерных систем в медико-биологических исследованиях, являлась проблема высокоточного измерения характеристик движения микрообъектов живой природы, таких как клетки и микрочастицы крови, белки, микроорганизмы, вирусы, молекулы ДНК и т.д. Те трудности, с которыми спектроскопия оптического рассеяния [19-21] столкнулась в биологии к концу 70-х годов прошедшего столетия, были напрямую связаны с недостаточным спектральным разрешением метода светового рассеяния. Достигнутая к этому времени в спектроскопии светового рассеяния разрешающая сила на уровне 1014, определяемая характеристиками оптической и электронной систем, не позволяли, в частности, измерять очень малые скорости и~1 мкм/с микрообъектов, а также особенности их случайного или детерминированного движения в одночастичном режиме

рассеяния. Многочисленные исследования носили скорее статистический, качественный характер, чем детальный, количественный. В результате, при таком изучении, из-за слабого уровня рассеянного сигнала и низкого спектрального разрешения оставались в тени многие детали собственной подвижности исследуемых живых микрообъектов, а также особенности их взаимодействия с водной средой. Как было показано нашими исследованиями, результаты которых приведены ниже, влияние такого взаимодействия может проявляться как неизвестное свойство жидкости, мешающее получению информации об исследуемых микрообъектах. И только, если последние выступают в роли тестовых или пробных микрочастиц, физические характеристики которых заранее известны, появляется возможность изучать собственно динамические свойства жидкости, в том числе ранее неизвестные.

Данная диссертационная работа посвящена разработке новых физических принципов и методик, позволяющих на основе использования гетеродинных лазерных методов и средств реализовать высокую точность и чувствительность измерений малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех, а также получению экспериментального подтверждения их эффективности при наблюдении неизвестных ранее свойств, явлений и закономерностей.

Цель и задачи работы Цель настоящей работы состоит в проведении физических исследований, направленных на поиск высокочувствительных лазерных методов измерения малых перемещений и скоростей в условиях низкого отношения сигнал/шум, обусловленного природой и спецификой изучаемых объектов.

В задачи исследований входило

• Разработка методов измерения скоростей сильнорассеиваюгцих сред и труднодоступных объектов на основе использования волоконно-оптических зондов.

• Разработка физических основ высокочувствительной лазерной системы для измерения скоростей объектов, слаборассеивающих, слабоотражающих зондирующее оптическое излучение.

• Разработка прецизионных гетеродинных лазерных комплексов, способных в широкой полосе периодов колебаний регистрировать малые деформационные перемещения земной коры в условиях открытой атмосферы для непрерывного болыыебазового геодинамического мониторинга и поиска предвестников землетрясений.

• Создание высокоразрешающего метода спектроскопии светового рассеяния и обоснование его применений для исследования низкоскоростных микрообъектов живой и неживой природы. Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые.

1. Теоретически обоснованы и экспериментальными исследованиями подтверждены возможности лазерного доплеровского анемометра на основе одноволоконного гетеродинного или дифференциального световодного датчика без специальной формирующей и приемной оптики для зондирующего и рассеянного назад излучения локально измерять с 5% точностью скорость труднодоступных объектов; включая потоки сильно рассеивающих сред, средний размер оптических неоднородностей которых соизмерим или превышает диаметр оптического волокна.

2. Теоретически обосновано и экспериментально показано, что для двухчастотного лазерного анемометра на основе световодного датчика с параллельными двумя зондирующими и одним приемным оптическими волокнами, ортогонально ориентированными в исследуемом потоке сильнорассеивающей мелкодисперсной среды, ( например : кровь, молоко, и т.п.) относительная погрешность измерения локальной скорости по регистрируемому доплеровскому уширению спектра фотоэлектрического сигнала не превышает 10%, а сам измеритель требует предварительной калибровки.

3. Предложена и экспериментально реализована активная линейная система ЛДА с одноволоконным световодом на примере использования стабилизированного аргонового лазера, позволяющая проводить локальные измерения малых скоростей (V< 1м/с) труднодоступных объектов с высоким ~ 40 дб отношением сигнал/шум.

4. Предложена активная схема ЛДА, основанная на явлении модуляции коэффициента связи между встречными волнами в кольцевом ОКГ. Теоретически и экспериментально показано, что при прочих равных условиях чувствительность кольцевой системы к слабому обратному рассеянию от движущегося объекта существенно выше, чем в аналогичной линейной системе, и, при соответствующих резонансных условиях одночастотной генерации, выигрыш в отношении сигнал/шум может составлять несколько порядков.

5. Предложен гетеродинный фазочувствительный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе лазеров и реализован в системах регистрации деформаций земной коры в условиях открытых протяженных трасс и слабого обратного сигнала. На базе 1км зарегистрированы микронные перемещения на частоте ~ 1Гц. Экспериментально, на базах до 5 км, определены ограничения на относительную чувствительность болыпебазового лазерного деформографа к смещениям величиной ~10"7 для периодов колебаний в области 1-Ючасов, связанные с турбулентностью атмосферы.

6. Разработаны прецизионные болыпебазовые гетеродинные системы измерения малых перемещений с использованием синхронизированных по фазе СОг лазеров и частотносдвигающих акустооптических

модуляторов, а также дифференциальные методики регистрации полезного сигнала, позволяющие исключить влияние суточных вариаций показателя преломления воздуха в зоне измерений до уровня 10 . С их помощью в условиях разломов земной коры на базах ~2 км зарегистрированы приливные деформации земной поверхности с амплитудой колебаний ~2мм.

7. На основе двух синхронизированных по фазе He-Ne ОКГ разработан автоматизированный гетеродинный лазерный деформограф с коротким компенсационным интерферометр ическим плечом длиной ~1м, позволяющий на базах до 100м в присутствии атмосферы в условиях штольни проводить измерения деформации горных пород с относительной чувствительностью 10~9+10"w в широком диапазоне частот, включающем сейсмические, приливные и сезонные колебания земной поверхности, а также регистрировать аномальные деформационные процессы накануне землетрясений.

8. С помощью оригинальных высокочувствительных лазерных наблюдений в штольне БРЗ обнаружены аномалии в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых за несколько часов или суток до сейсмических событий, как их предвестники и неизвестное ранее явление вариации амплитуды микродеформационного шума с 24 часовым периодом, обусловленное изменением гравитационного потенциала Солнца в верхних слоях неоднородной по плотности Земли.

9. На основе созданного автоматизированного гетеродинного спектрометра светового рассеяния с высокой разрешающей силой R>1015 разработан новый метод прецизионного измерения физических характеристик детерминированного и случайного движения микрообъектов в жидкостях, в том числе биологических. Экспериментальными исследованиями на компонентах крови и молока, а также микроорганизмах, установлено, что разработанный метод, в отличие от известных, позволяет по регистрируемому малому доплеровскому сдвигу частоты и уширению спектральной линии расссякия определять ипфрапизкне скорости микрообъектов V<1mkm/c, их размеры в широком диапазоне 10'3< d<] 03мкм и концентрацию.

10. На базе созданного спектрометра с уникальным разрешением и высокой чувствительностью к слабым уровням рассеяния предложен новый метод обнаружения и идентификации микроорганизмов, использующий различие их собственной подвижности в водной среде. Его преимущество по сравнению с известными биологическими методами экспериментально обосновано обнаруженными динамическими отличиями в спектральных характеристиках сигналов многочастичного рассеяния на бактериальных клетках Escherichia coli и Pseudomonas, а

также особенностями процесса размножения микробов в питательной среде зарегистрированными в одночастичном режиме рассеяния.

11. Разработан спектрометр светового рассеяния с уникальным разрешением 0.001Гц. Благодаря фазовой чувствительности созданного спектрометра обнаружены неизвестные видовые особенности собственной подвижности микроорганизмов в водной среде, на примере нескольких видов, а также на основе новых экспериментальных данных, выявивших узкую часть линии рассеяния в водных растворах биологических макромолекул, подтверждена, высказанная ранее теоретически, двухструктурная модель воды.

12. На основе явления светового рассеяния предложен и экспериментально осуществлен фазочувствительный лазерный метод изучения подвижности микрообъектов живой и неживой природы, использующий оригинальный принцип детектирования микроперемещений. Его научно-практическая эффективность теоретически и экспериментально подтверждена на примере установления нового закона броуновского движения единичных частиц на малых временах наблюдения т«1с. Этот метод позволяет на более высоком уровне исследовать неизвестные ранее структурно-динамические свойства жидкостей.

Практическая ценность

- Разработанные новые лазерные доплеровские измерители скорости с одноволоконными световодами внедрены в практику гидродинамического эксперимента в Институтах РАН для исследований двухфазных потоков, а также могут быть использованы на натурных объектах для определения скорости крови в кровеносных сосудах человека и животных, измерения скорости судна относительно водной поверхности, в криогенных экспериментах и др.

- Кольцевая активная лазерная система, впервые предложенная для измерения скорости, может быть эффективно использована для дистанционного изучения подвижных слабоотражающих объектов.

- Разработанные гетеродинные лазерные системы для измерения малых перемещений на больших расстояниях с базой порядка нескольких километров позволяют регистрировать деформационные процессы земной коры в зоне литосферных разломов. Это позволяет наблюдать и изучать формирование очагов землетрясений.

- Гетеродинный Не-№ лазерный автоматизированный деформографический комплекс с высокой относительной чувствительностью 10" -10' , в широкой полосе частот, специально разработанный для систематических геофизических наблюдений за деформациями земной коры в сейсмоактивных зонах на базах до 100м, позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.

- Созданный высокочувствительный лазерный спектрометр светового рассеяния с разрешающей силой 1018, используемый в практике биофизического эксперимента по изучению подвижности единичных микрообъектов живой и неживой природы позволил разработать основы нового экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Разработанные лазерные доплеровские анемометры на основе одноволоконных световодных датчиков с соответствующими геометрией и параметрами волокон позволяют без специальной формирующей и приемной оптики для зондирующего и рассеянного назад излучения измерять с 10% точностью скорость объектов, недоступных для прямого локального зондирования лазерными пучками, включая потоки оптически неоднородных сильнорассеивающих сред.

2. Активная кольцевая лазерная система, предложенная для исследования характеристик движения низкоскоростных объектов, на один-два порядка выше по чувствительности к слабому обратному отражению или рассеянию, чем известная линейная, а в сочетании с одноволоконным световодным датчиком ее преимущество распространяется и на объекты, труднодоступные для прямого зондирования.

3. Новые прецизионные гетеродинные системы и методики измерения малых линейных перемещений, использующие в основе синхронизированные по фазе лазеры и частотно-сдвигающие акустооптические модуляторы, позволяют на километровых базах в открытой атмосфере регистрировать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне периодов с относительной чувствительностью ~ 10"7 и детерминированные колебательные смещения в герцовом диапазоне частот на уровне 10"9.

4. Разработанный для измерений в штольне автоматизированный лазерный деформографический комплекс, обладающий в присутствии атмосферы высокой относительной чувствительностью 10"9-н10~ш к малым перемещениям в широком диапазоне периодов колебаний 10°-И07с, позволяет регистрировать собственные и приливные колебания Земли, предвестники землетрясений и детерминированные суточные вариации микродеформационного шума и является новым эффективным средством для изучения процессов и явлений в земной коре, в том числе ее напряженно-деформированных состояний, сопровождающих сейсмичность.

5. Разработанные автоматизированный гетеродинный спектрометр светового рассеяния и метод измерения физических характеристик детерминированного и броуновского движения микрообъектов в жидкости позволяют по регистрируемым в динамике доплеровскому сдвигу частоты и спектральной ширине линии рассеяния с разрешающей

силой Я>1015 определять размеры частиц в диапазоне 10'3< с1< 103мкм, их концентрацию, а также малые скорости У<1мкм/с и их вариации при детектировании отличительных особенностей подвижности живых и неживых объектов.

6. Разработанный фазочувствительный метод спектроскопии светового рассеяния с разрешением 10"3Гц, позволивший обнаружить видовые особенности собственной подвижности микроорганизмов, кластерные образования микронного масштаба в водных растворах ДНК и установить квадратичный закон броуновского движения частиц на малых временах наблюдения т«1с, является новым научным методом в изучении характеристик движения микрообъектов различного происхождения и структурно-динамических свойств жидкостей.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в получении представленных в данной диссертации результатов состоит в следующем:

1. Соискателем самостоятельно выдвинуты ряд нерешенных ранее проблем, и в соответствии с ними постановка задач, несмотря на то, что большая часть исследований выполнена в авторском коллективе.

2. Весь материал данной диссертации, начиная от идей постановки эксперимента и кончая подготовкой публикаций и выступлениями на научных конференциях, сделаны по инициативе и непосредственно автором диссертации.

3. Представленные в работе основные результаты в виде сформулированных защищаемых положений, научной новизны и выводов получены и обоснованы лично автором.

4. Автором внесен решающий вклад в получении результатов, имеющих мировую новизну, что позволило создать новое научное направление в области исследования низкоскоростных объектов лазерными методами-«Высокочувствительные лазерные измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех»

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); Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); Международной научно-практической конференции "Новое в лазерной медицине" (Бишкек, 1995); 15-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995); Iя International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1995); ), The International Conference on Nonlinear Dynamics and Chaos. Applications in Physics and Medicine (Saratov, Russia,

1996); 6th International Conference on Laser Applications in Life Sciences (Jena, Germany, 1996); 2nd International Symposium "Modem Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997); Russia - German Laser Symposium (Novosibirsk,

1997); BiOS'98 (San Jose, USA, 1998); . XVIth International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow, 1998); 8th International Laser Physics Workshop (Budapest, Hungary, 1999); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 2000). IX International conference on Laser applications in life sciences (Vilnius, 2002). В 1981г соискатель удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР за разработку и создание лазерного доплеровского измерителя скорости с волоконным световодом. В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на ярмарке в Лейпциге, где был удостоен диплома и золотой медали.

