Высокочувствительные лазерные измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................5
Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И
СКОРОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОМЕХ....................................................16
1.1. Физические принципы измерения перемещений и скоростей в оптике..........................................................16
1.2. Ограничения традиционных лазерных доплеровских схем измерения
скорости при локальном зондировании мутных и сильнорассеиваю-щих потоков..............................................22
1.3. Возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого обратного отражения или рассеяния лазерного из лучения.... 29
1.4. Традиционная лазерная интерферометрия перемещений в проблеме
измерения малых относительных деформаций земной коры.....31
1.5. Проблема измерения характеристик движения низкоскоростных
микрообъектов в известных методах лазерной доплеровской анемометрии и спектроскопии светового рассеяния...............38
Глава 2 ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ МУТНЫХ СРЕД И ТРУДНОДОС-
ТУПНЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ДОПЛЕРОВСКОЙ АНЕМОМЕТРИИ С ВОЛОКОННЫМИ СВЕТОВОДАМИ.....................................................42
2.1. Гетеродинный одноволоконный лазерный доплеровский измеритель
скорости (ЛДИС)..........................................42
2.2. Лазерный волоконный анемометр для локальных измерений кровотока..........................................................55
2.3. Дифференциальная схема ЛДИС с тремя световодами..........67
2.4. Волоконно-оптический датчик звука........................80
I
1
2.5. Выводы..................................................85
Глава 3. АКТИВНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
СКОРОСТЕЙ СЛАБОРАССЕИВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ........................87
3.1. ЛДИС в модели линейного лазера с трехзеркальным резонатором.87
3.2. Активная линейная схема ЛДИС со световодом..................91
3.3. Активная схема ЛДИС с кольцевым лазером.....................94
3.4. Сравнительный анализ пассивной и активных схем ЛДИС........106
3.5. Выводы.....................................................108
Глава 4. ГЕТЕРОДИННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕ-
НИЯ МАЛЫХ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ ТРАСС........................111
4.1. Гетеродинный принцип измерения малых перемещений на больших
расстояниях с использованием двух синхронизированных по фазе лазерных источников..........................................111
4.2. Интсрфсрометричсскис исследования характеристик лазерного
излучения при прохождении протяженной атмосферной трассы...119
4.3. Большебазовые гетеродинные лазерные системы для измерения
деформации земной коры в условиях открытой атмосферы.......147
4.4. Возможности повышения чувствительности дистанционных лазерных
систем к измерению малых относительных перемещений.........178
4.5. Выводы.....................................................190
Глава 5. ОРИГИНАЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ МЕТОДИКА ШТОЛЬНЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ В ИЗУЧЕНИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ..........................................................192
5.1. Регистрация земных приливов при непрерывном лазерном мониторинге напряженно-деформационного состояния земной коры...192
2
5.2. Регистрация собственных колебаний Земли, поддерживаемых естественной слабой сейсмичностью.................................200
5.3. Прецизионный двухкоординатный лазерный деформограф для геофизических измерений в штольне Байкальской рифтовой зоны..........................................................208
5.4. Обнаружение детерминированных вариаций микродеформационного шума, регистрируемого в лазерных наблюдениях..................222
5.5. Наблюдение аномалий и особенностей в поведении деформации земной коры накануне землетрясений...............................228
5.6. Выводы...................................................239
Глава 6. ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ НИЗКОСКОРОСТНЫХ МИКРООБЪЕКТОВ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ 241
6.1. Описание лазерной методики измерения малых скоростей.....241
6.2. Исследование физических параметров и характеристик движения микрочастиц по доплеровскому сдвигу частоты и форме спектральной линии рассеяния...............................................245
6.3. Автоматизированный лазерный спектрометр светового рассеяния в проблеме распознавания живого и неживого......................259
6.4. Выводы...................................................275
Глава 7. ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕЦИЗИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ В ОБНАРУЖЕНИИ НОВЫХ ЯВЛЕНИЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В ДВИЖЕНИИ МИКРООБЪЕКТОВ.............................................279
7.1. Исследование особенностей собственной подвижности микроорганизмов..................................................279
3
7.2. Изучение теплового и детерминированного движения плазмидных
£ ДНК в водных растворах................................287
7.3. Методика и алгоритм регистрации перемещений единичных микрообъектов по сигналам рассеяния........................295
7.4. Исследование законов движения броуновской частицы на малых и больших временах наблюдения................................300
7.5. Выводы................................................308
*
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................310
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................315
%
*
«
4
ВВЕДЕНИЕ
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 бьггь 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 большебазовых 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 10 й, определяемая характеристиками оптической и электронной систем, не позволяли, в частности, измерять очень малые скорости о~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 большебазового 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
8
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 (У< 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 1 км зарегистрированы микронные перемещения на частоте ~ 1Гц. Экспериментально, на базах до 5 км, определены ограничения на относительную чувствительность большебазового лазерного деформографа к смещениям величиной ~10'7 для периодов колебаний в области ЫОчасов, связанные с турбулентностью атмосферы.
