Введение к работе
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью совершенствования известных и разработкой принципиально новых методов поляриметрии для решения практических задач, возникающих при разработке компонентной базы элементов онтотехники и методов контроля их характеристик.
Контроль характеристик неоднородных сред и элементов оптотехники может быть осуществлен средствами поляриметрии, осуществляющей измерение векторных параметров световой волны.
Поляриметрия как эффективный метод исследования физических процессов и свойств вещества занимает одно из ведущих мест при решении фундаментальных и прикладных задач современной науки и техники. Это объясняется тем, что оптические методы, обладая высокой чувствительностью и точностью, позволяют проводить требуемые измерения в широком спектральном диапазоне в режиме неразрушающего контроля. Для решения практических задач, связанных с исследованием кинетики быстро изменяющихся процессов, особенно в условиях вакуума и агрессивных сред, эти методы измерения являются единственно возможными.
Широкое применение современная поляриметрия получила в исследованиях границы раздела сред и поверхностных явлений, которые играют важную роль в оптике тонкослойных покрытий и лазерной технике.
Известная техника классической поляриметрии, основанная на измерении методом прямого фотодетектирования интенсивности светового пучка, прошедшего определенным образом ориентированные поляризационные элементы, позволяет осуществить прецизионный лабораторный контроль тонких пленок и показателя преломления вещества подложки методом эллипсометрии, диагностирующего полностью поляризованную составляющую светового потока. Прогресс в указанных
4 областях ставит задачу дальнейшего совершенствования и развития методов анализа поляризации света
Одним из важнейших требований современной технологии оптического производства является необходимость переноса процесса измерений из лабораторных условий в системы гибких автоматизированных производств, где поляриметры, выполняя функцию одной из составляющих управляющего звена технологической цепи, должны обеспечить повышение производительности контроля и качества выпускаемой продукции.
Состояние поверхности оптических элементов, ее структура и состав определяют многие функциональные возможности узлов оптотехники. В рамках теории термодинамики поверхностных явлений, в основе которой лежат фундаментальные уравнения Д. В. Гиббса и обобщенное дифференциальное уравнение Ван-дер-Ваальса, граница раздела сред в оптическом материаловедении трактуется как модификация поверхности стекла, все свойства которой градиентные от геометрической границы раздела сред к объему материала.
Существующие на сегодняшний день способы диагностики физико-технических характеристик элементов оптотехники имеют недостатки, которые можно устранить, выполнив теоретические и экспериментальные исследования, связанные с совершенствованием известных и разработкой новых методов, обеспечивающих решение возникающих задач.
Наряду с классической техникой измерения поляризации света может оказаться перспективной разработка метода измерения поляризации световой волны, не требующего механических перемещений поляризационных элементов в ходе измерительного процесса. Разработанные на основе этого метода измерительные устройства могут отличаться высоким быстродействием и наглядностью отображения информации.
Одной из актуальных задач поляриметрии является исследование влияния наведенной оптической анизотропии, как следствие влияния эффекта фотоупругости на оптические характеристики элементов оптотехники. В
5 лапароскопических системах, например, при термобарической обработке медицинской техники, возникает проблема стабильности физико-технических характеристик в конструкции оптических клеевых соединений. Наряду с этим исследования эффекта фотоупругости в роговице глаза человека могут быть использованы для решения фундаментальных задач бесконтактной диагностики офтальмологических заболеваний. Результаты исследований оптической анизотропии роговицы глаза могут способствовать созданию диагностической аппаратуры нового поколения.
Цель настоящей работы заключается в усовершенствовании
поляризационно-оптических методов исследования физико-технических
характеристик оптически неоднородных сред и разработке когерентно-
оптического метода измерения параметров поляризации
квазимонохроматического излучения.
Основные задачи: - разработка поляризационных методов технологического контроля
напряженно-деформированного состояния элементов оптотехники в их
оптических клеевых соединениях;
- разработка физико-математической модели и исследование оптического
клеевого соединения. Экспериментальное исследование влияния термической обработки клеевых соединений на их оптические характеристики;
- разработка физико-математической модели и исследование напряженно-
деформированного состояния фиброзной оболочки глаза человека; исследование закономерности неоднородного распределения двулучепреломления в роговице глаза человека с учетом влияния внутриглазного давления, прямых глазодвигательных мышц и особенностей геометрического строения фиброзной оболочки; - теоретическая разработка основных принципов и экспериментальная проверка возможности реализации когерентно-оптического метода измерения поляризации света;
б - разработка методов контроля поляризационной селективности элементов оптотехники. Научная новизна работы определяется тем, что впервые:
-
На основе обобщенного уравнения эллипсометрии для анизотропных оптических систем разработан поляризационный метод анализа напряженно-деформированного состояния элементов в их оптических клеевых соединениях.