Объем и общая структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и библиографического списка. Работа изложена на 330 стр., включая 6 таблиц, 135 иллюстраций и 208 библиографических ссылок.

Публикации

По теме диссертации в соавторстве опубликованы сорок четыре печатные работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и выбор направления исследования, а также сформулированы цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность работы, основные положения диссертации, выносимые на защиту, апробация работы, личный вклад автора, структура и объем диссертации.

Первая глава носит обзорный и постановочный характер. В ней, наряду с физическими основами и современным состоянием лазерной интерферометрии перемещений и доплеровской анемометрии, обсуждаются проблемы измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех.

В 1.1 проанализированы основные оптические методы измерения перемещений и скоростей. Физические принципы таких измерений, использующих явления интерференции и доплеровского сдвига частоты для монохроматического излучения, рассмотрены с единых позиций.

В 1.2 рассмотрены ограничения традиционных лазерных доплеровских схем измерения скорости при локальном зондировании мутных и сильнорассеивающих потоков сред. Здесь дано описание наиболее часто применяемых на практике оптических схем лазерных доплеровских измерителей скорости. Однако для решения проблемы диагностики оптически неоднородных непрозрачных потоков или труднодоступных для светового пучка объектов традиционный подход становится неприемлемым. Среди многообразия методик, позволяющих успешно решать поставленные задачи, как наиболее перспективные, выделены те, в схемах ЛДА которых возможно использование тонких одноволоконных световодов. В этом случае зонд, собранный из оптических волокон для передачи и приема лазерного излучения, обеспечивает высокую мобильность процесса измерений и минимально возмущает исследуемый поток.

В 1.3 обсуждаются возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого отражения или рассеяния лазерного излучения. В этом разделе обращается внимание на возможности методов фотон-корреляционной спектроскопии при низких уровнях рассеянного сигнала, когда необходимо регистрировать слабые световые потоки. В связи с поиском высокочувствительных лазерных методик к слабому динамическому рассеянию, особо выделен метод активного воздействия изучаемого объекта на лазер путем обратного рассеяния или отражения.

Раздел 1.4 посвящен проблеме измерения малых относительных деформаций земной коры методами традиционной лазерной интерферометрии перемещений. Проанализированы основные факторы, ограничивающие чувствительность и разрешение известных лазерных систем измерения малых относительных перемещений. Обзор публикаций показал, что среди известных интерферометрических лазерных интерферометрических систем наибольшими возможностями для решения поставленных задач обладают гетеродинные, применяющие метод оптического смещения со сдвигом частоты. Однако дальнейшее развитие гетеродинных фазовых методов применительно к задачам измерения малых деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы требовало дополнительных поисковых исследований.

В 1.5 рассматривается проблема измерения характеристик движения низкоскоростных микрообъектов. Анализ известных методов лазерной доплеровской анемометрии и спектроскопии светового рассеяния показал, что из-за, низкого отношения сигнал/шум при малых доплеровских сдвигах частоты, они не позволяют измерять скорости микрообъектов и< 1мкм/с. Это существенно ограничивает возможности их эффективного использования в

решении широкого класса задач, включая, в том числе, проблемы лазерной диагностики в медико-биологических исследованиях. Для измерения инфранизких скоростей слаборассеивающих микрообъектов требовалось разработать новый методический подход, позволяющий достичь высоких спектрального разрешения и чувствительности к малым уровням рассеяния. В дальнейших исследованиях необходимо было, как и в интерферометрии перемещений, сделать выбор в пользу гетеродинной лазерной системы, в которой двухчастотное когерентное излучение имеет низкий уровень флуктуаций мощности и высокую стабильность разности частот [22]. Таким требованиям в частности удовлетворяла система двух узкополосных синхронизированных по фазе лазеров, ранее эффективно используемая в технике стабилизации и абсолютного измерения частот.

Глава 2 посвящена методам измерения скоростей сильнорассеивающих мутных сред и труднодоступных объектов с использованием принципов лазерной доплеровской анемометрии и волоконно-оптических датчиков.

В 2.1 рассмотрены вопросы измерения скорости с помощью гетеродинного одноволоконного ЛДИС. (См. рис. 1). Подробно анализируются принципы работы и экспериментальная апробация лазерного доплеровского анемометра с использованием одноволоконного световода, впервые предложенного для изучения характеристик движения двухфазных потоков жидкостей и газа при высоких концентрациях ~50% обеих фаз, измерения профиля скорости сыпучих сред в потоке большого сечения и в ряде других случаев, когда объект или локальная область исследования недоступны для светового луча. В нем доставка зондирующего излучения в зону измерения и прием светового потока, рассеянного на движущихся частицах, осуществляется с помощью тонкого оптического волокна. Его выходной торец играет роль приемо-передающей антенны. Именно на нем происходит пространственное совмещение рассеянного частицей сигнала и опорного - отраженного от торца световода. Оба эти сигнала через световод, направляются на фотоприемник. Показано, что для одноволоконной схемы ЛДИС расходимость излучения на выходе световода, определяемая его угловой апертурой приводит к незначительным спектральному уширению и частотном}' сдвигу доплеровского сигнала, влияющих в ппеделах одного процента на точность измерения. При этом пространственное разрешение локальных измерений ограничивается величиной ~1мм.

В 2.2 сообщается о лазерном волоконном анемометре для локальных измерений кровотока. В исследованиях впервые предложена и экспериментально опробована схема лазерного измерителя скорости мелкодисперсной сильно рассеивающей среды, на примере крови и молока (см. рис. 2), с использованием датчика на основе двух или трех оптических одноволоконых световодов. Выявлено, что наиболее выгодным с точки зрения достижения наибольшего пространственного разрешения и отношения сигнал/шум является такой датчик, в котором два зондирующих

световода и один приемным обеспечивают дифференциальную гетеродинную схему измерений. Установлено, чю в обеих схемах измеряемая скорость потока, перпендикулярно набегающею на датчик, определяется величиной доплеровского уширсиня сигнала рассеяния. Константа связи между значением скоросш и шириной систра фотоэлектрического сигнала зависит

Рис. 1. Схема измерения скорости двухфазного потока с применением световода.

от дисперсности исследуемой рассеивающей среды и требует предварительной калибровки. С помощью такого ЛДА, с точностью 15%, в нижней полой вене собаки измерена скорость течения крови, величина которой составила 4.5 см/с.

В 2.3 представлены исследования дифференциальной схемы ЛДИС с тремя световодами для локальных измерений скорости движущихся сред в труднодоступных местах (см. рис.3). Впервые предложен дифференциальный ЛДИС на основе трех одноволоконных световодов, два из которых, расположенные в датчике под углом, обеспечивают пересечение зондирующих лазерных пучков в локальной зоне измерения, а третий, лежащий на биссектрисе этого угла, осуществляет прием излучения, рассеянного назад. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что такие метрологические характеристики волоконного

дифференциального ЛДИС, как измерительный объем, погрешность измеряемого доплеровского сдвига и отношение сигнал/шум, зависят от угла

к/юаеноспый

Рис.2 Схема лазерного измерюсля скорое I и кровотока:

а- двухволоконный вариант, б-|рсхволокоииый вариант

между зондирующими лазерными пучками и от их угловой расходимости на выходе световодов. Созданный дифференциальный ЛДИС используется в лабораторных гидродинамических экспериментах для исследования кипящего слоя и в натурных опытах. Путем применения специального «ножа», с помощью которого волоконно-оптический датчик укреплялся на теплоходе, была измерена с 7% точностью скорость его движения в Обском водохранилище.

В 2.4 представлено описание оригинального волоконно-оптического датчика звука (см. рис.4). Волоконно-оптическое устройство для измерения параметров движения объектов, содержащее лазер и расположенный вдоль пучка свста направленный ответвнтель, микрообъектив, волоконный световод, фотоприемник, расположенный по ходу выходящего из направленного отвствитсля пучка свста, и блок обработки информации, вход которого соединен с выходом фотоприемника, отличающееся тем, что с целью увеличения чувствительности измерения, оно снабжено полым усеченным конусом, заполненным жидкостью с величиной коэффициента оптического отражения, близкой к единице, в меньшем основании которого.

выполненном в виде полого цилиндра, жестко закреплен выходной торец световода, и мембраной закрепленный в большом основании конуса.

<алх.ыи почупрсиричное тер цчжа т

Рис.3 Дифференциальный ЛДИС со световодами: а-принципиальная схема измерителя скорости; б-геометрия волоконно-оптического датчика скорости.

Применение гидравлического усилителя с большим коэффициентом усиления -103-105 позволяет создать волоконно-оптический датчик давления, отличающийся от известных устройств высокой чувствительностью.

Глава 3 посвящена активным лазерным системам для измерения скоростей объектов слабоотражающих назад зондирующее излучение.

В 3.1 рассмотрена работа ЛДИС в модели линейного лазера с трехзеркальным резонатором. Проведены эксперименты по измерению скорости рассеивающего объекта в линейной активной схеме лазерного доплеровского анемометра, подтвердившие известные теоретические выводы о достижении наибольшей чувствительности измерительной системы к слабым обратным отражениям вблизи порога генерации лазера и об ограничении максимального регистрируемого частотного доплеровского сдвига полосой пропускания резонатора и усилением ОКГ.

В 3.2 представлен анализ активной линейной схемы ЛДИС со световодом (см. рис. 5). Экспериментально показано, что в активной схеме

направленный ответвитель

ЛДИС с одноволоконным световодом, предназначенной для измерения локальной скорости мутной среды, типа полистирольного порошка, использование одночастотного стабилизированного аргонового лазера (мощностью ~50мВт) и фотодиода в качестве фотоприемника достижимое отношение сигнал/шум для доплеровского сигнала в полосе частот~10Мгц составляет величину 102,

Раздел 3.3 посвящен активной схеме ЛДИС с кольцевым лазером (Рис.6). Впервые предложена кольцевая активная схема лазерного измерителя скорости. В отличие от линейной, принцип работы которой основан на модуляции добротности лазера, в кольцевой активной системе обратное рассеяние или отраженное излучение от движущегося объекта приводит к модуляции коэффициента связи между встречными волнами кольцевого квантового генератора. Исследована чувствительность кольцевой активной схемы ЛДИС к слабому обратному рассеянию от движущегося объекта в зависимости от отношения интенсивностей встречных волн в лазере. Обнаружено, что чувствительность кольцевой системы возрастает в несколько раз, когда мощность зондирующей лазерной волны существенно 20раз) превышает мощность волны обратного направления принимаемой фотодетектором. Экспериментально обосновано, что при прочих равных условиях отношение сигнал/шум в кольцевой системе на порядок выше, чем

в линейной. Теоретически исследована чувствительность кольцевой одночастотной лазерной системы к обратному слабому отражению в условиях однонаправленного и симметричного режимов генерации. Найдено,

фотоприемник

па*ер

объектив ( А*-

ио-Ш

исследуемый поток

V

анализатор

Рис. 5 Активная линейная схема ЛДИС со световодом

что в условиях неоднородного усиления непрерывного кольцевого газового лазера наибольшая его восприимчивость к обратному рассеянию достигается в области неустойчивости обоих режимов. В этом случае, при подходе однонаправленного режима генерации в область частотного резонанса с активной средой, когда обеспечивается конкуренция волн встречных направлений, выигрыш в чувствительности может составлять несколько порядков по сравнению с симметричной генерацией.

В 3.4 представлено сравнение пассивной и активных схем ЛДИС. Проведен сравнительный теоретический анализ чувствительности пассивной и активной схем лазерного доплеровского измерителя скорости, когда основным источником помех является дробовой шум фотоприемника. Показано, что при прочих равных условиях достигаемая чувствительность к обратному рассеянию для линейной активной лазерной системы на порядок выше, чем у пассивной, а в свою очередь кольцевой активной системы, по крайней мере, на порядок выше, чем у линейной.

В Главе 4 описаны гетеродинные лазерные комплексы для измерения малых относительных перемещений микронного диапазона в условиях открытых протяженных трасс. Значительная часть представленного в этой главе материала связана с экспериментами в атмосфере, поскольку основным фактором, затрудняющим измерение малых перемещений на открытых оптических трассах является воздушная среда.

В 4.1 представлен гетеродинный принцип измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизованных по фазе лазерных источников. Впервые предложена

гетеродинная лазерная система измерения малых линейных перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе

12

А

7

О

□

О

14

13

10

Рис. 6 Кольцевая активная схема ЛДИС

1,2-зеркала, Я=2м, Т<0.02% (Я=0.63мкм); 3-призма; 4-активный элемент ЛГ-52-1; 5- плоскопараллельная пластинка; 6-возвратное зеркало;7 -объектив, £=3см; 8-вращающейсядиск; 9-светодиод; 10-генератор частоты; 11-светофильтр; 12-фотоприемник ФЭУ-79; 13-осциллограф; 14-анализатор спектра; 15-18-зеркала.

