Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время большое внимание уделяется разработке новых высокотехнологичных полимерных материалов с заданными свойствами. Растущее число экспериментальных работ посвящено исследованию свойств таких материалов, что связано в первую очередь с непрерывным ростом числа областей, где эти материалы находят применение. В связи с этим актуальной задачей представляется разработка новых методов исследования, позволяющих контролировать свойства материалов и сред, параметры процессов, протекающих в них, изучение которых ранее было затруднительно или невозможно традиционными физико-химическими методами. К таким процессам следует отнести явление массопереноса и диффузионные процессы в различных средах, имеющие важное практическое значение для разработки регламентов технологических процессов, анализа и разделения веществ и т.п.
Для изучения диффузионных процессов применяют различные физико-химические методы. Традиционно применяются косвенные методы. В качестве прямых методов применяется ЯМР, а также метод квазиупругого рассеяния света. Особое место среди методов исследования диффузии занимают интерференционные методы [1,2], обладающие высокой чувствительностью и позволяющие следить за кинетикой массопереноса в режиме реального времени.
Применение лазерных источников света позволило разработать и реализо-вывать новые методы интерферометрии диффузионных процессов. Высокая когерентность, большая мощность в узком спектральном диапазоне, высокая направленность лазерного излучения существенно упростили практическое использование классических методов интерферометрии и предопределили разработку новых методов интерференционных измерений, диагностики и контроля параметров различных объектов и сред как технического, так и биологического происхождения. Для двухкомпонентных систем по данным интерференционного эксперимента определяют профили распределения показателя преломления, концентрации, рассчитывают коэффициенты взаимодиффузии компонентов в широкой области составов и температур, строят фазовые диаграммы, оценивают термодинамические параметры. Данные интерферометрии позволяют не только с высокой надежностью определять пограничные кривые, но и идентифицировать тип фазового разделения и, соответственно, прогнозировать структурно-морфологические особенности и кинетическую устойчивость получаемых материалов (гелей, пленок, покрытий, волокон, пластмасс и др.), а также их характеристики при эксплуатации в различных условиях. Результаты интерферометрии применяют при моделировании процессов нанесения и сушки покрытий, деструкции полимеров в различных средах и др. В последнее время отмечается тенденция к расширению применения лазерных интерференционных методов исследования в таких областях, как биохимия и фармакология.
Несмотря на достаточно большое число экспериментальных работ, посвященных исследованию процессов диффузии в прозрачных фазовых объектах методами лазерной интерферометрии, в большинстве из них в качестве метода исследования использован метод аналоговой голографической интерферометрии [3]. Остальные же методы лазерной интерферометрии для исследования подобных процессов и объектов, за редким исключением [2], распространения практически не получили.
Появление достаточно совершенных цифровых средств регистрации и обработки изображений позволило разработать новые варианты реализации методов интерферометрии. В последнее время для решения задач, связанных с исследованием процессов диффузии в прозрачных фазовых объектах, разрабатываются новые цифровые интерференционные методы, в частности, метод корреляционной спекл-интерферометрии [4], который по точности получаемых результатов вплотную приблизилась к голографическим методам. Наиболее перспективным направлением и, безусловно, актуальным и с научной и практической точек зрения в настоящее время является разработка и развитие методов цифровой голографической интерферометрии [5]. Данный метод, обладая всеми достоинствами классической аналоговой голографической интерферометрии, позволяет существенно расширить ее практические, функциональные и метрологические возможности.
Решение вышеописанных проблем и вопросов является актуальным и определило цель настоящей диссертационной работы.
Цель диссертационной работы состояла в разработке и практической реализации методов лазерной интерферометрии для исследования с высоким пространственным разрешением процессов диффузии веществ в микрообъемах прозрачных сред.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка экспериментальной установки на основе интерферометра Май-кельсона, для исследования с высоким пространственным разрешением процессов диффузии в тонких плоских кюветах.
Разработка корреляционного метода обработки интерференционных картин.
Разработка теоретических и развитие экспериментальных основ многолучевой лазерной интерференционной микроскопии процессов диффузии с высоким пространственным разрешением; разработка программного обеспечения для анализа микроинтерферограмм процессов диффузии.
Разработка экспериментальных систем цифровой голографической интерферометрии для исследования процессов диффузии в прозрачных средах; разработка программного обеспечения для обработки цифровых голограмм и формирования цифровых голографических интерферограмм; сравнительный анализ различных характеристик методов аналоговой и цифровой голографической интерферометрии процессов диффузии в прозрачных средах.
Разработка цифрового голографического фазового микроскопа для исследования с высоким пространственным разрешением: морфологии различных
малых фазовых микрообъектов технологического и биологического происхождения, диффузионных процессов в таких объектах.
