Введение к работе
Актуальность темы Вопросы точного измерения перемещений и скоростей будут всегда занимать в науке и технике исключительно важное место, поскольку движение является основой всех процессов, протекающих в окружающем нас мире. Существуют различные методы контроля и измерения указанных величин, однако наибольшим преимуществом обладают оптические, основанные на явлениях интерференции света и доплеровского сдвига частоты. Большие потенциальные возможности методов классической оптики по существу начали проявляться только после создания лазеров, источников когерентного высокомонохроматического излучения. С их появлением в оптике, в частности, возникло новое направление - лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия [1,2]. Исследования в этом направлении показали, что лазерные методы и средства позволяют дистанционно, в условиях пренебрежимо малых квантово-механических возмущений, т.е. по существу бесконтактным способом, измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне измеряемых величин. Существенное развитие универсальных лазерных методов фазочувствительной спектроскопии стало возможным благодаря созданию высокостабильных квантовых генераторов с узкой спектральной линией [3, 4]. В связи с этим расширилась сфера научных и технических приложений самих методов. В настоящее время лазерные системы служат метрологической основой большого поля измерительной техники в таких областях как дальнометрия, анемометрия, деформо-графия, локация, спектроскопия светового рассеяния и т.д. Они также являются мощным научным инструментом в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы, химии, биологии, медицине. В зависимости от сложности решаемых задач адекватно возрастают и требования к совершенствованию самих лазерных методов и средств измерения.
К началу наших работ, одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения медико-биологических и ряда других приложений, являлась про-
блема измерения малых скоростей (<1 мкм/с) рассеивающих микрообъектов таких, как клетки, белки и т.д. Задача лазерного метода таких измерений, например в биомедицине, состоит в том, чтобы по регистрируемым физическим характеристикам (размер, форма, скорость, концентрация, молекулярный вес и др.) микронных и субмикронных частиц биологической, как правило, жидкой среды, определять патологические изменения в исследуемых объектах. Регистрировать напрямую низкие поступательные скорости частиц, обусловленные седиментационным, тепловым броуновским движением или собственной двигательной активностью с помощью традиционного метода лазерной доплеров-ской анемометрии невозможно из-за низкого его спектрального разрешения (Ду«50н-100Гц).
Другая проблема, решение которой открывает большие возможности использования лазерных интерферометров - это измерение малых относительных перемещений объектов на больших расстояниях в присутствии естественных атмосферных возмущений. Например, использование таких дистанционных наземных лазерных систем в геофизических измерениях малых деформаций земной коры позволяет более эффективно решать практические вопросы поиска и регистрации предвестников землетрясений, с целью их прогнозирования. Создаваемые в последние годы у нас в стране и за рубежом бесконтактные лазерные деформографы с базой до 1000 м, как правило, размещаются в подземных (естественных или искусственных) штольнях. При этом, для уменьшения влияния атмосферы на трассе распространения лазерного луча, связанного с изменением температуры, давления и влажности воздуха, измерительное плечо интерферометра экранируют с помощью вакуумпровода или помещают его в герметичный лучевод с избыточным давлением газа. Идея такого способа экранировки не нова и впервые была реализована в [5, 6]. Несмотря на достаточно высокую относительную чувствительность таких систем, дорогостоящая техника выработки протяженных искусственных тоннелей, необходимость применения вакуумных и герметичных лучеводов, отсутствие возможности реализовать многолучевые радиальные схемы измерения, а также мобильные лазерные сис-
темы в зонах повышенной сейсмической активности существенно ограничивает их использование в геодинамическом мониторинге напряженно-деформированного состояния земной поверхности.
Данная диссертационная работа посвящена разработке физических решений, развивающих гетеродинные фазовые методы и средства с использованием высокостабильных лазеров, позволяющих реализовать сверхвысокую точность и чувствительность измерения малых перемещений и скоростей на качественно новом уровне.
Цель и задачи работы Цель настоящей работы состоит в проведении физических исследований фазочувствительных гетеродинных лазерных методов измерения ультрамалых перемещений и скоростей, разработка на их основе прецизионной принципиально новой лазерной аппаратуры:
а) лазерного измерителя перемещений для экспериментальной геофизики и
сейсмологии, способного с высокой чувствительностью и в широком частотном
диапазоне регистрировать малые деформации земной коры в условиях откры
той атмосферы с целью непрерывного геодинамического мониторинга и поиска
предвестников землетрясений;
б) высокочувствительного лазерного спектрометра светового рассеяния, при
годного для диагностики низкоскоростных микрообъектов в биомедицине.
В задачи работы входило:
Разработка гетеродинного метода регистрации малых перемещений на основе синхронизованных по фазе лазеров и исследование возможности его применения для дистанционных измерений на открытых протяженных трассах.
Проведение исследований по разработке методики измерения инфранизких скоростей и изучение возможности ее применения для определения физических параметров движения микрообъектов в биологических жидкостях.
Научная новизна Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые.