оптических квантовых генераторов (см. рис.7). Принцип действия разработанной системы состоит в непрерывной регистрации изменения фазы волны во времени, обусловленного эффектом Доплера, при отражении излучения от движущегося объекта. Наряду с двумя лазерами схема измерителя включает блок формирующей и приемной оптики, а также регистрирующий вычислительный комплекс. Фазовая синхронизация излучения лазеров осуществляется с помощью быстродействующей электронной системы в частотно-фазовой автоматической подстройке (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 1МГц, полученных с фотоприемников, установленных в опорном и измерительном плечах. Изменение разности фаз на величину 2п реверсивный счетчик регистрирует как перемещение объекта на половину длины волны излучения. Экспериментальными исследованиями показано ее преимущество в условиях протяженных атмосферных трасс и слабого отраженного оптического

сигнала по сравнению с известными интерферометрическими системами.

В 4.2 представлены интерферометрические исследования характеристик лазерного излучения при прохождении протяженной атмосферной трассы. Проведено изучение влияния нестационарной атмосферы на чувствительность гетеродинного лазерного интерферометра перемещений. Экспериментально доказано, что интенсивность атмосферного шума, проявляемого в уширении спектральной линии зондирующего излучения, зависит от метеоусловий, протяженности трассы и времени наблюдения в течение суток. Установлено, что в среднем ширина линии излучения, прошедшего трассу длиной Ь, подчиняется закону Г~7Т, что не противоречит известным теоретическим моделям оптики атмосферы. Два вклада в уширение линии излучения в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери его пространственной и временной когерентности обосновано независимым изучением спектральной плотности частотных и

амплитудных флуктуаций лазерного поля. Выявлено, что обе спектральные

_8/

плотности на высоких частотах имеют асимптотическую зависимость / л, впервые экспериментально наблюдаемую для частотных вариаций. В режиме непрерывных фазовых измерений с помощью Не-Ые лазерной системы (7^=0.63 мкм) зарегистрированы детерминированные перемещения порядка 1мкм на частоте ~1Гц и определены радиус когерентности лазерного поля в турбулентной атмосфере, внешний масштаб турбулентности и структурный коэффициент показателя преломления. Показано, что относительный уровень среднеквадратичных флуктуаций оптической длины измерительной базы за времена усреднения порядка 10 секунд составляет величину ~10'7.

телескопы

Рис.7 Гетеродинная лазерная система для дистанционных фазовых измерений.

Экспериментально обоснован переход от системы с длиной волны О.бЗмкм к системе с длиной волны 10.6 мкм вследствие полного замирания фотоэлектрического сигнала биений при гетеродинном приеме на базах Ь>100м.

В 4.3 описаны большебазовые гетеродинные лазерные системы для измерения деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы. Представлены результаты разработки и исследования новых гетеродинных лазерных систем регистрации деформации земной коры на больших расстояниях, основанные на дифференциальном принципе измерения малых линейных перемещений. Одна основана на одновременном зондировании двух трасс одноволновым лазерным излучением (см. рис.8), вторая- на регистрации вариации длины единственной трассы при одновременном зондировании ее на двух длинах волн (см. рис. 9). Экспериментально показано, что относительная чувствительность обеих схем к перемещениям на базах порядка нескольких километров, позволяет в условиях разломов земной коры регистрировать приливные деформации, с относительной чувствительностью ~10"7.

В 4.4 анализируются возможности повышения чувствительности дистанционных лазерных систем для измерения малых относительных перемещений. Теоретическими оценками обоснованы несколько схем большебазового лазерного деформографа, позволяющих в приливном диапазоне колебаний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10"8-10"9, т.е. на один-два порядка превысить уже достигнутый уровень.

Глава 5 содержит описание оригинальной лазерной методики штольневых измерений деформации земной коры в изучении геофизических явлений в сейсмически активной зоне.

В 5.1 описана методика регистрации земных приливов при непрерывном лазерном мониторинге напряженно-деформированного состояния земной коры. Показано, что Нс-Мс 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 уровнеЮ"9.

В 5.2 приведены результаты по регистрации собственных колебаний Земли, поддерживаемых естественной слабой сейсмичностью. Как в разностном сигнале равноплечного Не-Ие лазерного деформографа, установленного в штольне, так и в сигнале отдельного измерительного плеча выделены собственные колебания Земли в диапазоне периодов от одного часа до нескольких минут с относительной амплитудой смещения на уровне 10"9-10"'°. Структурный анализ разностного сигнала, регистрируемого в штольне с помощью Не-№ лазерного деформографа, показал наличие шума на периодах т<30 с с амплитудой О.ОЗмкм, обусловленного конвективной турбулентностью атмосферы.

1ч пддете

РИС 8 БЛОК СХЕМА БОЛЬШЕБАЗОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 10 6 МКМ

В 5.3 представлены результаты исследований, полученных с помощью прецизионного двухкоординатного лазерного деформографа, установленного для геофизических измерений в штольне Байкальской рифтовой зоны (см. рис. 10 и рис. И). Разработан и внедрен в практику круглогодичных наблюдений в штольне БРЗ двухканальный автоматизированный Не-№ лазерный измерительный комплекс с компенсационным коротким плечом, позволяющим непрерывно регистрировать в присутствии атмосферы абсолютную деформацию земной коры в каждом отдельном из двух ортогональных плеч с относительной чувствительностью в приливном диапазоне частот на уровне 10"9.

В 5.4 сообщается об обнаружении детерминированных вариаций микродеформационного шума, регистрируемого в лазерных наблюдениях. На основе лазерных наблюдений в штольне экспериментально и теоретически установлено явление вариации амплитуды микродеформационного шума в литосфере Земли с суточной периодичностью. Максимум амплитуды шума соответствует зенитному положению Солнца по отношению к месту наблюдения. Само явление обусловлено вариацией неупругой составляющей деформации пород под действием изменяющегося во времени

гравитационного потенциала Солнца на границах между слоями неоднородной по плотности Земли вследствие ее вращения вокруг своей оси.

ОТСТАНДАРТА

ЧАСТОТЫ 1МГц

ИОТН |

(МГц

ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОКЧФАП ЛАЗЕРОВ

ДБШ

I « ГЕНЕРАТОР НА

4») ЗГ ДИОДЕ ГАН НА ЛИ« МГц

соглазер

ЛИНИЯ й 18

соглазер

линия я11

усилитель

мощности

К СИНТЕЗАТОРУ ЧАСТОТ

АОМ

31МГц

-У

ОТСТАНДАРТА ЧАСТОТЫ в МГц I

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

ОТРАЖАТЕЛЬ

АОМ

39 МГц

чч

Гц *

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

<г

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТРАССА: 1670 МЕТРОВ.

•ОТОПРИЕМНИК НдСйТе

>

>

СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ 41-74 1МГЦ БЛОК ОПОРНЫХ ЧАСТОТ 31МГц

КБЛОКУ ЧФАП

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЬ!

ДАТЧИК ДАВЛЕЖЯ

1_Г

РЕГИСТРИРУЮЩАЯ ЭВМ

Пг

и«с

10 2041

СЕЙСМО-ДАТЧИК

Рис.9 Блок-схема двухволнового большебазового лазерного измерительного комплекса

В 5.5 представлены результаты наблюдений аномалий и особенностей в поведении деформации земной коры накануне землетрясений. С помощью лазерных наблюдений в штольне Байкальской рифтовой зоны обнаружено аномальное поведение деформационного процесса в горной породе накануне ряда далеких (Спитак 1988, Кобе 1995) и региональных землетрясений, проявляемое за несколько суток или часов до сейсмособытия.

Глава 6 посвящена разработке высокоразрешающей лазерной спектроскопии светового рассеяния для исследования низкоскоростных микрообъектов живой и неживой природы.

В 6.1 дано описание лазерной методики измерения малых скоростей. Впервые разработана методика измерения сверхнизких скоростей

от медленного кольца регулирования ЧФАП и2

от быстрого кольца регулирования ЧФАП 1)2

Гетеродинный лазер

коллиматоры

обратная свя^ь на ЧФАП Р5

Рис. 10 Принципиальная оптическая схема лазерного источника

отражатель канала 1

тт

отражатель канала 2

Рис. 11 Оптическая схема интерферометра

микрочастиц У<1мкм/с на основе созданного гетеродинного дифференциального спектрометра светового рассеяния (см. рис. 12). В спектрометре с разрешением Ау< 0.1 Гц используются два Нс-Ые лазера, синхронизированных между собой по фазе. Теоретически и экспериментально показано, что уширение линии рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемое

спектрометром, определяется

ЗД = Л®4---

лоренцевым спектральным контуром . Ширина контура не зависит от направления и

_(й>-П+) + )

угловой апертуры приема рассеянного излучения и пропорциональна коэффициенту диффузии и квадрату разностного вектора между зондирующими лазерными излучениями ( Г=Dq2).

В 6.2 приведены результаты исследования физических параметров и характеристик движения микрочастиц по доплеровскому сдвигу частоты и форме линии рассеяния. В спектрах рассеяния на частицах латекса в воде с размером <1=0.12мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. При концентрациях латекса выше 10исм"3, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами, наблюдается дополнительное уширение узкой лоренцевой части линии рассеяния. Впервые зарегистрированы в динамике скорости оседания эритроцитов в физиологическом растворе порядка нескольких микрометров в секунду, как

Рис.12 Схема спектрометра светового рассеяния; а- геометрия рассеяния, б- оптико-электронная схема.

в единичном режиме седиментации клеток, так и в условиях конгломерации. Дано объяснение наблюдаемому уширению спектральной линии рассеяния в плазме крови, связанного с присутствием тромбоцитов и их броуновским движением. Экспериментально показано, что разработанный высокоразрешающий спектрометр, чувствительный к низким уровням рассеяния, может быть эффективно использован для диагностики

биологических жидкостей на основе определения характеристик микрообъектов, таких как концентрация, размер, скорость и др.

В 6.3 сообщается о создании автоматизированного лазерного спектрометра светового рассеяния используемого для решения проблемы распознавания живого и неживого. Путем усовершенствования регистрирующей электронной части созданного оригинального лазерного доплеровского измерителя сверхнизких скоростей разработан анализатор микрочастиц, позволяющий за счет использования АЦП и ЭВМ типа IBM PC существенно расширить возможности спектрометрии светового рассеяния при обработке сигналов во временной и спектральной областях (см. рис. 13). Это позволило объединить в одной лазерной измерительной системе методы спектрометрии динамического светорассеяния и доплеровскис седиментационные измерения, а также обосновать экспериментальными исследованиями методику экспрессного анализа, микрочастиц в широком диапазоне размеров 103< d <103мкм. Предложен принципиально новый экспериментальный подход к идентификации живых микрообъектов, основанный на видовой специфике их двигательной активности. Благодаря

Рис. 13 Схема лазерного спектрометра светового рассеяния

высокому разрешению созданного спектрометра светового рассеяния на примере двух видов бактериальных клеток Escherichia coli и Pseudomonas зарегистрированы отличительные динамические харакюристики в соответствующих временных развертках спектров рассеяния. Впервые физическим и биологическим методами проведены синхронные наблюдения

за динамикой размножения микроорганизмов в питательной среде. Экспериментально показано, что латентный период, т.е. время адаптации клеток к введению ростовой среды, в биологическом методе составляет известную величину ~60 минут, тогда как в оптическом методе высокоразрешающий спектрометр светового рассеяния регистрирует включение клеток микроорганизмов в процесс деления практически сразу при добавлении питательного субстрата.

В главе 7 продемонстрированы возможности прецизионной лазерной спектроскопии светового рассеяния в обнаружении новых явлений и закономерностей в движении микрообъектов.

В 7.1 представлены результаты изучения особенностей собственной подвижности микроорганизмов. С помощью экспериментальных исследований разработаны основы экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов с использованием прецизионной лазерной спектроскопии светового рассеяния. Разработка является результатом исследований по детектированию движения единичных микрочастиц биологического и небиологического происхождения. Оригинальный метод был использован для изучения особенностей индивидуальной подвижности микрочастиц живой и неживой природы в водных суспензиях. С помощью фазочувствительной лазерной установки по характеристикам сигналов рассеяния впервые зарегистрированы неизвестные ранее детали собственного движения ряда микроорганизмов.

Раздел 7.2 посвящен изучению теплового детерминированного движения плазмидных ДНК в водных растворах. С помощью прецизионного лазерного спектрометра с разрешением ~0.001Гц на водных растворах глобулярной ДНК обнаружена узкая линия рассеяния, уширение которой не подчиняется известному тепловому закону броуновского движения микрочастиц с соответствующим размером макромолекул ЯдНК=8-10'3мкм. Показано, что наряду с макромолекулами, совершающими обычные неупорядоченные движения, существует часть, которая теряет свою независимость за счет «вмораживания» в трехмерную сеть водородных связей структурированной воды. В этом случае макромолекулы могут перемещаться только вместе с ячейкой структурированной воды, средний устойчивый пространственный размер которой составляет Я= 1 мкм.

В 7.3 дано описание методики и алгоритма регистрации перемещений единичных микрообъектов по сигналам рассеяния. Предложен, а также теоретически и экспериментально обоснован новый методический подход в изучении детерминированной и броуновской составляющих движения единичных микрообъектов в жидкости на основе детектирования их собственных перемещений. Это существенно расширяет возможности традиционного корреляционно-спектрометрического метода в изучении структурных и динамических свойств жидких сред при регистрации упорядоченного и теплового движения пробных светорассеивающих частиц

живой и неживой природы на различных временных и пространственных масштабах.

