Введение к работе
Актуальность темы
Актуальность исследований продольных когерентных свойств оптических полей определяется, прежде всего, интенсивностью развития прикладных когерентно-оптических методов в сфере технологического контроля, измерений и диагностики, биомедицинских исследований, метрологических задач Эффекты когерентности оптических полей широко используются в современных методах интерферометрии, спектроскопии, оптических методах обработки информации, включая голографию, и других направлениях физической оптики и ее приложениях Теория оптической когерентности и, соответственно, теория эффектов проявления когерентности в процессах интерференции оптических полей составляют феноменологические основы этих методов Исследования когерентных свойств оптических полей и развитие теории проявления когерентности в интерференционном эксперименте предопределяет и дальнейшее развитие когерентно-оптических методов измерения и обработки информации, в частности, методов низкокогерентной интерферометрии и томографии, активно развивающихся в последнее время
Принцип работы ряда когерентно-оптических методов основан на использовании явления интерференции излучения с ограниченными когерентными свойствами - частично когерентного излучения В этом случае на выходе интерференционной системы формируется переменный во времени модулированный по амплитуде фотоэлектрический сигнал, пропорциональный изменению средней интенсивности на апертуре фотоприемника, при изменении разности хода между интерферирующими лучами Представленные в шкале разности хода, высокочастотная составляющая сигнала имеет период порядка средней длины волны используемого излучения, а низкочастотная огибающая имеет характерный период затухания, определяемый масштабами продольного пространственно-временного смещения интерферирующих полей, в пределах которых их можно считать коррелированными В качестве такого масштаба, как правило, рассматривается длина временной когерентности, в то время как эффекты нарушения когерентности, обусловленные влиянием спектра пространственных частот, никак не учитываются Учет этих эффектов позволит существенным образом расширить функциональные возможности существующих низкокогерентных интерференционных систем, а результаты теоретических и экспериментальных исследований этих эффектов могут быть положены в основу новых методов низкокогерентной интерферометрии
До настоящего времени в литературе отсутствует непротиворечивое описание эффектов проявления в интерференционном эксперименте продольных пространственных свойств когерентности оптического излучения протяженных немонохроматических источников Исходя из анализа литературных данных, можно заключить, что на сегодняшний день не
обобщены исследования продольных когерентных свойств оптических полей, отсутствует теория проявления эффектов продольной когерентности световых полей в интерференционном эксперименте, не изучено влияние нескомпенсированного слоя недиспергирующего вещества в одном из плеч интерферометра на эффекты проявления продольной когерентности, не установлена степень конкурирующего влияния спектров пространственных и временных частот на продольные когерентные свойства световых полей
Цель диссертационной работы - исследование продольных когерентных свойств оптических полей с широкими спектрами пространственных и временных частот и экспериментальная реализация новых методов интерферометрии продольного сдвига на основе эффектов проявления продольной когерентности световых полей в интерференционном эксперименте
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Теоретические и экспериментальные исследования продольных когерентных свойств оптических полей с широкими спектрами пространственных и временных частот Развитие теории проявления эффектов продольной когерентности оптического поля в интерференционном эксперименте
Разработка методов экспериментального наблюдения эффектов проявления продольной пространственно-временной и пространственной когерентности в интерференционном эксперименте
Исследования зависимости свойств продольной когерентности от параметров спектров пространственных и временных частот оптического поля
Теоретическое развитие и экспериментальная реализация нового интерференционного метода исследования и диагностики оптической структуры слоистых сред технического и биологического происхождения, основанного на эффекте автокорреляционного анализа продольных когерентных свойств низкокогерентного поля, отраженного слоистым объектом
Разработка теоретической модели формирования сигнала автокорреляции продольной структуры оптического поля, отраженного объемной слоистой средой для случаев дискретного и непрерывного распределения отражающих свойств по глубине исследуемого объекта
Разработка алгоритмов интерпретации интерференционного сигнала автокорреляции продольной (по глубине) структуры исследуемых слоистых образцов
Разработка и реализация экспериментальной модели интерференционной системы, сочетающей в себе принципы низкокогерентной интерферометрии с использованием оптического поля с широким спектром временных частот и интерферометрии с использованием оптического поля с широким спектром пространственных частот
Научная новизна исследований
Впервые введено и обосновано представление о продольной чисто пространственной когерентности оптического поля — продольной когерентности, определяемой исключительно спектром пространственных частот, определены условия проявления и впервые наблюдались эффекты этого типа когерентности в интерференционном эксперименте
Установлен новый пространственный масштаб оптического частично когерентного поля - длина коррелированного пробега волнового цуга
Впервые получено выражение для полной длины одновременной продольной когерентности, отражающее совместное влияние параметров спектров пространственных и временных частот
Впервые в интерферометре продольного сдвига экспериментально наблюдались эффекты конкуренции влияния спектров пространственных и временных частот оптического поля на продольную когерентность этого поля