Разработаны прецизионные большебазовые 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 Не-№ ОКТ 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+10'10 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.
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 рассеяния определять инфранизкие скорости микрообъектов V<1mkm/c, их размеры в широком диапазоне 10*3< <1<103мкм 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 ростовой питательной среде зарегистрированными в одночастичном режиме рассеяния.
И 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, двухструкгурная модель воды.
12 На основе явления светового рассеяния предложен и экспериментально осуществлен фазочувствительный лазерный метод изучения подвижности микрообъекгов 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 расегояниях 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*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 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-И0‘10 к малым перемещениям в широком диапазоне периодов колебаний 10°-И 07с, 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
13
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 К>1015 определять размеры частиц в диапазоне 10'3< б< 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 микрообъекгов различного происхождения и структурнодинамических 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 “Modem 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 1981 г соискатель удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР за разработку и создание лазерного догшеровского 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.
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И СКОРОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОМЕХ.
1.1 Физические принципы измерения перемещений и скоростей в оптике Оптические методы измерения перемещений и скоростей
Оптические методы измерения скоростей и перемещений относят к бесконтактным, поскольку влиянием света на объект, а именно на характеристики его движения, в подавляющем числе случаев можно пренебречь. Это является их неоспоримым преимуществом, например, при исследовании аэро- и гидродинамических потоков. Одним из методов, не требующим для своей реализации источников света с высокой временной и пространственной когерентностью, является метод визуального или фотографического наблюдения за траекторией выделенных частиц [22]. В качестве частиц, вводимых в поток, обычно используют алюминиевую пудру или мелкие газовые пузырьки. Применение цифровых методов обработки трековой информации позволяет от наглядных качественных представлений о картине двумерного течения перейти к количественным оценкам поля скоростей. Основные трудности реализации метода - это сложный компьютерный анализ, поскольку требуется одновременно следить за движением в потоке нескольких сотен или тысяч частиц.
Для исследования трехмерной структуры нестационарных турбулентных течений и измерения мгновенного поля скоростей используют
стереофотографирование трассирующих частиц, взвешенных в потоке [23]. Получаемые двумерные фотографии обрабатывают различными способами. Однако, наиболее часто, скорости частиц определяют, используя заданные времена экспозиции, измеряя длину треков соответствующих индивидуальным частицам.
Существуют оптические системы с так называемым теневым полем [24], применяемые для изучения неоднородных, стратифицированных потоков. В этом методе не требуется введение частиц, поскольку он основан на отклонении оптических лучей в потоке с градиентом показателя преломления. Отклонение проходящих через толщу потока световых пучков приводит к изменению их интенсивности в плоскости фоточувствительной пластинки.
Менее трудоемким, по сравнению с фотографическими, является кинематический метод, основная идея которого состоит в измерении времени пролета частицей одного или нескольких пучков [25,26]. Фотоприемник, регистрирующий рассеянное излучение, вырабатывает импульс фототока при прохождении частицей светового пучка. При заданных размерах пучков, скорость потока- определяется из измерений длительности импульса или времени между импульсами.