В 7.4 приведены результаты исследования законов движения единичной броуновской частицы на малых и больших временах наблюдения. Новый методический подход с использованием фазочувствительного лазерного спектрометра светового рассеяния позволил впервые для единичных броуновских частиц разного размера получить записи временных разверток их перемещений. Сравнительными исследованиями тепловой подвижности единичных микрообъектов в диапазоне интервалов наблюдения 0.1-Юс показано, что средний квадрат перемещений частицы подчиняется известному линейному закону Эйнштейна-Смолуховского

[г(1 + г)-2(0]2 =21)г, описывающему поступательную диффузию в жидкости. С помощью оригинальной высокоразрешающей лазерной методики светового рассеяния установлено, что на временах наблюдения т« 1 с закон движения единичной броуновской частицы в структурной функции перемещений имеет квадратичную зависимость [2(г + г) - г(г)]2 =уОтг, в которой коэффициент v определяется исключительно свойствами жидкости. Для физической интерпретации обнаруженной зависимости построена феноменологическая модель процесса случайного теплового движения частицы в жидкости. В этой модели коэффициент V имеет наглядный физический смысл, как средняя частота толчков, испытываемых частицей со стороны жидкости в единицу времени. Для воды при нормальных условиях она составила величину ~ 300-350 за секунду.

В Заключении приведены основные результаты, полученные в данной диссертационной работе.

1. Впервые экспериментальными исследованиями и метрологическими оценками показано, что лазерный доплеровский анемометр с одноволоконным световодом пригоден для локальных измерений скорости в труднодоступных местах и двухфазных потоках сильнорассеивающих сред с погрешностью 5%, определяемой угловой апертурой оптического волокна.

2. Впервые предложен гетеродинный лазерный анемометр с двумя зондирующими и одним приемным световодами и исследована на натурных объектах его возможность для локальных измерений скорости в потоке сильнорассеивающей среды, такой как кровь или молоко. Установлено, что в этой измерительной системе величина скорости определяется шириной спектра регистрируемого фотоэлектрического сигнала, а для любой конкретной ориентации волоконно-оптического датчика относительно исследуемого потока анемометр требует предварительной калибровки.

3. Впервые теоретическими и экспериментальными исследованиями определены метрологические характеристики волоконного дифференциального ЛДИС, зависящие от угла между зондирующими

лазерными пучками и их угловой расходимости на выходе световодов. Разработанный новый ЛДИС внедрен в практику гидродинамического эксперимента, в том числе для исследования кипящего слоя.

4. Впервые предложена активная линейная схема ЛДИС с одноволоконным световодом и исследованы на практике возможности ее применения для локального измерения скорости оптически неоднородной, сильно рассеивающей среды. Экспериментально показано, что для потока полистирольного порошка с размером частиц порядка диаметра зондирующего волокна, применение в измерительной системе одночастотного стабилизированного аргонового лазера мощностью ~50мВт позволяет в полосе частот ~ 10МГц достичь уровня сигнала, на два порядка превышающего уровень шумов.

5. Впервые предложена активная лазерная система для измерения линейной скорости, основанная на явлении модуляции коэффициента связи между волнами встречных направлений в кольцевом ОКГ. На основании опытных данных выявлено, что чувствительность кольцевой системы к слабому обратному рассеянию от движущегося объекта зависит от соотношения интенсивностей встречных волн и, при прочих равных условиях, отношение сигнал/шум в ней на порядок выше, чем в активной линейной лазерной системе.

6. Впервые теоретическими исследованиями установлено, что наибольшая восприимчивость кольцевой одночастотной лазерной системы к слабому обратному отражению или рассеянию достигается в области неустойчивости однонаправленного режима генерации, когда при подходе к частотному резонансу с активной средой для излучаемых волн встречных направлений обеспечивается более жесткая конкуренция. В этом случае выигрыш в чувствительности может составлять два порядка по сравнению с симметричным режимом генерации.

7. Предложен и экспериментально обоснован гетеродинный фазочувствительный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе ОКГ. На примере He-Ne и СО2 лазерных систем показано существенное преимущество метода в условиях протяженных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными. С его помощью впервые на базе 1км зарегистрированы колебательные перемещения ~1мкм на частоте порядка 1Гц.

8. Экспериментальными исследованиями, выполненными с помощью оригинального гетеродинного лазерного деформографа на больших открытых трассах, впервые показано, что вследствие турбулентности атмосферы частичная потеря пространственной и временной когерентности зондирующего излучения, проявляемая в его амплитудных и частотно-фазовых флуктуациях, ограничивает соответственно длину измерительной базы несколькими километрами и относительную

чувствительность к перемещениям в диапазоне собственных и приливных колебаний Земли величиной ~10"7.

9. Разработаны новые большебазовые гетеродинные С02 лазерные системы измерения малых относительных перемещений, основанные на непрерывных фазовых измерениях и дифференциальном принципе исключения влияния нестационарной воздушной среды. Впервые с их помощью на базах ~2км, в условиях разломов земной коры, зарегистрированы приливные деформации горных пород, сфазированные с теоретическими вариациями гравитационного поля. Расчетными оценками показаны возможности повышения чувствительности разработанных систем до уровня существенно выше чем 10"7.

10. Гетеродинным He-Ne лазерным автоматизированным деформографическим комплексом, специально разработанным для измерений в присутствии атмосферы с высокой относительной чувствительности Ю"9-ИО"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)

11. 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 часов или суток до сейсмического события. Использование таких высокочувствительных непрерывных наблюдений в геофизической практике позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.

12. На основе штольневых наблюдений без специальной экранировки лазерного излучения от влияния воздушной среды зарегистрированы собственные колебания Земли с абсолютной амплитудой смещений Ю-'-ИО"2 мкм и обнаружено неизвестное ранее явление периодической вариации амплитуды микродеформационного шума на уровне нескольких сотых микрометра в диапазоне периодов колебаний 10ч-300с, обусловленное изменением гравитационного потенциала Солнца вследствие вращения Земли и ее неоднородной плотности из-за слоистой радиальной структуры.

13. Впервые на основе использования двух синхронизированных по фазе He-Ne лазеров разработан дифференциальный гетеродинный спектрометр светового рассеяния с разрешением R»1015, чувствительный к слабым уровням рассеяния. На микрообъектах живой и неживой природы экспериментально показано, что высокоразрешающий спектрометр позволяет по регистрируемым малым доплеровским сдвигам частоты и ширинам линии рассеяния измерять их инфранизкие скорости V«1mkm/c и характеристики броуновского движения, определяемые размерами и концентрацией.

14. Усовершенствование регистрирующей электронной части оригинального спектрометра за счет использования АЦП и ЭВМ типа IBM

РС существенно расширили возможности спектрометрии светового рассеяния при обработке сигналов во временной и спектральной областях. Это позволило, путем объединения в одной лазерной системе метода спектрометрии динамического светорассеяния с доплеровским седиментационным методом, впервые разработать анализатор микрочастиц, способный экспрессным образом определять размеры микрочастиц в широком диапазоне 10"3< с! <103мкм.

15. Экспериментальными исследованиями обосновано преимущество нового методического подхода в решении проблемы обнаружения и идентификации микроорганизмов, основанного на видовой специфике их собственной двигательной активности. Высокое разрешение созданного спектрометра светового рассеяния позволило в динамике на примере двух видов бактерий зарегистрировать отличительные спектральные характеристики сигналов и пронаблюдать особенности процесса размножения клеток в питательной среде, не обнаруживаемые биологическим методом исследования.

16. Разработаны основы экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов с использованием прецизионной лазерной спектроскопии светового рассеяния. С помощью оригинального высокоразрешающего спектрометра впервые в одночастичном режиме рассеяния зарегистрированы неизвестные ранее специфические особенности двигательной активности ряда микроорганизмов, а также обнаружены существенные видовые различия в характере их собственного движения.

17. Достигнутое в лазерном спектрометре светового рассеяния рекордное разрешение ~ 5-Ю"4 Гц позволило обнаружить узкую часть линии рассеяния в водных растворах плазмидной ДНК, обусловленную наличием в аморфной воде льдоподобных устойчивых ячеек( кластеров) микронного масштаба, способных за счет водородных связей жестко фиксировать биологические макромолекулы и таким образом проявлять себя в броуновском движении посредством рассеяния.

18. Впервые предложена и экспериментально реализована новая методика исследования характеристик упорядоченного и хаотического движения единичных микрообъектов в жидкости по сигналам рассеяния, основанная на регистрации временных разверток их перемещений. Использование этой методики подтвердило известный линейный закон, описывающий поступательную диффузию частиц на больших временах наблюдения т > 1с, а также позволило установить неизвестную ранее квадратичную закономерность для малых времен наблюдения т«1с.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.Н. Лисицын, В.А.Орлов, Ю.Н.Фомин, В.П.Чеботаев «Лазерный доплеровский измеритель скорости непрозрачных потоков жидкости и частиц») Материалы 3-го Всесоюзного совещания «Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности», Новосибирск, 1980, с. 41-46

2. А.Р. Евсеев, В.А. Орлов «Особенности лазерной доплеровской анемометрии со световодами» Тезисы доклада 4-го Всесоюзного совещания «Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности», Новосибирск, 1981, с 111

3. А.Р. Евсеев, В.А. Орлов «Дифференциальный доплеровский измеритель скорости с волоконными световодами» Автометрия 1986, №6, с62-68

4. A.R. Evseev, V.A. Orlov, and G.A. Ryabov «An experimental investigation of a circulating fluidized bed by a laser dopier anemometer with optical fibers (LDFA). Russ.J.Eng Thermophys.,1998, Vol.8. №1-4, P.137-147.

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

6. В.А. Орлов, C.B. Ревякин «Волоконно-оптическое устройство для измерения параметров движения объектов» Авторское свидетельство №1486779, приоритет от 08.09.87г

7. В.А. Орлов, Б.Г. Покусаев, C.B. Ревякин «Волоконно-оптическое устройство для измерения характеристик потока» Авторское свидетельство №1659862, приоритет от 28.07.89

8. П.Е. Колосов, В.Н. Лисицын, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин «Кольцевой лазер для измерения линейной скорости» Квантовая электроника т.9,№9, 1982, C1893-1895

9. В.А. Орлов «Активная схема ЛДИС со световодами» Тезисы докл. 1 Всесоюзн. Семинара «Оптические методы исследования потоков» Новосибирск, 1989,с 52-53

10. В.А. Орлов «Кольцевая активная схема для изучения слабых рассеяний». Сибирский физико-технический журнал, №2, 1992,с. 29-34.

11.С.Н. Багаев, A.C. Дычков, В.А. Орлов, В.П. Чеботаев, Ю.Н.Фомин «Исследование сдвига частоты и измерения спектра лазерного излучения при прохождении через атмосферу на больших расстояниях» Тезисы докл. 11 Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ереван, 1982, часть 1, с. 278.

12.В.А. Орлов «Высокочувствительный гетеродинный лазерный измеритель малых смещений и скоростей» Краткий отчет отделения лазерной физики за 1985-1986гг. Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск с132-133, 138-139.

13.С.Н. Багаев, A.C. Дычков, А.Э. Ом, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин, В.П. Чеботаев «Двухчастотная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений» Патент RU №1362923, приоритет от 13.08.85г.

14.С.Н. Багаев, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин, «Исследование влияния атмосферы на спектральные характеристики лазерного излучения на протяженных трассах» Краткий отчет по лазерной физике за 1984г. Институт теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, 1985, с.52-54.

15.С.Н. Багаев, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин «Лазерный гетеродинный измеритель малых смещений в геофизических измерениях» Лазеры и современное приборостроение. Материалы школы -семинара - выставки. Санкт-Петербург 30 сентября - 4 октября 1991, с 103-104.

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, 1992, №1 с 85-91.

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

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

19.С.Н. Багаев, В.А. Орлов, А.Ю. Рыбушкин, В.М. Семибаламут, Ю.Н. Фомин Научно-технический отчет СОМЛП СО РАН за 2000г, Новосибирск 2001, 65с.

20.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

21.С.Н. Багаев, Ю.М. Кирин, А.Э. Ом, В.А. Орлов, С.Ф. Панин, O.A. 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.

22.С.Н. Багаев, О.Л. Вахрушев, Ю.М. Кирин, С.Ю. Кузнецов, О.В. Некипелов, В.А. Орлов, С.Ф. Панин, O.A. 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

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

зз » Q} M ИТ

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

24.В.А Орлов «Разработка основ метрологического обеспечения гетеродинных систем высшей точности. Сб. отчетов за 1995г» Фундаментальная метрология, Новосибирск, 1995, с 215-219.

25.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.

26.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.

27. S.N. Bagayev, V.A Orlov S.V. Panov «The observation of variation of long-period microseismic noise by precision laser interferometry» Proceedings of SPIE, 1998, v3682, pp 126-130

28.C.H. Багаев, В.А. Орлов, В.П. Чеботаев «Форма линии рассеяния света броуновскими частицами» Оптика и спектроскопия том 71 вып.1, 1991г, с 144-150.

29.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 технических наук №1,1990, с 20-23.

30.С.Н. Багаев, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин «Способ определения содержания жира и белка в молоке», Патент №1748053, приоритет от 07.08.89г.