Впервые с использованием интерферометра Майкельсона продольного сдвига наблюдалось проявление функции продольной когерентности оптического поля, отраженного слоистым объектом, при его освещении низкокогерентным полем с малой длиной временной когерентности Предложен низкокогерентный интерференционный метод, в котором объектное поле, отраженное слоистой структурой, направляется в интерферометр Майкельсона для автокорреляционного анализа
Впервые рассмотрены аналогии между эффектами пространственного согласования волновых фронтов интерферирующих полей и эффектами проявления продольной когерентности полей с широкими спектрами пространственных частот
Практическая ценность работы
Результаты теоретического и экспериментального исследования продольных когерентных свойств оптического излучения могут быть положены в основу новых методов низкокогерентной интерферометрии, базирующихся на эффектах пространственной когерентности Представления о принципах функционирования и алгоритмах интерпретации сигналов существующих низкокогерентных интерференционных систем могут быть развиты с привлечением теории интерференционного проявления эффектов продольной пространственно-временной когерентности
Безопорная автокорреляционная низкокогерентная интерференционная система может быть использована для дистанционной диагностики, измерений и контроля широкого класса слоистых структур биологического и технологического происхождения
Интерференционная система трех связанных интерферометров на эффектах согласования оптических полей с широкими спектрами временных и пространственных частот может быть использована для контроля
пространственного положения, поверхностного микрорельефа и внутренней структуры прозрачных сред
Установленные закономерности формирования продольной
пространственно-временной когерентности протяженных источников с широким спектром временных частот имеют научно-методологическое значение, и могут использоваться в современных учебных курсах физической оптики, Фурье-оптики и специальных курсах по когерентно-оптическим методам диагностики и измерений
Достоверность научных результатов и выводов, полученных в работе, обусловлена адекватностью используемых теоретических моделей исследуемым физическим процессам, корректностью принятых упрощающих допущений, корректностью постановки экспериментов и обработки экспериментальных данных Полученные оригинальные экспериментальные результаты находятся в полном соответствии с результатами численных расчетов и моделирования Разработанные методы контроля и измерений оптических свойств и геометрии слоистых сред протестированы на контрольных образцах с известной структурой
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Продольная пространственно-временная когерентность оптического поля с широкими спектрами пространственных и временных частот и соответствующая функция когерентности T(Az,i\t), при условии Дг = Дг/с, определяются исключительно спектром пространственных частот, когда длина временной когерентности 1С больше средней длины волны излучения, 1С > Х0
При условии, когда длина временной когерентности оптического поля 1С значительно меньше длины продольной когерентности р//, определяемой спектром пространственных частот, 1С «р/;, волновое возмущение в виде волнового цуга длиной 1С в процессе распространения на расстояние большее р;/ испытывает полную декорреляцию Длина продольной пространственной когерентности рц, в этом случае, определяет длину коррелированного («свободного») пробега волнового цуга
Полная длина одновременной продольной когерентности Lc определяется параметрами спектров временных и пространственных частот оптического поля в соответствии с формулой
где АХ - ширина спектра временных частот, 20 - ширина углового спектра, Х0 - средняя длина волны излучения
Теория и экспериментальное воплощение низкокогерентного интерференционного метода исследования структуры слоистых объектов, основанного на автокорреляционном анализе продольной когерентности оптического поля, отраженного объемной структурой слоистого объекта, с использованием интерферометра Майкельсона продольного сдвига
Метод интерферометрии продольного сдвига для контроля слоистых структур, основанный на аналогиях в проявлении эффектов пространственного согласования волновых фронтов интерферирующих оптических полей с широкими спектрами пространственных частот и эффектов взаимной продольной пространственной когерентности этих полей
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлены на международных конференциях "Interferometry XIII Techniques and Analysis" (USA, San-Diego, August, 2006), "Saratov Fall Meeting International School on Optics, Laser Physics & Biophysics" (Саратов, 2004, 2005, 2006, 2007 гг), "Международная молодежная научная школа "Оптика 2006" (Санкт-Петербург, октябрь, 2006), "Coherence Domain Optical Methods and Optical Coherence Tomography in Biomedicme X - BiOS 2006" (USA, San-Jose, January, 2006)
Исследования по теме диссертации были проведены при поддержке грантов Министерства образования РФ № 01 2003 15221, Тематического плана научно-исследовательских работ СГУ по заданию Федерального агентства по образованию РФ №1 4 06, Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг ) РНП 2 11 4473 и CRDF RUX0-006-SR-06/BP1M06, Программы поддержки ведущих научных школ № НШ-25 2003 2 и CRDF № REC-006, РФФИ № 05-08-65514а, РФФИ № 05-08-50318а, РФФИ № 07-02-01434
Личный вклад соискателя состоит в проведении теоретических исследований, в обсуждении и самостоятельном решении ряда задач, поставленных профессором, д ф -м н В П Рябухо и к ф -м н Д В Лякиным, в постановке и проведении экспериментов, в обработке и анализе полученных результатов
Публикации
По материалам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликовано 16 научных работ, включая 4 статьи в рецензируемых журналах, 6 статей в сборниках научных трудов, 6 статей в сборниках докладов международных научных конференций
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 158 страниц текста, включая 34 рисунка Список литературы содержит 115 наименований