Существенными недостатками всех указанных методов является низкая точность и непригодность для локальных измерений. Это не позволяет использовать их, например, для исследования мелкомасштабной турбулентности, градиентных течений и т.д. Среди оптических устройств, не использующих для измерения скоростей эффект Доплера, следует отметить измерительную систему, основную на применении оптических решеток с прямоугольным профилем пропускания [27]. В ней решетка с переменным пропусканием, в плоскости которой формируегся изображение движущейся частицы, позволяет модулировать световой поток, попадающий на фотоприемник с частотой, прямо пропорциональной измеряемой скорости. Вращение двух решеток, ориентированных взаимно перпендикулярно, позволяет одновременно измерять величину и направление двух компонентов вектора скорости.
17
Основы теории доплеровского сдвига частоты
Для использования интерференционных оптических схем в задачах измерения перемещений и скоростей различных объектов необходимы источники с узкой спектральной линией излучения и малой расходимостью. Такими свойствами обладают непрерывные газовые лазеры, среди которых гелий-неоновый и аргоновый в указанных применениях получили наибольшее распространение. Поскольку в дальнейшем речь пойдет о конкретных интерферометрических системах и о соотношениях, связывающих параметры когерентных световых волн с характеристиками движения объектов, попытаемся обосновать единый подход к задачам измерения перемещений и скоростей. Целесообразность такого общего подхода к проблемам измерения характеристик механических движений различных объектов очевидна, не смотря на то, что схемы конкретных измерительных систем могут существенно отличаться.
В основе интерферометрических лазерных систем измерения перемещений и скоростей лежит эффект Доплера, физическая суть которого состоит в том, что при относительном движении источника и приемника между частотами волн, испускаемой источником и регистрируемой приемником, возникает разность, которая зависит от величины и направления скорости относительного движения. Покажем, что это явление универсальным образом проявляет себя в задачах измерения, как скоростей, так и перемещений. Для этого рассмотрим следующий пример. Пусть монохроматический источник света испускает волну Е,в'(к,г"*,') с амплитудой Е,, круговой частотой coh и волновым вектором к, (см.рис. 1.1 а). Частица, движущаяся со скоростью V, рассеивает или отражает в направлении ks волн}' Es(ry(ksr-ftV) с амплитудой Es(r) и частотой cos. Определим в заданной Геометрии раССеЯНИЯ СООТНОШеНИе Между (Os И (Oi.
Частотное рассмотрение. Согласно эффекту Доплера найдем сначала частоту излучения, воспринимаемую частицей, при условии, что ее скорость много меньше скорости света (V/c«l) [28,29]:
где 0, - угол между направлением распространения падающей волны и направлением скорости частицы. Поскольку частица переизлучает волну в другом направлении, то частота ее после вторичного применения формулы (1.1), описывающей доплеровский сдвиг, будет:
^ “ у/ а 1-уссо808
Подставляя (1.1) в (1.2), получим:
V
I — — СОБ01 [ V V
V
1----со &08
с
V
1 со
С08 = С01- * О), 1-СОв#, + —СО80,
с
'5
= У(к5-М (1.3)
Таким образом, с точностью до квадратичных по скорости слагаемых сдвиг частоты А(Од=щ-со» обусловленный эффектом Доплера, однозначно определяется скалярным произведением разности волновых векторов я = к5 - к, падающей и рассеянной воли и вектора скорости V:
Аа)а = 0)8-(01 =яУ (1.4)
Квантовое рассмотрение. Достаточно просто получить доплеровский сдвиг частоты, описываемый выражением (1.4), если рассмотреть процесс рассеяния (см.рис.1.16), как упругое соударение фотонов с частицей, в элементарном акте которого выполняются законы сохранения энергии и импульса:
Йк, + т\ = Йк5 + тУ
тУ2 . тУ'2 (1-5)
по). +------ Тго)о +-----
%
19
Лаи, Лк»
► — —
Рис. 1.1 Эффект Доплера в рассеянном (отраженном) свете: а, б, в - соответственно частотное, квантовое и фазовое рассмотрение.
20
где И - постоянная Планка, /я-масса частицы, а V и V' - ее скорости, соответственно, до- и после взаимодействия с фотоном.