31.С.Н. Багаев, И.Н. Кирдянов, В.А. Орлов, С.В. Панов, Ю.Н. Фомин «Автоматизированный лазерный анализатор микрообъектов» Теплофизика и аэромеханика, 1994, том 1 №3 С245-248.

32.С.Н. Багаев, В.А. Орлов, С.В. Панов «Спектрометр светового рассеяния для задач медицинской диагностики» Медицинская техника, 1995 №2 с. 17-21

33.S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov «Precision light scattering spectroscopy for microorganisms study')4 Internationa! symposium ^Modern Problems of Laser Physics» August 28 - September2, Novosibirsk, 1995, pp 488-495

34.S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.N. Panov «Investigation of moving species of microorganisms by laser light scattering spectroscopy» Laser Physics, 1996, vol.6. №3, pp 596-599.

35.C.H. Багаев, В.А. Гусев, В.А. Орлов, С.В. Панов «Идентификация подвижности микроорганизмов методом высокоразрешающей спектроскопии светового рассеяния» Доклады Российской Академии HayKj_997tT 355, №5, с 693-696

« '«f I t- ' 34

36.S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov «Spatial and temporal self - organization of bacterial population» International Journal of Bifurcation and Chaos, 1998, №5, pp. 985-990.

37.B.A. Гусев, B.A. Орлов, C.B. Панов «Размножение гетеротрофных микроорганизмов в условиях отсутствия источников физического субстрата и динамико-квазистационарных состояний популяции» Биофизика, 1998, т. 43, №4, с.746-750

38.S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov «The study of dynamic peculiarities of motility of some specieas of microorganisms by quasi-elastic ligft scattering». Proceedings of SPIE, 1998, v.325, pp. 267-272

39.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, №3, pp. 803-808

40.C.H. Багаев, B.A. Гусев, B.A. Орлов, C.B. Панов, Т.П. Камынина «Исследование индивидуальных ферментных комплексов методом высокоразрешающей лазерной спектроскопии светового рассеяния» Интеграционная Программа фундаментальных исследований. Российская Академия Наук, Сибирское Отделение, с. 36-45 Новосибирск, 1998.

41.S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov, T.P. Kaminina «Precision light scattering spectroscopy for study determinate movement of biological objects» Proceedigs of SPIE, 1999, vol. 3732, pp. 196-201

42. S.N. Bagayev, V.A. Orlov, S.V. Panov «The study of motility of individual microparticles by phase sensitive laser spectroscopy» Laser Physics, 2000r, vol. 10 №2, pp. 501-506

43.S.N. Bagayev, V.A. Orlov, S.V. Panov «The low of movement of Brownian particles at small observation times». Laser Physics, 2001 vol 11, №11 pp. 1232-1234.

44.S.N. Bagayev, V.A. Orlov, S.V. Panov «High resolution light scattering spectroscopy in investigations of dynamic properties of water». 2002 6 International conference on actual problems of electronic instrument engineering proceedings.. Vol. 1. Novosibirsk 2002. pp. 200-207.

ЦИТИРУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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»-М.: Наука, 1975.-260с.

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

5. Протопопов В.В., Устинов Н.Д., «Лазерное гетеродинирование» М. Наука, 1985,- 288с.

6. Беленький М.С., Лукин В.П., Миронов В.Л., Покасов В.В. Когерентность

лазерного излучения в атмосфере. Новосибирск. Наука, 1985, с. 173.

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

8. Низкоинтенсивная лазерная терапия. Сб. тр. Под общ. ред. С.В. Москвина, В .А. Буйлина, М. -ТОО «Техника»,2000, 721с.

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

10.А. Abramovici, W. Althouse, R. Drever, Y. Gursel, S. Kawamura, F. Raab, D. Shoemaker, L. Seivers, R. Spero, K. Thorne, R. Vogt, R. Weiss, S. Whitcomb, M. Zuker, "LIGO: The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory", Science, v256, 325-333, April 1992.

11.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.

12.Берштейн И.Л. Изв. вузов. Сер. Радиофизика,т.16, N4, 1973.

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

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

15.Алешин В.А., Дубров М.Н., Яковлев А.П. Лазерный интерферометр для измерений деформаций земной коры, Докл.АН СССР, 1980, т.253, N6, с. 1343-1346.

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

П.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.

18.Нестеров В.В., Головин С.Л., Насонкин В.А. Измерение длиннопериодных колебаний Земли лазерными интерферометрами-деформографами. Физика Земли. Известия АН СССР, N4, 1990, с.72-78.

19.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)

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

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

22.Chebotayev V.P., Goldort V.G., Klementyev V.M., Nikitin M.V., Timchenko B.A., Zakhaijash V.F. Appl. Phys, 198°2, Vol. B29, p.63.

Подписано к печати 5 ноября 2003 г. Заказ № 153 Формат 60/84/16. Объем 2 уч.-изд. л. Тираж 120 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, 1

ш

í*

2<Mo( »20101

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И

СКОРОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОМЕХ.

1.1. Физические принципы измерения перемещений и скоростей в оптике.

1.2. Ограничения традиционных лазерных доплеровских схем измерения скорости при локальном зондировании мутных и сильнорассеиваю-щих потоков.

1.3. Возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого обратного отражения или рассеяния лазерного излучения.

1.4. Традиционная лазерная интерферометрия перемещений в проблеме измерения малых относительных деформаций земной коры.

1.5. Проблема измерения характеристик движения низкоскоростных микрообъектов в известных методах лазерной доплеровской анемометрии и спектроскопии светового рассеяния.

Глава 2. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ МУТНЫХ СРЕД И ТРУДНОДОСТУПНЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ДОПЛЕРОВСКОЙ АНЕМОМЕТРИИ С ВОЛОКОННЫМИ СВЕТОВОДАМИ.

2.1. Гетеродинный одноволоконный лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛДИС).

2.2. Лазерный волоконный анемометр для локальных измерений кровотока.

2.3. Дифференциальная схема ЛДИС с тремя световодами.

2.4. Волоконно-оптический датчик звука.ВО

2.5. Выводы.

Глава 3. АКТИВНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СКОРОСТЕЙ СЛАБОРАССЕИВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ.

3.1. ЛДИС в модели линейного лазера с трехзеркальным резонатором.

3.2. Активная линейная схема ЛДИС со световодом.

3.3. Активная схема ЛДИС с кольцевым лазером.

3.4. Сравнительный анализ пассивной и активных схем ЛДИС.

3.5. Выводы.

Глава 4. ГЕТЕРОДИННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ ТРАСС.

4.1. Гетеродинный принцип измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе лазерных источников.

4.2. Интерферометрические исследования характеристик лазерного излучения при прохождении протяженной атмосферной трассы.

4.3. Болынебазовые гетеродинные лазерные системы для измерения деформации земной коры в условиях открытой атмосферы.

4.4. Возможности повышения чувствительности дистанционных лазерных систем к измерению малых относительных перемещений.

4.5. Выводы.

Глава 5. ОРИГИНАЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ МЕТОДИКА ШТОЛЬНЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ В ИЗУЧЕНИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНОЙ

ЗОНЫ.

5.1. Регистрация земных приливов при непрерывном лазерном мониторинге напряженно-деформационного состояния земной коры.

5.2. Регистрация собственных колебаний Земли, поддерживаемых естественной слабой сейсмичностью.

5.3. Прецизионный двухкоординатный лазерный деформограф для геофизических измерений в штольне Байкальской рифтовой зоны.

5.4. Обнаружение детерминированных вариаций микродеформационного шума, регистрируемого в лазерных наблюдениях.

5.5. Наблюдение аномалий и особенностей в поведении деформации земной коры накануне землетрясений.

5.6. Выводы.

Глава 6. ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ НИЗКОСКОРОСТНЫХ МИКРООБЪЕКТОВ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ.

6.1. Описание лазерной методики измерения малых скоростей.

6.2. Исследование физических параметров и характеристик движения микрочастиц по доплеровскому сдвигу частоты и форме спектральной линии рассеяния.

6.3. Автоматизированный лазерный спектрометр светового рассеяния в проблеме распознавания живого и неживого.

6.4. Выводы.

Глава 7. ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕЦИЗИОННОИ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ В ОБНАРУЖЕНИИ НОВЫХ ЯВЛЕНИЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ДВИЖЕНИИ МИКРООБЪЕКТОВ.

7.1. Исследование особенностей собственной подвижности микроорганизмов.

7.2. Изучение теплового и детерминированного движения плазмидных

ДНК в водных растворах.

7.3. Методика и алгоритм регистрации перемещений единичных микрообъектов по сигналам рассеяния.

7.4. Исследование законов движения броуновской частицы на малых и больших временах наблюдения.

7.5. Выводы.

Актуальность темы

С появлением лазеров оптика получила мощнейший инструмент для научных исследований. Важное место в широком круге их применений занимают лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия, начало развития которых положено соответственно в работах [1] и [2]. Исследования в этих направлениях показали, что лазерные методы и средства, использующие в своей основе квантовые генераторы с узкой спектральной линией излучения позволяют измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне регистрируемых величин. Методы создания таких высокостабильных лазерных источников в настоящее время разработаны достаточно хорошо [3,4]. Большим преимуществом лазерных измерений является то, что они осуществляются дистанционно в условиях пренебрежимо малых квантово - механических возмущений, т.е. по существу бесконтактным способом. В настоящее время прецизионные фазочувствительные лазерные системы [5] служат метрологической основой большого поля измерительной техники в таких областях как дальнометрия, анемометрия, деформография, локация, спектроскопия светового рассеяния и т.д. Они также эффективно используются в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы [6], химии [7], биологии и медицине [8]. Развитие указанных направлений за 40 лет своего существования шагнуло далеко вперед. С помощью лазерных доплеровских измерителей скорости стало возможным исследование сложных градиентных и пульсирующих течений [9], а достигнутая высокая чувствительность вакуумированных интерферометров перемещений с базой несколько километров сделала реальной постановку экспериментов по детектированию гравитационных волн [10]. Тем не менее, к началу наших работ существовал ряд проблем, решение которых не было очевидным и требовало поисковых исследований. Это, в частности, относилось к проблемам измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех. Речь идет о помехах, обусловленных природой или спецификой изучаемого объекта, при исследовании которого практически невозможно изменить окружающую объект среду или условия его существования без ущерба достоверности получаемой информации. Для устранения вредного влияния указанных помех в каждом конкретном случае требуется разрабатывать соответствующую лазерную систему, позволяющую в измерениях достигать высокого отношения сигнал/шум. Одна из таких проблем относилась к локальным измерениям скорости труднодоступных объектов и объемных потоков сред, сильнорассеивающих оптическое излучение, когда прямое зондирование лазерными пучками невозможно. В дальнейшем использование в таких задачах тонких одноволоконных световодов позволило существенно продвинуться вперед. Впервые идея использования одноволоконного световода в измерениях скорости продемонстрирована в [11]. К отмеченной проблеме тесно примыкала другая, связанная с исследованием слаборассеивающих или слабоотражающих движущихся объектов. Как показывает опыт, очевидное ее решение путем выбора соответствующих мощного лазерного источника и высокочувствительного фотоприемного устройства не всегда приводит к желаемому результату. Решение проблемы могло быть достигнуто путем поиска оригинальной высокочувствительной оптической схемы, например, используя принцип обратного отражения в лазер [12]. Следующая проблема, которая не была решена, касается регистрации малых относительных деформаций земной коры в присутствии естественных атмосферных возмущений. Проводить такие измерения на больших расстояниях с базой несколько километров продиктовано целесообразностью изучения подвижек земной коры в зоне ее разломов, где в подавляющем числе случаев формируются очаги сейсмособытий. Важным в этих измерениях является регистрация предвестников землетрясений. Как правило, зоны сейсмоактивных разломов расположены в горной местности и в поперечном направлении имеют достаточно большую протяженность. В этих условиях применение известных методов интерферометрии [13,14] с экранировкой измерительного плеча от атмосферных помех, несмотря на их высокую чувствительность, становится проблематичным. Для радикального решения указанной проблемы требовалась разработка специальных методик, позволяющих проводить измерения малых деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы. Несколько менее жесткие требования предъявляются к регистрирующей лазерной аппаратуре, когда речь идет об измерениях в штольнях, шахтах, пещерах, и т.п. [15-18]. В этом случае приходится решать те же задачи, что и при болыпебазовых измерениях. Использование же вакуумированных лучеводов, является дорогостоящим и не всегда удобным, особенно в процессе длительных непрерывных наблюдений.

Еще одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения применения лазерных систем в медико-биологических исследованиях, являлась проблема высокоточного измерения характеристик движения микрообъектов живой природы, таких как клетки и микрочастицы крови, белки, микроорганизмы, вирусы, молекулы ДНК и т.д. Те трудности, с которыми спектроскопия оптического смешения [19-21] столкнулась в биологии к концу 70-х годов прошедшего столетия, были напрямую связаны с недостаточным спектральным разрешением метода светового рассеяния. Достигнутая к этому времени в спектроскопии светового рассеяния разрешающая сила на уровне 1014, определяемая характеристиками оптической и электронной систем, не позволяли, в частности, измерять очень малые скорости и~1 мкм/с микрообъектов, а также особенности их случайного или детерминированного движения в одночастичном режиме рассеяния. Многочисленные исследования носили скорее статистический, качественный характер, чем детальный, количественный. В результате, при таком изучении, из-за слабого уровня рассеянного сигнала и низкого спектрального разрешения оставались в тени многие детали собственной подвижности исследуемых живых микрообъектов, а также особенности их взаимодействия с водной средой. Как было показано нашими исследованиями, результаты которых приведены ниже, влияние такого взаимодействия может проявляться как неизвестное свойство жидкости, мешающее получению информации об исследуемых микрообъектах. И только, если последние выступают в роли тестовых или пробных микрочастиц, физические характеристики которых заранее известны, появляется возможность изучать собственно динамические свойства жидкости, в том числе ранее неизвестные.

