Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокая чувствительность состояния поляризации рассеянной световой волны к структурным особенностям объекта обуславли вает широкое применение оптических поляризационных методов для изучения структуры и свойств поверхностей, тонких пленок, различных биологических объектов.
Появление лазерных источников света благодаря специфическим свойствам лазерного излучения (высокая временная и пространственная когерентность, монохроматичность, направленность лазерного пучка) дало новый мощный импульс развитию поляризационных оптических методов и позволило создать целый ряд приборов для лазерной поляризационной диагностики.
Метод лазерной поляризационной нефелометрии основан на измерении матрицы Мюллера (или матрицы рассеяния света (МРС)), связывающей векторы-параметры Стокса падающего и рассеянного света, в отличие от других поляризационных методов, позволяет проводить анализ как диффузно рассеивающих, так и анизотропных объектов, поскольку матрица Мюллера содержит наиболее детальную информацию о преобразовании средой поляризационных характеристик света. В природе существует целый ряд объектов, проявляющих как анизотропные, так и диффузно рассеивающие свойства. К ним относятся роговица и склера глаза, анизотропные шероховатые поверхности, некоторые полимерные материалы. Задача исследования таких объектов становится особенно актуальной с появлением нового класса полупроводниковых структур, так называемых сверхрешеток и гетероструктур с напряженными слоями. С точки зрения оптики оти объекты являются анизотропными многослойными системами, которые при палячий дефектов и дислокаций имеют неоднородности с размером порядка длины волны как внутри слоя, так и па границе между слоями.
К началу работы над диссертацией не были теоретически и экспериментально исследованы МРС анизотропных неоднородных слоистых объектов. Не проводились оценки чувствительности метода лазерной поляризационной нефелометрии к анизотропии. Возникла насущная необходимость разработки методики анализа деполяризующих и анизотропных свойств исследуемых объектов на основе экспериментальных МРС.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование особенностей МРС слоистых анизотропных и неоднородных структур, разработка на этой основе методов определения оптических и структур-
ных параметров слоистой среды. В задачи исследования входит:
теоретическое исследование распространения излучения в слоистых анизотропных объектах и разработка методов решения обратных задач определения параметров объекта по поляризационным характеристикам отраженного излучения;
теоретическое исследование распространения излучения в слоистых структурах, содержащих объемные неоднородности в виде бесконечно длинных цилиндров, построение оптической модели роговицы;
исследование соотношений между элементами МРС с целью разработки методики оценки корректности экспериментальных матриц, анализа деполяризующих свойств объекта и выбора адекватной оптической модели;
оптимизация алгоритма измерения МРС, исследование функциональных зависимостей погрешностей измерения от параметров лазерного поляризационного нефелометра;
экспериментальное изучение анизотропных свойств роговой оболочки глаза, светорассеяния прозрачного и катарактного хрусталиков и особенностей МРС слабо шероховатых поверхностей металлов и диэлектриков.
Научная новизна
-
В работе проведено теоретическое исследование распространения излучения в слоистых объектах, обладающих пространственной анизотропией, объемной неоднородностью . Рассчитаны МРС этих объектов и проанализирована чувствительность элементов МРС к изменению параметров объектов.
-
Предложена методика оценки величины и направления анизотропии слоистых систем по результатам измерения МРС.
-
Дана классификация МРС различных типов объектов. Предложен наглядный способ проверки соответствия оптической модели исследуемому объекту.
-
Предложена методика анализа корректности измерения МРС и оценки степени деполяризации исследуемых объектов.
-
На основе предложенной модели роговицы теоретически исследованы анизотропные свойства роговицы. Получены оценки предельных значений линейного и кругового дихроизма.
-
Методика измерений МРС усовершенствована с целью повышения точности
измерений. Методом численного моделирования получены оценки влияния на измеряемую МРС случайных и систематических погрешностей экспериментальной установки.
7. Экспериментально исследованы особенности МРС гладких металлических и
диэлектрических поверхностей. Поучено влияние деградации цоверхности на
МРС металлических поверхностей.
Практическая {значимость. Результаты теоретического анализа и предложенные автором методики могут быть использованы при разработке методик решения обратных задач в оптике многослойных анизотропных структур, содержащих объемные неоднородности, при создании устройств для неинвазивной диагностики параметров биосистем в офтальмологии, гематологии и других областях биологии и медицины, для неразрушающего контроля полупроводниковых структур и шероховатых поверхностей. Результаты работы использованы при выполнении НИР "Ярило", "Ямб","Ямб-2", целевых комплексных программ Гособрало-вания СССР "Лааеры-2" и "Лазерные системы".
Достоверность представленных в работе результатов подтверждается соответствием результатов экспериментальных исследований результатам расчетов, анализом систематических погреишостеи для исполкзуемых схем измерения, а также тем, что основные результаты обсуждались на Всесоюзных и Международных конференциях, публиковались в центральной печати и получили одобрение компетентных и квалифицированных специалистов.
На «защиту выносятся следующие положения и результаты:
Для каждого класса рассеивающих объектов (систем сферических частиц, анизотропных рассеивателей, шероховатых поверхностей, поляризационных
устройств) взаимосвязь квадрата нормы матрицы Мюллера и степени поляризации рассеянного излучения при заданном угле рассеяния носит однозначный характер и может быть использована для анализа их деполяризующих свойств.
Круговой дихроизм экспериментально наблюдаемый в отдельных точках роговицы глаза может быть объяснен спиральной ориентацией коялагеновых волокон в этих точках.
Методики и результаты расчета угловых зависимостей элементов МРС слоистых анизотропных объектов. Методики определения величины и направления анизотропии, толщины анизотропного слоя по результатам измерения МРС.
Способ классификации МРС различных объектов на основе графического представления областей допустимых значении элементов матрицы Мюллера.
Апро бация. Основные материалы диссертационной работы докладывались на: региональном Нижне-Волжском научном семинаре "Диагностическое применение лазеров и волоконной оптики в Народном хозяйстве", (Волгоград, 1988), 2-й Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково - диэлектрическими структурами", (Саратов, 1988), Всесоюзной конференции 'Топографический корреляционный анализ и регистрирующие среды", (Черновцы, 1988), конференции "Применение лазеров в науке и технике", (Тольятти, 1989), Всесоюзном семинаре "Метрология в прецизионном машиностроении" (Саратов, 1990), международном симпозиуме "Biomedical Optics Europe '93" Budapest, 1993, международной конференции "Cell and Biotissue Optics: Applications in Laser Diagnostics and Therapy" ( Москва-Нижний Новгород, 1993), международном симпозиуме "Biomedical Optics '94", (San Jose, California, 1994) международном симпозиуме "Biomedical Optics Europe '94" (Lille, 1994),
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка использованных источников. Она изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка. Список используемой литературы включает 123 наименования.