Решая систему (1.5), получим:
А®, =», =(к, -к,)У-^-(к8 _к,)2 = чУ-^-?2 (1.6)
2/Я 2/Я
Первое слагаемое в этом выражении есть известный доплеровский сдвиг частоты в согласии с (1.4), тогда как второй обусловлен квантовой природой света и описывает известный эффект отдачи. Для лазерной доплеровской анемометрии и спектроскопии рэлеевского рассеяния такое рассмотрение не является традиционным, хотя в атомной физике и физике элементарных частиц оно хорошо известно [30,31]. Впервые такой подход использовал Комптон при изучении рассеяния жестких рентгеновских квантов на электронах. Им рассматривался случай, когда до столкновения с фотоном частица покоится и второе слагаемое в (1.6) является доминирующим. Нас интересует случай, противоположный комптоновскому, когда основной сдвиг частоты в рассеянном излучении определяется эффектом Доплера, а вторым членом в выражении (1.6) можно пренебречь. Действительно, оценки показывают, что для классических частиц с плотностью р=1г/см3, рассеивающих излучение с длиной волны А.=0,6 мкм назад, сдвиг частоты, обусловленный эффектом отдачи, порядка 1 Гц, если ее диаметр ~
120 А.
Фазовое рассмотрение. Обратимся к рис. 1.1 в и рассмотрим, какую разность фаз приобретает рассеянное поле, если частица, первоначально находясь в точке А, за малый промежуток времени переместится вдоль направления
скорости V на величину Дг = УД/.
Разность фаз А(р$ в волновой зоне равна произведению волнового числа 2п1Х на разность путей (АБ-ВС), т.е.
А<р - к5Дг-к,Дг = цДг, (1.7)
где я = к5 - к,. Результат будет тем же, если в точке А находится не частица, а зеркало, отражающее излучение в направлении к5. Частотный сдвиг находим как производную изменения фазы по времени:
ДбУ = Ііт = Ііт я — = цУ (1.8)
Д/-*0 Д/ Д/-*0 Д|
Таким образом, фазовое рассмотрение аналогично приводит к известному выражению для частотного доплеровского сдвига. В пределах сделанных допущений все три описания приводят к одному и тому же результату. Доплеровский сдвиг отсутствует при рассеянии вперед (ц = 0) и максимален для отражений и рассеяний назад, когда |ч| = 2к, и V || к4, т.е. определяется выражением:
“'“-іМг-т <‘-9>
Для скорости V-1 м/с и длины волны А.=0.63 мкм он составляет величину
О Л
Д»У“ =2-10 /0.63-10' »3 Мгц, тогда как сама оптическая частота является большой (у=с/Я*510|4Гц).
Для того, чтобы измерить величину перемещения или скорость какого-нибудь объекта, используя рассеяние или отражение монохроматического света, необходимо, как это было показано, регистрировать изменение фазы или частоты оптического излучения. Однако прямые измерения частоты или фазы электромагнитного излучения в оптическом диапазоне в настоящее время не представляются возможным.
Интересуемый сдвиг фазы или частоты можно регистрировать, если, например, на фото детекторе рассеянный свет смешать с исходным. При
оптическом смешении сигнал с детектора становится чувствительным к изменению фазы и, будет содержать биения на частоте доплеровского сдвига, пропорциональной скорости объекта.
1.2. Ограничения традиционных лазерных доплеровских схем измерения скорости при локальном зондировании мутных и сильнорассенвающих потоков
Первая схема лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) была основана на гетеродинном принципе выделения сигнала [2]. Принцип ее действия показан на рис. 1.2. Она построена по типу схемы интерферометра Маха-Цандера. В
22
ней излучение лазера 1 расщепляется с помощью зеркала 2 на два пучка примерно одинаковой интенсивности. Один пучок зеркалом 3 направляется в исследуемый поток с добавлением полистироловых шариков. Свет, рассеянный в потоке 4, собирается линзой 5 на фотоприемник 9, где смешивается с помощью зеркал 7 и 8 с опорным пучком. Частота сигнала регистрируется с помощью спектроанализатора. Дополнительный частотный сдвиг Ом за счет введения ультразвукового модулятора 6 позволяет в измерениях определять направление скорости и повысить отношение сигнал/шум.