Данная диссертационная работа посвящена разработке новых физических принципов и методик, позволяющих на основе использования гетеродинных лазерных методов и средств реализовать высокую точность и чувствительность измерений малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех, а также получению экспериментального подтверждения их эффективности при наблюдении неизвестных ранее свойств, явлений и закономерностей.

Цель и задачи работы Цель настоящей работы состоит в проведении физических исследований, направленных на поиск высокочувствительных лазерных методов измерения малых перемещений и скоростей в условиях низкого отношения сигнал/шум, обусловленного природой и спецификой изучаемых объектов. В задачи исследований входило

• Разработка методов измерения скоростей сильнорассеивающих сред и труднодоступных объектов на основе использования волоконно-оптических зондов.

• Разработка физических основ высокочувствительной лазерной системы для измерения скоростей объектов, слаборассеивающих, слабоотражающих зондирующее оптическое излучение.

• Разработка прецизионных гетеродинных лазерных комплексов, способных в широкой полосе периодов колебаний регистрировать малые деформационные перемещения земной коры в условиях открытой атмосферы для непрерывного болыпебазового геодинамического мониторинга и поиска предвестников землетрясений.

• Создание высокоразрешающего метода спектроскопии светового рассеяния и обоснование его применений для исследования низкоскоростных микрообъектов живой и неживой природы.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые. 1 Теоретически обоснованы и экспериментальными исследованиями подтверждены возможности лазерного доплеровского анемометра на основе одноволоконного гетеродинного или дифференциального световодного датчика без специальной формирующей и приемной оптики для зондирующего и рассеянного назад излучения локально измерять с 5% точностью скорость труднодоступных объектов, включая потоки сильно рассеивающих сред, средний размер оптических неоднородностей которых соизмерим или превышает диаметр оптического волокна.

Теоретически обосновано и экспериментально показано, что для двухчастотного лазерного анемометра на основе световодного датчика с параллельными двумя зондирующими и одним приемным оптическими волокнами, ортогонально ориентированными в исследуемом потоке сильнорассеивающей мелкодисперсной среды, ( например : кровь, молоко, и т.п.) относительная погрешность измерения локальной скорости по регистрируемому доплеровскому уширению спектра фотоэлектрического сигнала не превышает 10%, а сам измеритель требует предварительной калибровки.

Предложена и экспериментально реализована активная линейная система ЛДА с одноволоконным световодом на примере использования стабилизированного аргонового лазера, позволяющая проводить локальные измерения малых скоростей (V< 1м/с) труднодоступных объектов с высоким ~ 40 дб отношением сигнал/шум.

Предложена активная схема ЛДА, основанная на явлении модуляции коэффициента связи между встречными волнами в кольцевом ОКГ. Теоретически и экспериментально показано, что при прочих равных условиях чувствительность кольцевой системы к слабому обратному рассеянию от движущегося объекта существенно выше, чем в аналогичной линейной системе, и, при соответствующих резонансных условиях одночастотной генерации, выигрыш в отношении сигнал/шум может составлять несколько порядков.

Предложен гетеродинный фазочувствительный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе лазеров и реализован в системах регистрации деформаций земной коры в условиях открытых протяженных трасс и слабого обратного сигнала. На базе 1км зарегистрированы микронные перемещения на частоте ~ 1Гц. Экспериментально, на базах до 5 км, определены ограничения на относительную чувствительность болыпебазового лазерного деформографа к смещениям величиной ~10'7 для периодов колебаний в области 1-10часов, связанные с турбулентностью атмосферы.

Разработаны прецизионные болыпебазовые гетеродинные системы измерения малых перемещений с использованием синхронизированных по фазе С02 лазеров и частотносдвигающих акустооптических модуляторов, а также дифференциальные методики регистрации полезного сигнала, позволяющие исключить влияние суточных вариаций показателя преломления воздуха в зоне измерений до уровня 10'7. С их помощью в условиях разломов земной коры на базах ~2 км зарегистрированы приливные деформации земной поверхности с амплитудой колебаний ~2мм.

На основе двух синхронизированных по фазе He-Ne ОКГ разработан автоматизированный гетеродинный лазерный деформограф с коротким компенсационным интерферометрическим плечом длиной ~1м, позволяющий на базах до 100м в присутствии атмосферы в условиях штольни проводить измерения деформации горных пород с относительной чувствительностью 10" 9-гЮ"10 в широком диапазоне частот, включающем сейсмические, приливные и сезонные колебания земной поверхности, а также регистрировать аномальные деформационные процессы накануне землетрясений.

С помощью оригинальных высокочувствительных лазерных наблюдений в штольне БРЗ обнаружены аномалии в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых за несколько часов или суток до сейсмических событий, как их предвестники и неизвестное ранее явление вариации амплитуды микродеформационного шума с 24 часовым периодом, обусловленное изменением гравитационного потенциала Солнца в верхних слоях неоднородной по плотности Земли.

На основе созданного автоматизированного гетеродинного спектрометра светового рассеяния с высокой разрешающей силой R>1015 разработан новый метод прецизионного измерения физических характеристик детерминированного и случайного движения микрообъектов в жидкостях, в том числе биологических. Экспериментальными исследованиями на компонентах крови и молока, а также микроорганизмах, установлено, что разработанный метод, в отличие от известных, позволяет по регистрируемому малому доплеровскому сдвигу частоты и уширению спектральной линии рассеяния определять инфранизкие скорости микрообъектов V<1mkm/c, их размеры в широком диапазоне 10"3< ё<103мкм и концентрацию.

0 На базе созданного спектрометра с уникальным разрешением и высокой чувствительностью к слабым уровням рассеяния предложен новый метод обнаружения и идентификации микроорганизмов, использующий различие их собственной подвижности в водной среде. Его преимущество по сравнению с известными биологическими методами экспериментально обосновано обнаруженными динамическими отличиями в спектральных характеристиках сигналов многочастичного рассеяния на бактериальных клетках Escherichia coli и Pseudomonas, а также особенностями процесса размножения микробов в ростовой питательной среде зарегистрированными в одночастичном режиме рассеяния.

1 Разработан спектрометр светового рассеяния с уникальным разрешением 0.001 Гц. Благодаря фазовой чувствительности созданного спектрометра обнаружены неизвестные видовые особенности собственной подвижности микроорганизмов в водной среде, на примере нескольких видов, а также на основе новых экспериментальных данных, выявивших узкую часть линии рассеяния в водных растворах биологических макромолекул, подтверждена, высказанная ранее теоретически, двухструктурная модель воды.

2 На основе явления светового рассеяния предложен и экспериментально осуществлен фазочувствительный лазерный метод изучения подвижности микрообъектов живой и неживой природы, использующий оригинальный принцип детектирования микроперемещений. Его научно-практическая эффективность теоретически и экспериментально подтверждена на примере установления нового закона броуновского движения единичных частиц на малых временах наблюдения т«1с. Этот метод позволяет на более высоком уровне исследовать неизвестные ранее структурно-динамические свойства жидкостей.

Практическая ценность

- Разработанные новые лазерные доплеровские измерители скорости с одноволоконными световодами внедрены в практику гидродинамического эксперимента в Институтах РАН для исследований двухфазных потоков, а также могут быть использованы на натурных объектах для определения скорости 1фови в кровеносных сосудах человека и животных, измерения скорости судна относительно водной поверхности, в криогенных экспериментах и др.

Кольцевая активная лазерная система, впервые предложенная для измерения скорости, может быть эффективно использована для дистанционного изучения подвижных слабоотражающих объектов.

- Разработанные гетеродинные лазерные системы для измерения малых перемещений на больших расстояниях с базой порядка нескольких километров позволяют регистрировать деформационные процессы земной коры в зоне литосферных разломов. Это позволяет наблюдать и изучать формирование очагов землетрясений.

- Гетеродинный He-Ne лазерный автоматизированный деформографический комплекс с высокой относительной чувствительностью 10"9-Ю"10, в широкой полосе частот, специально разработанный для систематических геофизических наблюдений за деформациями земной коры в сейсмоактивных зонах на базах до 100м, позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.

- Созданный высокочувствительный лазерный спектрометр светового рассеяния с

1 ft разрешающей силой 10 , используемый в практике биофизического эксперимента по изучению подвижности единичных микрообъектов живой и неживой природы позволил разработать основы нового экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Разработанные лазерные доплеровские анемометры на основе одноволоконных световодных датчиков с соответствующими геометрией и параметрами волокон позволяют без специальной формирующей и приемной оптики для зондирующего и рассеянного назад излучения измерять с 10% точностью скорость объектов, недоступных для прямого локального зондирования лазерными пучками, включая потоки оптически неоднородных сильнорассеивающих сред.

2. Активная кольцевая лазерная система, предложенная для исследования характеристик движения низкоскоростных объектов, на один-два порядка выше по чувствительности к слабому обратному отражению или рассеянию, чем известная линейная, а в сочетании с одноволоконным световодным датчиком ее преимущество распространяется и на объекты, труднодоступные для прямого зондирования.

3. Новые прецизионные гетеродинные системы и методики измерения малых линейных перемещений, использующие в основе синхронизированные по фазе лазеры и частотно-сдвигающие акустооптические модуляторы, позволяют на километровых базах в открытой атмосфере регистрировать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне периодов с относительной чувствительностью ~ 10"7 и детерминированные колебательные смещения в герцовом диапазоне частот на уровне 10"9.

4. Разработанный для измерений в штольне автоматизированный лазерный деформографический комплекс, обладающий в присутствии атмосферы высокой относительной чувствительностью Ю"9-гЮ'10 к малым перемещениям в

0 7 широком диапазоне периодов колебаний 10 +10 с, позволяет регистрировать собственные и приливные колебания Земли, предвестники землетрясений и детерминированные суточные вариации микродеформационного шума и является новым эффективным средством для изучения процессов и явлений в земной коре, в том числе ее напряженно-деформированных состояний, сопровождающих сейсмичность.

5. Разработанные автоматизированный гетеродинный спектрометр светового рассеяния и метод измерения физических характеристик детерминированного и броуновского движения микрообъектов в жидкости позволяют по регистрируемым в динамике доплеровскому сдвигу частоты и спектральной ширине линии рассеяния с разрешающей силой R>1015 определять размеры частиц в диапазоне 10'3< d< 103мкм, их концентрацию, а также малые скорости V<1mkm/c и их вариации при детектировании отличительных особенностей подвижности живых и неживых объектов.

6. Разработанный фазочувствительный метод спектроскопии светового рассеяния с разрешением позволивший обнаружить видовые особенности собственной подвижности микроорганизмов, кластерные образования микронного масштаба в водных растворах ДНК и установить квадратичный закон броуновского движения частиц на малых временах наблюдения т«1с, является новым научным методом в изучении характеристик движения микрообъектов различного происхождения и структурно-динамических свойств жидкостей.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в получении представленных в данной диссертации результатов состоит в следующем:

1. Соискателем самостоятельно выдвинуты ряд нерешенных ранее проблем, и в соответствии с ними постановка задач, несмотря на то, что большая часть исследований выполнена в авторском коллективе.

2. Весь материал данной диссертации, начиная от идей постановки эксперимента и кончая подготовкой публикаций и выступлениями на научных конференциях, сделаны по инициативе и непосредственно автором диссертации.

3. Представленные в работе основные результаты в виде сформулированных защищаемых положений, научной новизны и выводов получены и обоснованы лично автором.

4. Автором внесен решающий вклад в получении результатов, имеющих мировую новизну, что позволило создать новое научное направление в области исследования низкоскоростных объектов лазерными методами-«Высокочувствительные лазерные измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех»

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); Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); Международной научно-практической конференции "Новое в лазерной медицине" (Бишкек, 1995); 15-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995); 1st International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1995); ), The International Conference on Nonlinear Dynamics and Chaos. Applications in Physics and Medicine (Saratov, Russia, 1996); 6th International Conference on Laser Applications in Life Sciences (Jena, Germany, 1996); 2nd International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997); Russia - German Laser Symposium (Novosibirsk, 1997); BiOS'98 (San Jose, USA, 1998); . XVIth International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow, 1998); 8th International Laser Physics Workshop

Budapest, Hungary, 1999); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-^ Петербург, 2000). IX International conference on Laser applications in life sciences(Vilnius, 2002). В 1981 г соискатель удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР за разработку и создание лазерного доплеровского измерителя скорости с волоконным световодом. В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на ярмарке в Лейпциге, где был удостоен диплома и золотой медали.

Выводы

1. Разработаны основы экспресс- метода обнаружения и идентификации микроорганизмов с использованием прецизионной лазерной спектроскопии светового рассеяния. Разработка является результатом исследований по детектированию движения единичных микрочастиц биологического и небиологического происхождения.

2. Оригинальный метод был использован для исследования особенностей индивидуальной подвижности микрочастиц живой и неживой природы в водных суспензиях. С помощью фазочувствительной лазерной установки по характеристикам сигналов рассеяния впервые зарегистрированы неизвестные ранее детали собственного движения ряда микроорганизмов.