Экспериментальная реализация методов классической лазерной, аналоговой
и цифровой голографической интерферометрии, многолучевой и цифровой
фазовой микроскопии в исследованиях процессов диффузии, протекающих в
реальных средах - в системах типа жидкость-жидкость, твердое тело-
жидкость.
Научная новизна:
Модифицирован метод классической лазерной интерферометрии фазовых объектов с применением схемы интерферометра Майкельсона с увеличительной оптикой для исследования процессов диффузии в полимерных материалах; предложен способ корреляционной обработки экспериментальных интерферограмм с пространственно высокочастотными опорными полосами сложной формы, возникающими при исследовании процессов диффузии в кюветах с оптически неоднородными окнами.
Разработаны теоретические основы метода лазерной многолучевой интерференционной микроскопии в рассеянном свете для исследования процессов диффузии; впервые реализована экспериментальная возможность наблюдения многолучевых микроинтерферограмм не в клинообразном, а в плоскопараллельном слое среды с диффузионным процессом.
Разработаны экспериментальные и теоретические основы метода цифровой голографической интерферометрии диффузионных процессов на основе записи безлинзовой голограммы Фурье.
Разработан метод цифровой голографической фазовой микроскопии на основе записи цифровой безлинзовой голограммы Фурье сфокусированного изображения и пространственно частотной фильтрации голограмм для исследования морфологии микрообъектов различной природы и диффузионных процессов в таких объектах.
Научная и практическая значимость
Результаты диссертационной работы развивают и дополняют теоретические и экспериментальные основы современных методов лазерной интерферометрии в исследовании прозрачных фазовых объектов и диффузионных процессов, протекающих в этих объектах. Разработанные новые подходы, обеспечивающие высокое пространственное разрешение в лазерной интерферометрии фазовых объектов, расширяют метрологические и функциональные возможности интерферометрии в исследовании процессов диффузии в микрообъемах прозрачных сред, имеют важное практическое значение в технологиях создания современных материалов с новыми эксплуатационными характеристиками.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Теоретическая интерпретация и математическая модель процессов формирования многолучевых интерференционных картин в микроскопии клиновидных и плоскопараллельных слоев жидких сред; метод лазерной многолуче-
вой интерференционной микроскопии в опорных полосах бесконечной ширины для высокоразрешающего контроля процессов диффузии в плоскопараллельных слоях жидких сред.
Метод лазерной цифровой голографической фазовой микроскопии для высокоразрешающего контроля процессов диффузии на основе использования схемы записи безлинзовых Фурье-голограмм сфокусированного изображения с численной пространственно частотной фильтрацией цифровых голограмм.
Пространственно частотная полосовая фильтрация цифровой лазерной голограммы сфокусированного изображения обеспечивает повышение пространственного разрешения метода и системы цифровой голографической микроскопии процессов диффузии; расширение отфильтрованной области пространственного спектра голограммы до исходных размеров цифрового изображения путем окружения этой области нулевыми значениями спектральных компонент обеспечивает дополнительное увеличение разрешающей способности метода и системы.
Методы лазерной интерферометрии с применением оптических аналоговых и цифровых систем микроскопии, включая цифровые голографические системы, позволяют качественно и количественно контролировать процессы диффузии веществ в жидких средах с предельным пространственным разрешением, обеспечиваемым системой микроскопии Ах « X/NA, с градиентом показателя преломления среды в области диффузии dn/dx « NA/d, где Я -длина волны лазерного излучения, NA - числовая апертура микрообъектива микроскопа, d - геометрическая толщина слоя среды.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре "Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине" (г. Саратов 2007-2009 г.г.), международной междисциплинарной школе по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophoton-ics (SFM) (Саратов, 2005, 2008-2010 г.г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 3 научных статьи - в рецензируемых журналах их списка ВАК, 7 статей и 2 тезисов докладов в трудах всероссийских конференций.
Личный вклад автора диссертации
Автором выполнен анализ литературных источников, посвященных интерференционным методам исследования процессов диффузии. Автор непосредственно участвовал в разработке схемных решений и сборке экспериментальных установок. При определяющем участии автора разрабатывалось программное обеспечение для обработки и анализа экспериментальных интерферо-грамм и голограмм. Весь объем экспериментальной работы выполнен автором лично; все численные расчеты выполнялись при определяющем участии автора.
Совместно с научным руководителем выполнено обсуждение результатов и формулировка выводов по диссертационной работе.
Достоверность результатов обусловлена использованием широко апробированных на практике подходов и приемов лазерной интерферометрии и методов интерпретации интерференционных картин, использованием формального теоретического аппарата, широко применяемого для описания процессов формирования оптических изображений и интерференционных картин, высокой степенью сходимости и повторяемости экспериментальных результатов, их соответствием с результатами теоретического анализа и результатами численного моделирования. Достоверность некоторых данных, полученных в данной работе, определяется их соответствием данным, полученным другими авторами.
Объем и структура диссертации