-
Определены уравнения просветной эллипсометрии для одноосных систем, позволяющих определять оптические характеристики анизотропных сред при наличии в них интегрального эффекта фотоупругости;
-
Методом просветной эллипсометрии выполнены экспериментальные исследования влияния термобарического воздействия на физико-технические характеристики клеевого оптического соединения;
4. Разработанная физико-математическая модель напряженно-
деформированного состояния роговицы глаза человека позволяет
выполнить фундаментальные исследования биофизических и
физиологических процессов, определяющих причины патологии
зрения;
5. Выполнен анализ когерентных свойств электромагнитного поля для
построения форм разложения матрицы когерентности, позволяющих
определить векторные характеристики произвольно поляризованной
световой волны методом оптического гетеродинирования;
6. Суперпозиция плоских квазимонохроматических произвольно
поляризованных световых волн может быть представлена в виде
когерентных суперпозиций одноименных компонент ортогонального
разложения исходных пучков, что позволяет с привлечением тензоров
корреляции установить математические и физические основы
совместного рассмотрения явлений когерентности и поляризации.
Объекты и методы исследования
При разработке методов офтальмологической диагностики использована техника полярископии, отображающая картину интерференции поляризованного пучка света, отраженного роговицей.
В работе использованы поляризационные методы исследования и
технологического контроля поляризационно-оптических характеристик
поверхностных слоев оптических элементов и их соединений.
Поляризационные методы исследования физико-технических характеристик элементов оптотехники дополнены данными численного эксперимента, выполненного по разработанным методикам и программам. При разработке метода интерференционной поляриметрии использованы элемента теории статистической оптики.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Математическая модель напряженно-деформированного состояния
фиброзной оболочки глаза человека, построенная на основе линейной теории тонких оболочек и морфологических особенностей глазного яблока, позволяет выявить закономерности изменения пространственного распределения показателя преломления роговицы глаза в зависимости от воздействия механических напряжений.
2. Анализ пространственного распределения интенсивности света в
интерференционной картине поляризованного излучения, отраженного
роговицей глаза, выполненный на основе разработанной
математической модели, позволяет определить раздельное влияние
биологических факторов на характер оптической анизотропии
роговицы. Выявленная зависимость является основанием для
интенсификации развития бесконтактной диагностики
офтальмологических заболеваний.
3. В рамках статистической оптики с привлечением тензора
когерентности электромагнитного поля второго порядка,
позволяющего привести к единой трактовке эффекты когерентности и
s поляризации, выполнены расчеты результата суперпозиции плоских квазимонохроматических произвольно поляризованных волн, которые демонстрируют возможность измерения параметров поляризации квазимонохроматической световой волны средствами двухлучевой интерферометрии.
4. При условии наблюдения оптических световых биений на выходе
двухлучевого интерферометра может быть осуществлена регистрация
двух сигналов, каждый из которых является суперпозицией
одноименных компонент ортогонального разложения исходного пучка
света. Когерентное детектирование этих сигналов позволяет
осуществить перенос информации о состоянии поляризации
исследуемого пучка света из высокочастотного светового диапазона в
диапазон радиочастотных электромагнитных колебаний.
5. Анализ когерентной суперпозиции квазимонохроматических световых
пучков в двухлучевых интерферометрах Позволяет математически
обосновать требования к элементам оптической схемы
интерференционного поляриметра. Выполнение этих требований
обеспечивает возможность регистрации двух интерференционных
картин, каждая из которых является результатом суперпозиции
одноименных компонент ортогонального разложения электрического
вектора световой волны. Измерение относительного распределения
интенсивности в этих интерференционных картинах позволяет
определить поляризационную анизотропию оптических элементов
интерференционного поляриметра.
6. Показано, что при наличии интегрального эффекта фотоупругости
характеристики напряженного состояния в соединяющем слое
оптического соединения, выполненном на основе
фотополимеризующихся клеев, могут быть определены средствами
поляриметрии.