3. С помощью прецизионного лазерного спектрометра с разрешением л ~0.001Гц на водных растворах глобулярной ДНК обнаружена узкая линия

10.3» 10,3® 10.37 10.38 10,39 рассеяния, уширение которой не подчиняется известному тепловому закону броуновского движения микрочастиц с соответствующим размером макромолекул Дднк=8-10"3мкм. Показано, что наряду с макромолекулами, совершающими обычные неупорядоченные движения, существует часть, которая теряет свою независимость за счет «вмораживания» в трехмерную сеть водородных связей структурированной воды. В этом случае макромолекулы могут перемещаться только вместе с ячейкой структурированной воды, средний устойчивый пространственный размер которой составляет RsImkm.

4. Предложен, а также теоретически и экспериментально обоснован новый методический подход в изучении детерминированной и броуновской составляющих движения единичных микрообъектов в жидкости на основе детектирования их собственных перемещений, что существенно расширяет возможности традиционного корреляционно-спектрометрического метода в изучении структурных и динамических свойств жидких сред при регистрации упорядоченного и теплового движения пробных светорассеивающих частиц живой и неживой природы на различных временных и пространственных масштабах.

5. Новый методический подход с использованием фазочувствительного лазерного спектрометра светового рассеяния позволил впервые для единичных броуновских частиц разного размера получить записи временных разверток их перемещений. Сравнительными исследованиями тепловой подвижности единичных микрообъектов в диапазоне интервалов наблюдения 0.1-10с показано, что средний квадрат перемещений частицы подчиняется известному линейному закону Эйнштейна-Смолуховского [z(t + г) - Z(/)]2 = 2Dr описывающему поступательную диффузию в жидкости.

6. С помощью оригинальной высокоразрешающей лазерной методики светового рассеяния установлено, что на временах наблюдения т« 1с закон движения единичной броуновской частицы в структурной функции перемещений имеет квадратичную зависимость [Z(/ + г) - Z(/)]2 = vDr2, в которой коэффициент v определяется исключительно свойствами жидкости.

Заключение

1. Впервые экспериментальными исследованиями и метрологическими оценками показано, что лазерный доплеровский анемометр с одноволоконным световодом пригоден для локальных измерений скорости в труднодоступных местах и двухфазных потоках сильнорассеивающих сред с погрешностью 5%, определяемой угловой апертурой оптического волокна.

2. Впервые предложен гетеродинный лазерный анемометр с двумя зондирующими и одним приемным световодами и исследована на натурных объектах его возможность для локальных измерений скорости в потоке сильнорассеивающей среды, такой как кровь или молоко. Установлено, что в этой измерительной системе величина скорости определяется шириной спектра регистрируемого фотоэлектрического сигнала, а для любой конкретной ориентации волоконно-оптического датчика относительно исследуемого потока анемометр требует предварительной калибровки.

3 Впервые теоретическими и экспериментальными исследованиями определены метрологические характеристики волоконного дифференциального ЛДИС, зависящие от угла между зондирующими лазерными пучками и их угловой расходимости на выходе световодов. Разработанный новый ЛДИС внедрен в практику гидродинамического эксперимента, в том числе для исследования кипящего слоя.

4 Впервые предложена активная линейная схема ЛДИС с одноволоконным световодом и исследованы на практике возможности ее применения для локального измерения скорости оптически неоднородной, сильно рассеивающей среды. Экспериментально показано, что для потока полистирольного порошка с размером частиц порядка диаметра зондирующего волокна, применение в измерительной системе одночастотного стабилизированного аргонового лазера мощностью ~50мВт позволяет в полосе частот ~ 10МГц достичь уровня сигнала, на два порядка превышающего уровень шумов.

5 Впервые предложена активная лазерная система для измерения линейной скорости, основанная на явлении модуляции коэффициента связи между волнами встречных направлений в кольцевом ОКГ. На основании опытных данных выявлено, что чувствительность кольцевой системы к слабому обратному рассеянию от движущегося объекта зависит от соотношения интенсивностей встречных волн и, при прочих равных условиях, отношение сигнал/шум в ней на порядок выше, чем в активной линейной лазерной системе.

6 Впервые теоретическими исследованиями установлено, что наибольшая восприимчивость кольцевой одночастотной лазерной системы к слабому обратному отражению или рассеянию достигается в области неустойчивости однонаправленного режима генерации, когда при подходе к частотному резонансу с активной средой для излучаемых волн встречных направлений обеспечивается более жесткая конкуренция. В этом случае выигрыш в чувствительности может составлять два порядка по сравнению с симметричным режимом генерации.

7. Предложен и экспериментально обоснован гетеродинный фазочувствительный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе ОКГ. На примере He-Ne и С02 лазерных систем показано существенное преимущество метода в условиях протяженных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными. С его помощью впервые на базе 1км зарегистрированы колебательные перемещения ~1мкм на частоте порядка 1Гц.

8. Экспериментальными исследованиями, выполненными с помощью оригинального гетеродинного лазерного деформографа на больших открытых трассах, впервые показано, что вследствие турбулентности атмосферы частичная потеря пространственной и временной когерентности зондирующего излучения, проявляемая в его амплитудных и частотно-фазовых флуктуациях, ограничивает соответственно длину измерительной базы несколькими километрами и относительную чувствительность к перемещениям в диапазоне собственных и п приливных колебаний Земли величиной ~10" .

9. Разработаны новые болыпебазовые гетеродинные СОг лазерные системы измерения малых относительных перемещений, основанные на непрерывных фазовых измерениях и дифференциальном принципе исключения влияния нестационарной воздушной среды. Впервые с их помощью на базах ~2км, в условиях разломов земной коры зарегистрированы приливные деформации горных пород, сфазированные с теоретическими вариациями гравитационного поля. Расчетными оценками показаны возможности повышения чувствительности разработанных систем до уровня существенно выше чем 10"7.

10. Гетеродинным He-Ne лазерным автоматизированным деформографическим комплексом, специально разработанным для измерений в присутствии атмосферы с высокой относительной чувствительности 10'9-s-10"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)

11. 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 часов или суток до сейсмического события. Использование таких высокочувствительных непрерывных наблюдений в геофизической практике позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.

12. На основе штольневых наблюдений без специальной экранировки лазерного излучения от влияния воздушной среды зарегистрированы собственные

1 2 колебания Земли с абсолютной амплитудой смещений 10 -г-10 мкм и обнаружено неизвестное ранее явление периодической вариации амплитуды микродеформационного шума на уровне нескольких сотых микрометра в диапазоне периодов колебаний 10-^300с, обусловленное изменением гравитационного потенциала Солнца вследствие вращения Земли и ее неоднородной плотности из-за слоистой радиальной структуры.

13. Впервые на основе использования двух синхронизированных по фазе He-Ne лазеров разработан дифференциальный гетеродинный спектрометр светового рассеяния с разрешением R»1015, чувствительный к слабым уровням рассеяния. На микрообъектах живой и неживой природы экспериментально показано, что высокоразрешающий спектрометр позволяет по регистрируемым малым доплеровким сдвигам частоты и ширинам линии рассеяния измерять их инфранизкие скорости V«1 мкм/с и характеристики броуновского движения, определяемые размерами и концентрацией.

14. Усовершенствование регистрирующей электронной части оригинального спектрометра за счет использования АЦП и ЭВМ типа IBM PC существенно расширили возможности спектрометрии светового рассеяния при обработке сигналов во временной и спектральной областях. Это позволило, путем объединения в одной лазерной системе метода спектрометрии динамического светорассеяния с доплеровским седиментационным методом, впервые разработать анализатор микрочастиц, способный экспрессным образом определять размеры микрочастиц в широком диапазоне 10"3< d <103мкм.

15. Экспериментальными исследованиями обосновано преимущество нового методического подхода в решении проблемы обнаружения и идентификации микроорганизмов, основанного на видовой специфике их собственной двигательной активности. Высокое разрешение созданного спектрометра светового рассеяния позволило в динамике на примере двух видов бактерий зарегистрировать отличительные спектральные характеристики сигналов и пронаблюдать особенности процесса размножения клеток в питательной среде, не обнаруживаемые биологическим методом исследования.

16. Разработаны основы экспресс-метода обнаружения и идентификации микроорганизмов с использованием прецизионной лазерной спектроскопии светового рассеяния. С помощью оригинального высокоразрешающего спектрометра впервые в одночастичном режиме рассеяния зарегистрированы неизвестные ранее специфические особенности двигательной активности ряда микроорганизмов, а также обнаружены существенные видовые различия в характере их собственного движения.

17. Достигнутое в лазерном спектрометре светового рассеяния рекордное разрешение ~ 5-10"4 Гц позволило обнаружить узкую часть линии рассеяния в водных растворах плазмидной ДНК, обусловленную наличием в аморфной воде льдоподобных устойчивых ячеек( кластеров) микронного масштаба, способных за счет водородных связей жестко фиксировать биологические макромолекулы и таким образом проявлять себя в броуновском движении посредством рассеяния.

18. Впервые предложена и экспериментально реализована новая методика * исследования характеристик упорядоченного и хаотического движения единичных микрообъектов в жидкости по сигналам рассеяния, основанная на регистрации временных разверток их перемещений. Использование этой методики подтвердило известный линейный закон, описывающий поступательную диффузию частиц на больших временах наблюдения т > 1с, а также позволило установить неизвестную ранее квадратичную закономерность для малых времен наблюдения т«1с. Ж

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

2. Yeh Y., Cummins H.Z., Localized 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»- М.: Наука, 1975.-260с.

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

5. Протопопов В.В., Устинов Н.Д., « Лазерное гетеродинирование» М. Наука, 1985,- 288с.

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

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

8. Низкоинтенсивная лазерная терапия. Сб. тр. Под общ. ред. С.В. Москвина, В.А. Буйлина, М. -ТОО «Техника»,2000, 721с.

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

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

11. Берштейн И.Л. Изв. вузов. Сер. Радиофизика,т.16, N4, 1973.

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

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

14. Алешин В.А., Дубров М.Н., Яковлев А.П. Лазерный интерферометр для измерений деформаций земной коры, Докл.АН СССР, 1980, т.253, N6, с.1343-1346.

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

16. 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.

17. Нестеров В.В., Головин С.Л., Насонкин В.А. Измерение длиннопериодных колебаний Земли лазерными интерферометрами-деформографами. Физика Земли. Известия АН СССР, N4, 1990, с.72-78.

18. 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)

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

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

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

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

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

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

25. Ринкевичюс Б.С., Лазер измеряет скорость, Природа, 1979, N2, с.76-89.

26. Ritonga J., Ushizaka Т. and Asakura Т. Two- Dimensional measurements of velocity using Two Rotating Gratings. Appl.Phys. B-1989-48, N5, p.371-377.

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

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

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

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

31. М 32. Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболев B.C., Столповский А.А., Уткин Е.Н. Лазерные доплеровские измерители скорости. Под ред. Нестерихина Ю.Е., Новосибирск, Наука, 1975.

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

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

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

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

36. Rudd M.J. A new theoretical m odel for the laser Doppler m eter. J.Phys., 1969, E2, p.55-58.

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

38. Laser Anemometer systems from Thermo-Systems, inc.Catalog, Minnesota:TSI, 1976.

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

40. Riva C., Ross В., Benedek G.B., Invest. Ophtalmol., 1972, 11, p.936.

41. Stern M.D., Nature, 1975, v.254, p.56-58.

42. Stern Michael D., Lappe Dounald L. Method of and apparatus for measurement of blood flow using coherent light. G 01 P 3/36, 4, 109, 647, 1978, Patent USA.

43. Ruth В., Non-contact blood flow determination using a laser speckle method. Optics and laser technology, vol.20, N6, 1988, p.309-316.щ 45. Джоунс P., Уаикс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, М., Мир, 1986, с.327.

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

45. Приезжев А.В., Степонян А.С., Денисов Ю.А., Вестник МГУ, сер.З, физика, 1989, 30, N2, с.62-66.

46. Wunderlich R.W., Folger R.L., Giddon D.B., Ware B.R. Laser Doppler Blood Flow

47. M' Meter and Optical Plethysmograph. Rev.Sci.Instrum.51 (1980), N9, p.1258-1262.

48. Арефьев И.М., Еськов А.П., Шевченко Р.А., Лазерный спектрометр оптического

49. Щ смещения для анализа микроциркуляций крови.-В кн.: Тезисы докладов 3

50. Всесоюзной конференции "Оптика лазеров". JL: ГОИ им. С.И.Вавилова, 1981.

51. 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.

52. Евсеев А.Р. и др. Измерение структурных характеристик газожидкостного потока лазерным анемометром с волоконным световодом. Автометрия, 1987, N2, с.69-73.

53. 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.

54. 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.

55. Toda H., Haruna M., N ichihara H. Integrated-optic device for a fiber laser Doppler velocimeter. Electronics letters, 1986, vol.22, N19, p.982-984.

56. Mocker Has W. and Bjork Paul E., High accuracy laser Doppler velocimeter using stable long-wave length semiconductor lasers. Appl.Opt.,vol.28, N22, 1989, p.49144919.

57. Nash P.J., King T.A., A heterodyne photon correlation spectrometer of advanced design. J.Phis.E.Sci.Instrum., 1985, 18 N4, p.319-321.

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

59. Арефьев И.М. Медицинские применения фотон-корреляционной спектроскопии. В кн.: Лазерная доплеровская анемометрия и ее применения. Новосибирск, 1 980,с.90-91.