В дальнейшем было предложено множество различных схем ЛДИС, отличающихся по признакам оптического устройства, фотоэлектрической регистрации и электронной обработки, которые подробно рассматривались в обзорах, например в [32,33], а затем в [9,34]. Названные монографии посвящены теоретическому и экспериментальному изучению различных аспектов лазерной доплеровской анемометрии. В них изложены вопросы, касающиеся таких основных характеристик ЛДИС, как точность, чувствительность, пространственное разрешение, диапазон измеряемых скоростей и проблем, связанных с фоторегистрацией, выбором геометрии рассеяния (вперед, назад, и др.), режимом рассеяния (одночастичным или многочастичным), покомпонентным измерением вектора скорости, электронной обработкой доплеровских сигналов и т.д. У нас в стране основные исследования по лазерной доплеровской анемометрии представлены главным образом новосибирской и московской группами исследователей, начало которых положено работами [35,36].
Из всего многообразия оптических схем ЛДИС имеются две, наиболее часто используемые на практике, которые составляют основу для всех остальных. Это гетеродинная и дифференциальная схемы. Гетеродинная представлена на рис. 1.3 [34]. В наиболее простом случае лазерный пучок в ней расщепляется с помощью стеклянной пластинки, а получающиеся при этом два пучка фокусируются в поток с помощью линз, причем оба пучка образуют одинаковые углы с нормалью к потоку. Нижний зондирующий пучок обычно имеет гораздо большую интенсивность, чем верхний -опорный, используемый для гетеродинирования, т.е. для смешения исходного и рассеянного света. Фотодетектор устанавливается так,
1
♦
*
Не-Ме лазер
7
Рис. 1.2 Схема первого доплеровского измерителя скорости
Трубка с потоком воздуха
Модулятор
Ом
К спектро-
что на него падает опорный пучок, прошедший через область потока. Две диафрагмы устанавливают для того, «чтобы ограничить область исследуемого потока (измерительный объем), из которого собирают рассеянный свет. Для сбора рассеянного света на фотодетекторе обычно используют линзу. Чтобы сигнал биений по отношению к шуму был максимальным, интенсивность опорного пучка должна быть того же порядка, что и интенсивность рассеянного света,
попадающего на детектор. На практике это означает, что интенсивность
зондирующего пучка должна быть на один - два порядка выше интенсивности
опорного пучка. Оптимальное отношение сигнал/шум обычно получают, ослабляя опорный пучок.
Поскольку ток, вырабатываемый фотоприемником, квадратичен по полю:
</)«аГ(*)£М, (1.10)
а поле состоит из двух компонентов:
£(/) = Е,еш' + Е5е^, (1.11)
то сигнал с фотоприемника будет следующий [19]:
і(0 = <т|я,|2 +|Я,|2 +2Ке(£Хехр(*>5 -*>,))], (1.12)
24
т.е. складывается из постоянной составляющей и сигнала биений на доплеровской частоте:
Ат&ътв'П .-ч
й)й=а)5-й)(= , (1.13)
где п -показатель преломления среды.
Пример реализации дифференциальной схемы показан на рис. 1.4 [34]. Эта схема независимо предложена в [36] и [37]. В ней зондирование среды осуществляется двумя лазерными пучками одинаковой мощности. Для этого параллельные пучки, предварительно сформированные с помощью расщепления, фокусируются в исследуемый поток. Рассеянное излучение из области пересечения исходных лазерных пучков собирается приемной линзой и посылается на фотоприемник. Доплеровские частотные сдвиги в пространственно совмещенных волнах, рассеянного от первого и второго зондирующих пучков определяются следующими выражениями:
о)и = (к* - к. )У
' " (1.14)
•*“(к*-1Ч)у
Волны с доплеровскими сдвигами Ом и <о& оптически смешиваются на фотоприемнике с выхода которого, электрический сигнал имеет составляющую разностной частоты:
а>4 =0)^-0^= (к,,-к^У (1.15)
Из (1.15) следует отличительное свойство дифференциальных схем ЛДИС: результат измерений доплеровского сдвига частоты определяется геометрией зондирующих пучков и не зависит от угловой и приемной апертуры рассеянного излучения. Оптические устройства, организованные по принципу
дифференциальной схемы, могут работать с большими приемными апертурами.