9 7. Представление соединительного слоя в виде одноосной оптической системы позволяет методом просветнои эллипсометрин определить оптические и механические характеристики оптического клеевого соединения до и после термобарического воздействия. Практическая значимость работы состоит в том, что
разработана новая научная идея совершенствования поляризационно-оптических методов исследования физико-технических характеристик оптически неоднородных сред и элементов оптотехники, обогащающая научную концепцию поляриметрин как одного из важнейших направлений технической оптики;
разработанные новые экспериментальные методики позволили выявить качественно новые закономерности влияния приемов технологической подготовки оптических элементов клеевых соединений. Результаты исследований позволили классифицировать лапароскопическую аппаратуру по термобаростойкости при ее многократном обеззараживании. Разработанные при этом методики исследования напряженно-деформированного состояния оптической среды могут быть использованы в медико-биологических исследованиях;
предложены оригинальные суждения о традиционных методах
поляриметрин, расширяющие границы их эффективного использования,
и нетрадиционный подход в исследовании поляризации лазерного
излучения, обеспечивающий значительное повышение
производительности техники поляризационных измерений;
доказана перспективность использования разработанных
поляризациошю-оптических методик контроля характеристик
оптических систем, используемых при решении широкого круга
научных и технологических задач, на ряде оптических производств
элементов оптотехники. Выявленные закономерности при
исследовании напряженно-деформированного состояния оптических
10 сред позволяют при ншшчии интегрального эффекта фотоукругости определить пространственною анизотропию элементов оптотехники; - методика измерения пространственной анизотропии роговицы глаза человека позволяет расширить границы применимости полученных результатов исследования неоднородности оптической среды, вызванной интегральным эффектом фотоупругости. Эта методика может быть положена в основу нового направления приборостроения офтальмологической диагностики заболеваний;
- физико-математическое моделирование напряженного состояния
клеевого соединительного слоя и поляризационно-оптические
исследования отечестзенных и зарубежных клеев, выполненные на
макетах оптических клеевых соединений, позволили использовать
результаты исследований этой методики в системах трансляции
изображения медицинского назначения;
разработанная физико-математическая модель напряженно-деформированного состояния фиброзной оболочки глаза человека может быть положена в основу нового направления в исследовании биофизических процессов жизнедеятельности глаза, которая позволяет методом математического моделирования получить необходимую информацию, недоступную для исследования в прямом эксперименте;
- метод интерференционной поляриметрин позволяет в реальном
масштабе времени визуализировать амплитудно-фазовые
характеристики компонент ортогонального разложения электрического
вектора световой волны, что в сочетании высокого быстродействия с
простотой реализации схемы измерений при отсутствии дорогостоящих
элементов позволяет широко использовать его в лазерных
измерительных системах и автоматизированных технологических
системах оптического производства.
11 Диссертация является составной частью научно-исследовательской работы, выполненной по темам Проблемной лаборатории радиооптики кафедры Квантовой электрооптики ЛИТМО, работа выполнялась в рамках проблемы «Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего коїггроля качества» координационного плана MB ССО СССР и программы ГК НТ СМ СССР по стандартам «Комплексная отраслевая программа метрологического обеспечения методов и средств неразрушающего контроля».
Результаты диссертационной работы использованы для технологического контроля кинетики физико-технических процессов формирования неоднородных структур поверхностных слоев элементов оптотехники на предприятиях ООО «Кварцевое стекло» и ОАО «НИИ «Феррит-Домен». Разработанные методики и двухволновой эллипсометр-поляриметр позволили ускорить процесс контроля качества изготовления элементов лазерных гироскопов в НИИ «Приборостроение» (г. Москва). Результаты работы, затрагивающие теоретические и методические основы эллипсометрии неоднородных, анизотропных отражающих систем, использованы также в учебном процессе в СПб НИУ ИТМО.
Теоретическая и экспериментальная работа отмечена золотой медалью ВДНХ СССР и медалью Высшей школы СССР «За научную работу». Личный вклад автора.
Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Исследования, выполнявшиеся при участии соавторов, являлись частью исследовательских и хоздоговорных работ кафедры Твердотельной оптоэлектроники Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на XXX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава
СПбГИТМО(ТУ) (Санкт-Петербург, 1999); на международной конференции
молодых ученых и специалистов «Оптика-99» (Санкт-Петербург, 1999); на
юбилейной НТ конференции профессорско-преподавательского состава
СП6ТИТМО (ТУ) (Санкт-Петербург, 2000); на VIII международной НТ
конференции «Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля
качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды»
(Ульяновск, 2000); на Eleventh international conference «Mechanics of composite
materials» (Riga, 2000); на международной научной конференции «Архитектура
оболочек и прочностной расчет тонкостенных строительных и
машиностроительных конструкций сложной формы» (Москва, 2001); на XXX
Юбилейной Неделе науки СПбГТУ (Санкт-Петербург, 2001); на XXXI Научно-
технической конференции профессорско-преподавательского состава
СПбГИТМО (ТУ) (Санкт-Петербург, 2002); обсуждались на научных семинарах
кафедры Твердотельной оптоэлектроники СПбИТМО (ТУ). XXXVI, XXXVII,
XXXVIII конференциях ППС СПб ГУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2007 - 2009
г.) на V и VI межвузовских конференциях молодых ученых (г. Санкт-
Петербург, 2008, 2009 г.); на Международной конференции «Прикладная оптика-
98; Международной конференции. Казань: Новое знание, 2000:
Международной конференции «Расчет и проектирование оболочек». Рига: 2001.
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 50 научных трудах, в том числе в 22 научных статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).
Структура и объем работы.