60. 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.

61. Massey G.A. Optical Spectra, 1969, N49.

62. Викторов E.A., Галактионов H.M., Мак А.А., Орлов O.A., Ткаченко E.B., Устюгов В.И. Высокочувствительная регистрация слабого отражённого или рассеянного излучения методом внутрирезонаторного когерентного приёма с YAG

63. Nd-лазером.Опт. и спектр., т.62, вып.2, 1987, с.430-436.

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

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

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

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

68. Osami Sasaki and Kazuhide Takahashi. Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fibers for displacement measurement. Appl. Opt., 1988, vol.27, N19.

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

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

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

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

73. 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.

74. Sasaki О sami a nd Т akahachi К azuhide. S inusoidal р hase modulating i nterferometer using optical fiber for displacement measurement. Appl.Opt., vol.27, N19, 1988, p.4139-4142.

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

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

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

78. Алешин В.А., Горшков А.С., Дубров М.Н., Иванов И.П., Скепко А.Г. Лазерный интерферометр для деформографических наблюдений в районе Сурхобского тектонического разлома. Физика Земли N3, 1986, с.80-87.

79. Яковлев А.П., Дубров М.Н., Возмущение высокочастотных микродеформаций землетрясениями на телесейсмических расстояниях. ДАН, 1988, т.302, N6, с. 13411345.

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

81. Корчагин Ф.Г., Криницын Ю.М., Халяпин Ю.Н., Чеботов С.А., Ившин В.М., Магуськин М.А. Исследование собственных колебаний Земли с помощью оптического деформографа. Тихоокеанская геология N5, 1986, с. 110-112.

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

83. 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.

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

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

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

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

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

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

90. 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.

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

92. 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.

93. Витушкин Л.Ф., Смирнов М.З. О квантовом пределе разрешения абсолютных смещений с помощью лазерных интерферометров. Оптика и спектроскопия, 1985, 59, N3, с.661-665.

94. Коронкевич В.П., Соболев B.C. О потенциальной точности лазерных интерферометров. В кн.: Лазерные интерферометры. Новосибирск, ИАиЭ СО АН СССР, 1978.

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

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

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

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

99. 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.

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

101. 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.

102. Uzgiris E.E. 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.

103. Кучин А. А., Обрадович К. А., Оптические приборы для измерения шероховатости., Л., Машиностроение, 1981.

104. Dhadwal H.S., Chu Benjamin, A fiber-optic light-scattering spectrometer, Rev.Sci.Instrum. 60(5), 1989, p.845-853.

105. Brown R.G.W., and Jackson Ann.P., Monomode fiber components for dynamic light scattering, J.Phys.E.-.Sci.Instr. 20 (1987), p.l503-1507.

106. Harbans S. Dhadwal, Chi Wu, and Benjamin Chu. Fiber optic detector probes for laser light scattering. Appl.Opt., 1989, vol.28, N19, p.4199-4205.

107. Ринкевичюс B.C., Толкачев А.В.,Суторшин В.Н.,Чебунин В.Г. Лазерный доплеровский анемометр для измерения сверхмалых скоростей. Измерительная техника. N5, 1986, с. 18-20.

108. 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.

109. Физическая Энциклопедия, т.1 Москва, 1998, с.587-588.

110. 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.

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

112. А.Р. Евсеев, В.А. Орлов «Особенности лазерной доплеровской анемометрии со Jit световодами» Тезисы доклада 4-го Всесоюзного совещания «Экспериментальныеметоды и аппаратура для исследования турбулентности», Новосибирск, 1981, с 111

113. А.Р. Евсеев, В.А. Орлов «Дифференциальный доплеровский измеритель скорости с волоконными световодами» Автометрия 1986, №6, с62-68

114. A.R. Evseev, V.A. Orlov, and G.A. Ryabov.«An experimental investigation of a circulating fluidized bed by a laser Doppler anemometer with optical fibers (LDFA).

115. Russ.J.Eng Thermophys.,1998, Vol.8. №1-4, P.137-147

116. В.А. Орлов, C.B. Ревякин «Волоконно-оптическое устройство для измерения параметров движения объектов» Авторское свидетельство №1486779, приоритет от 08.09.87г

117. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц «Механика».: М.гНаука, 1965.

118. В.И. Балаев, Е.В. Мишин, В.И. Пятахин. «Волоконно-оптические датчики параметров физических полей». Квантовая электроника, 11, №1, 1984, с.10-29.

119. В.А. Орлов «Активная схема ЛДИС со световодами» Тезисы докл. 1 Всесоюзн.

120. Семинара «Оптические методы исследования потоков» Новосибирск, 1989,с 52-53

121. В.А. Орлов, Б.Г. Покусаев, С.В. Ревякин «Волоконно-оптическое устройство для измерения характеристик потока» Авторское свидетельство №1659862, приоритет от 28.07.89

122. П.Е Колосов, В.Н.Лисицын, В.А. Орлов, Ю.Н. Фомин «Кольцевой лазер для измерения линейной скорости» Квантовая электроника т.9,№9, 1982, cl893-1895

123. Я.И. Ханин. Квантовая радиофизика, т.2 «Динамика квантовых генераторов». М.: «Сов. Радио», 1975.

124. В.А. Орлов «Кольцевая активная схема для изучения слабых рассеяний». Сибирский физико-технический журнал, №2, 1992,с. 29-34.

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

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

127. 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.

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

129. 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.

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

131. 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.

132. Голдстейн И., Майлс П., Шабо А. ТИИЭР, т.53, N9, 1965.

133. Смирнов В А., Введение в оптическую радиоэлектронику, М.: Советское радио, 1973.

134. 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.

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

136. 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.

137. С.Н. Багаев, В.А. Орлов, А.Ю. Рыбушкин, В.М. Семибаламут, Ю.Н. Фомин Научно-технический отчет СОМЛП СО РАН за 2000г, Новосибирск 2001, 65с.

138. 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.

139. Akiro Ishida, Two-Wavelength Displacement-Measuring Interferometer Using Second-Harmonic Light to Eliminate Air-Turbulence Induced Errors. Japanese Journal of Applied Physics, vol.28, N3, 1989, pp.L473-L475.

140. Физическая Энциклопедия, т.4, Москва, 1994, с.257.

141. В.А. Орлов «Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей». Канд. дисс. Новосибирск, 1999.

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

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

144. Тимофеев В.Ю. Приливные вариации силы тяжести на сибирском профиле. Канд. дисс., Новосибирск, 1985.

145. Альтерман 3., Ярош X., Пекирис Х.Л. Колебания Земли в кн. Собственные колебания Земли. М.: Мир, 1964.

146. С.Н.Багаев, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.Н.Фомин "Двухчастотная лазерная интерферометрическая система для измерения линейных перемещений." Патент RU №2082085 G01 В21/00, приоритет от 22.04.94.

147. Л.Н. Рыкунов, О.Б.Хаврошкин, В.В. Цыплаков, ДАН 238, №2, с.303-306, 1976.

148. J1.H. Рыкунов, О.Б Хаврошкин, В.В. Цыплаков, Физика Земли №1, с.72-76, 1979

149. В.Н. Табулевич Комплексные исследования микросейсмических колебаний. Наука, Новосибирск, 1986

150. Е.И. Гальперин, А.В.Ситников, С.И. Квитинский, A.M. Иванов, А.И Чесноков, Физика Земли, №10, с.99-109, 1989

151. Л.Н. Рыкунов, О.Б. Хаврошкин, В.В. Цыплаков, Н.А. Видмонт, ДАН 358, №2, с.250-256,1998.

152. А.С. Беликов, B.C. Лавров, А.В. Николаев, Л.Л Худринский, ДАН 348, №3, с.383-386,1996

153. Эйби Дж. А. Землетрясения. M., Недра, 1982, с.263.

154. В.А.Орлов Разработка основ метрологического обеспечения гетеродинных лазерных систем высшей точности. Сб.отчетов за 1995 г. "Фундаментальная метрология", Новосибирск, с.215-219

155. 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.

156. 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.1. Петербург, 1993, с.555.

157. 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.

158. Хир. К. Статистическая механика, кинетические процессы. М.: Мир. 1976, с. 107109.

159. 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.

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

161. 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.

162. 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.

163. Клыков В.П, Козлов Л.Ф. Потыкевич И.В, Соскин М.С. Лазерная анемометрия, дистанционная спектрометрия, интерферометрия. Киев: Науч. думка, 1985.

164. Тихонов А.Н, Арсенин В.Я Методы решения некорректных задач. М. : Наука, 1986.

165. Тихонов А.Н, Гончарский А.В, Степанов В.В, Ягола А.Г. Регулирующие алгоритмы и априорная информация. -М. Наука, 1983

166. Бронников А.В Регулирующий алгоритм вычисления распределения частиц по размерам в методе лазерной корреляционной спектроскопии// Тез. докл. I всесоюзн. Семинара «Оптические методы исследования потоков -Новосибирск, 1989

167. Manual of Methods for General Bacteriology. Ed. Philips Gerhardt et al. American Society for Microbiology Washington, DC 20006 1981.

168. Jannasch H.W., Mutl M.I. Science. 1985. V.229. P.717-725.

169. Microbial Life in extreme environments. Ed. Kushner D.Y. University of Ottava. London, New-York, San Francisco: Academic Press, 1978.

170. Мурзаков В.Г. //Успехи микробиологии. 1976. Т. 11.С.101-133.

171. N.H. Horowitz То Utopia and back: the search for life in the Solar system. New-York: W.H. Freeman and Company. 1986.

172. Berg H.C. Rev. Sci. Instrum. 1971. V.42. №6. P. 868-871.

173. Scheider W.R., Doetsch R.N. // J. Bacterial. 1974. V.l 17. P.696.

174. Berg H.C. Rev. Sci. Amer. 1975. V.223. №2. P.36.

175. Macnab R.M. // Crit.Rev.Biochem. 1978.V.5.P.291.

176. Berg H.C., Manson M.D., Conley M.P. // Symp.Soc.Exp.Biol. 1982. V.35. Р.1.

177. Седько Ф.Я., Лопатин B.H., Парамонов Л.Е., Поляризационные характеристики взвесей биологических частиц. Новосибирск: Наука, 1990. 120с.

178. С.Н. Багаев, В.А. Орлов, С.В. Панов «Спектрометр светового рассеяния для задач медицинской диагностики» Медицинская техника, 1995 №2 с. 17-21

179. S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov «Precision light scattering spectroscopy for microorganisms study» International symposium «Modern Problems of Laser Physics» August 28 September2, Novosibirsk, 1995, pp 488-495

180. S.N. Bagaev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.N. Panov «Investigation of moving species of microorganisms by laser light scattering spectroscopy» Laser Physics, 1996, vol.6. №3, pp 596-599.

181. C.H. Багаев, В.А. Гусев, В.А. Орлов, С.В. Панов «Идентификация подвижности микроорганизмов методом высокоразрешающей спектроскопии светового рассеяния» Доклады Российской Академии Наук, 1997, т 355, №5, с.664-668.

182. Гусев В.А. Эволюции микробной популяции клеток в условиях полного субстратного голода. // Динамика микробных популяций. Новосибирск: Наука, 1993. С.176-205.

183. S.N. Bagaev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov «Spatial and temporal self -organization of bacterial population» International Journal of Bifurcation and Chaos, 1998, №5, pp. 985-990.

184. В.А. Гусев, В.А. Орлов, С.В. Панов «Размножение гетеротрофных микроорганизмов в условиях отсутствия источников физического субстрата и динамико квазистационарных состояний популяции» Биофизика, 1998, т. 43, №4, с.746-750

185. S.N. Bagaev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov «The study of dynamic peculiarities of motility of some species of microorganisms by quasi-elastic ligft scattering». Proceedings of SPIE, 1998, v.325, pp. 267-272

186. S.N. Bagaev, 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, №3, pp. 803-808

187. С.М. Pleass, Dean Dey Laser Doppler Spectrometer for the Statistical Study of the Behavior of Microscopic Organisms. United State Patent 5,108,907, Apr.28, 1992.

188. C.M. Pleass, Bin Zheng, Charles S. Ih. Laser Doppler Spectrometer for the Statistical Study of the Behavior of Microscopic Organisms. United State Patent 5,229,849, Jul.20, 1993.

189. S.N. Bagayev, V.A. Gusev, V.A. Orlov, S.V. Panov, T.P. Kaminina «Precision light scattering spectroscopy for study determinate movement of biological objects» Proceedings of SPIE, 1999, vol. 3732, pp. 196-201

190. Ландау Л.Д, Лифшиц E.M, Гидродинамика, M. Наука, 1988.

191. Самойлов О .Я Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. Москва, Изд. АН СССР, 1957

192. Баранов А.Н, Салецкий А.М, Хвостов А.В, Червяков А.В. Фотофизические процессы в водных системах. Роль структуры воды. //Физ. мысль России, №3, с27-39,1995

193. S.N. Bagaev, V.A. Orlov, S.V. Panov «The study of motility of individual microparticles by phase sensitive laser spectroscopy» Laser Physics, 2000r, vol. 10 №2, pp. 501-506

194. S.N. Bagayev, V.A. Orlov, S.V. Panov «The low of movement of Brownian particles at small observation times». Laser Physics, 2001 vol 11, №11 pp. 1232-1234.

195. A. Einstein, Zur Theorie der Brownsehin Bewegung Ann. Phys, 1906, 19, 371-381