Визуализация области, в которой выполняются измерения, осуществляется
пересечением зондирующих пучков, что является достоинством дифференциальной схемы. Преимуществом ее, по сравнению с гетеродинной, является то, что она достаточно проста в настройке и не чувствительна к малым вибрациям. Выбор той или иной схемы определяется конкретным объектом исследования и, как показано в [38], находится в зависимости от концентрации
25
Рис. 1.3 Схема ЛДИС с гетеродинированием излучения, рассеянного вперед
с
Диафрагма
Детектор
Рис. 1.4 Схема ЛДИС дифференциальная
*
26
рассеивающих частиц, фокальной измерительной области, размера частиц, простоты оптической схемы и возможности ее юстировки.
Измерение скорости объекта, рассеивающего свет, например, газодинамического потока, является задачей гораздо более сложной, чем для поступательного движения зеркала. Специфика потока такова, что рассеянный сигнал, в отличие от зеркального отражения, представляет собой во времени случайную последовательность световых цугов малой интенсивности. Хаотичность сигнала обусловлена случайным распределением рассеивающих свет частиц или других объектов по размеру и пространственному расположению в потоке. Лазерная доплеровская анемометрия, как метод, развивалась, прежде всего, на задачах аэро- и гидродинамики [26]. Перспективность развития лазерного доплеровского метода определялась следующими его достоинствами:
- отсутствие возмущений;
- линейная связь измеряемой скорости с доплеровской разностью частот;
- широкий динамический диапазон измеряемых скоростей (более десяти порядков);
- высокое пространственное разрешение локальных измерений;
- высокое быстродействие и возможность автоматизации измерений;
- возможность дистанционных измерений;
- безразличие к высоким перепадам температуры и агрессивности исследуемой среды.
С появлением коммерческих ЛДИС [39, 40], подчеркивающих высокий мировой уровень существующих научно-технических достижений, потребность в новых разработках не уменьшилась, поскольку круг возможных применений такой техники неуклонно расширялся.
Очень близкими к задачам гидродинамики, использующими для решения ЛДИС, являются вопросы изучения динамики движения крови в сердечнососудистой системе человека с целью медицинской диагностики. Интерес к гемодинамическим исследованиям постоянно сохранялся, а поиск простых и надежных средств диагностики крови, учитывая ее сложный состав, оставался актуальным. Для измерения кровотока лазерный доплеровский метод впервые
применили при исследовании движения крови в артериях сетчатки глаза [41]. Стерн показал [42], что лазерное излучение, отраженное от кожи, характеризуется уширенным спектром, а доплеровское уширение коррелированно с кровотоком. В [43] Стерн и др. применили разработанный ими метод для измерения кровотока в корковом веществе почки крысы, обнаженной хирургическим путем. Позднее близкий по физическому смыслу подход описан в методе измерения микроциркуляции крови в кожных покровах, использующий динамическую спекл-структуру [44]. Суть метода заключается в том, что при облучении объекта когерентным излучением в рассеянии наблюдается спекловая (случайная) структура [45], которая изменяется во времени при движении объекта. Ограничивая приемную апертуру фотоприемника величиной, не превышающей средний размер одного спекла, появляется возможность измерять скорость, регистрируя параметр, пропорциональный среднеквадратичной частоте пульсаций
фототока: и = (|/2 (/)<#) . Характерной чертой таких устройств является простота
[46], поскольку интерференция полей в них обеспечивается самим рассеивающим объектом.
Следует отметить проявляемый интерес не только к изучению потоков крови, но и к ее физико-химическим свойствам. В [47] исследовался профиль скорости потока крови в тонких стеклянных капиллярах диаметром б<400 мкм. В ней было изучено влияние объемной концентрации эритроцитов на гидродинамические свойства растворов крови. Измерения проводились с помощью обычного Не-Ые доплеровского спектрометра дифференциального типа.
В дальнейшем для регистрации микроциркуляции крови в кожных покровах использовали одноволоконные световоды, что делало устройство компактным, портативным и пригодным для клинического применения [48, 49]. Сами световоды выполняли функцию приемо-передающей оптики и непосредственного контакта с исследуемым потоком не имели. В этот период времени, несмотря на существование заметных достижений в волоконно-оптической технике, в клинической практике, тем не менее, преимуществом пользовались бесконтактные средства медицинского контроля за состоянием человеческого организма,
28
поскольку они не требуют стерилизации, а присутствие зонда на кожном покрове не производит возмущающего действия на кровоток.
Первые прямые демонстрационные измерения кровотока в венозном русле кролика были проведены Танакой и Бенедеком [11]. Для этих целей, впервые был применен одноволоконный световод, который непосредственно вводился в кровеносный сосуд вдоль потока. Используя волоконно-оптический зонд из двух и трех тонких (6=150 мкм) одиночных световодов в работе автора с коллегами [50] приведена разработанная методика локальных измерений скорости в мутных мелкодисперсных потоках. Опыты с непосредственным введением зонда в зону измерений проводились на цельной крови и молоке.
В дальнейшем эти методики были внедрены в практику теплофизических экспериментов, в которых для исследования процессов кипения, структурных характеристик двухфазных потоков [51] и низкотемпературных сред [52] потребовалось использование специально разработанных волоконно-оптических ЛДИС.
Что касается ЛДИС с волоконными световодами, то в последние годы в публикациях все более отчетливо наблюдалось стремление к миниатюризации измерительных комплексов, где оптические волокна выполняют роль не только формирующей и приемной оптики, но также микролинз [53], модуляторов и оптических разветвителей световой энергии [54], а в качестве источника излучения использовался малогабаритный полупроводниковый лазер [55].
1.3. Возможности измерения характеристик движения объекта в условиях слабого обратного отражения или рассеяния лазерного излучения.
Изучение движения микрочастиц в коллоидных растворах и биологических жидкостях с низкой концентрацией рассеивателей потребовало разработки техники, способной регистрировать слабые световые потоки. Только при наличии большого числа рассеивающих частиц в исследуемой среде, в системе обеспечивается непрерывный световой и электрический сигнал. Однако при рассеянии световых потоков на уровне единичных квантов, широкое применение нашли корреляторы фотонов, обрабатывающие временные последовательности
электрических импульсов [19,56,57]. Исследования тех лет показали перспективность методов фотон-корреляционной спектроскопии в таких областях, как иммунология, судебная медицина, вирусология, физиология и фармакология [58]. Однако следует, подчеркнуть, что для достижения в спектроскопии рассеяния высокого разрешения, позволяющего в деталях исследовать форму линии рассеяния броуновскими частицами, требуются наряду с высокочувствительной фагорегистрирующей техникой малошумящие лазерные источники со стабильными параметрами. Использование же в таких экспериментах серийно выпускаемых лазеров, как показывает опыт, не обеспечивает нужного результата.
В связи с поиском лазерных диагностирующих методик, высокочувствительных к слабым динамическим рассеяниям, самостоятельный интерес представляет метод внутрирезонаторного приема. Метод активного воздействия подвижного объекта на лазер, путем обратного рассеяния или отражения, начал свою историю с краткого сообщения [59]. Работа такой схемы имеет наглядное описание в модели лазера с трехзеркальным резонатором, в которой в качестве объекта выступает внешнее зеркало с малым коэффициентом отражения. В активной схеме дополнительная добротность лазерной системы зависит не только от отражательной способности объекта, но и от его положения относительно выходного зеркала лазера, т.е. от фазы отраженной волны. Поэтому движение объекта вдоль лазерного луча приводит к модуляции интенсивности лазерного излучения. Частота модуляции, согласно эффекту Доплера, определяется сдвигом Асо=2кУц (У| -составляющая скорости на направление генерируемого луча) и может быть измерена стандартной аппаратурой. Эта же идея была вскоре применена для изучения колебаний [60]. Вопрос о предельной чувствительности такой схемы к слабым обратным рассеяниям был поставлен и исследован в [12]. В ней показано влияние малого обратного отражения на амплитуду и частоту лазерного излучения, и предложено использовать его для измерения слабых рассеяний с коэффициентом отражения объектов по амплитуде вплоть до 10*6.
Со временем круг лазеров, используемых в активных схемах, был расширен. Например, в [61] изучалась система на основе УАв-Ш лазера с целью внутрирезонаторного гетеродинирования слабого внешнего сигнала, а в [62]