Предложен и экспериментально обоснован гетеродинный фазочувствитель-ный метод измерения малых перемещений на больших расстояниях в условиях открытой атмосферы с использованием синхронизованных по фазе лазеров. Показано его существенное преимущество в условиях протяженных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными интерфе-рометрическими системами регистрации деформаций земной коры.
Экспериментально показано, что вследствие частотно-фазовых флуктуации лазерного излучения в атмосфере, относительная чувствительность разработанных лазерных методик непрерывного измерения деформаций земной поверхности на базах L>1 км ограничена в диапазоне периодов собственных и приливных колебаний Земли величиной ~10"7. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазового лазерного деформогра-фа, позволяющая в приливном диапазоне колебаний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10"8-10-9.
С помощью гетеродинной лазерной системы на базе 1 км зарегистрированы детерминированные колебательные перемещения порядка 1 мкм на частоте ~1 Гц. Разработанными С02- лазерными дифференциальными методиками в режиме непрерывных фазовых измерений на базе ~1.7 км зарегистрированы приливные деформации горных пород в условиях разломов земной коры с амплитудой ~2 мм.
Выявлены два вклада в уширение спектральной линии лазерного излучения при прохождении его в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери пространственной и временной когерентности. Установлено, что ширина линии излучения зависит от метеоусловий на трассе и в среднем подчиняется зависимости Г-VZ, что хорошо согласуется с известными теоретическими выводами. Экспериментально подтверждено наличие на высоких частотах асимптотической зависимости f~m для спектральной плотности частотных флуктуации.
Гетеродинным He-Ne-лазерным деформографическим комплексом, специально разработанным для измерений в присутствии атмосферы с высокой относительной чувствительностью 10"9 - 10"10 на базах до 100 м, получены длинные ряды наблюдений (длительностью от одного месяца до одного года) по регистрации деформаций земной коры в штольне Байкальской рифто-вой зоны (БРЗ).
С помощью лазерных наблюдений в штольне БРЗ обнаружены особенности в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых в виде значительных вариаций скорости деформации земной коры за несколько суток до сейсмического события. Использование таких высокочувствительных непрерывных наблюдений в геофизической практике позволяет эффективно исследовать закономерности проявления предвестников землетрясений.
Теоретически и экспериментально показано, что линия рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемая созданным спектрометром светового рассеяния с разрешающей силой R>1015, определяется лоренцевым спектральным контуром, полуширина которого не зависит от направления и угловой апертуры регистрируемого рассеянного излучения и равна произведению коэффициента трансляционной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими монохроматическими излучениями. Осуществлено прямое наблюдение уширения спектральной линии рассеяния, обусловленное броуновским движением микрочастиц размером >10 мкм.
В спектре рассеяния на частицах латекса в воде с размерами d=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. Выявлено дополнительное уширение узкой лоренцевой части линии рассеяния при концентрациях латекса выше 10м см", когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами.
Зарегистрированы в динамике скорости оседания эритроцитов в физиологическом растворе порядка нескольких микрометров в секунду, как в единичном режиме седиментации клеток, так и в условиях конгломерации. Обнаружены специфические особенности собственного движения бактериальных клеток Escherichia coli в водных суспензиях. Последними исследованиями показано, что детектирование отличительных динамических характеристик собственной подвижности различных видов микроорганизмов может быть положено в основу экспресс-метода их идентификации без привлечения трудоемких биологических методик.
Практическая иенность
Разработан, экспериментально исследован и внедрен лазерный гетеродинный измеритель малых перемещений для систематических геофизических наблюдений за деформациями земной коры на полигонах Института земной коры СО РАН, Ташкентского государственного университета и Института лазерной физики СО РАН в Горном Алтае.
Разработан и экспериментально исследован прецизионный спектрометр светового рассеяния со спектральным разрешением Av/v~\0~" на основе синхронизованных по.фазе лазеров для автоматизированных измерений физических параметров микрочастиц (скорость, размер, концентрация) и осуществлено его внедрение в биомедицинские исследования. Планируется внедрение спектрометра в практику экологического мониторинга и порошковых технологий.
Разработки по созданию лазерного деформографа и спектрометра светового рассеяния защищены патентами на изобретения: №1362923, №1748058, №2082085.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Предложенные фазочувствительные гетеродинные системы измерения малых линейных перемещений на основе использования синхронизованных по фазе лазеров позволяют на километровых базах в открытой атмосфере регистри-
ровать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне частот с относительной чувствительностью ~10'7 и детерминированные колебательные смещения в секундном диапазоне периодов на уровне 10"9.
-
Разработанный He-Ne-лазерный деформограф с коротким компенсационным интерферометрическим плечом длиной ~1м обеспечивает на базах до 100 м в присутствии атмосферы в условиях штольни проведение измерений деформаций горных пород в диапазоне периодов колебаний 102 - 107 с с относительной амплитудой на уровне 10"9 — 10*10 и позволяет регистрировать особенности деформационных процессов сейсмической зоны в земной коре накануне землетрясений, как предвестники сейсмособытий.
-
Созданный спектрометр светового рассеяния на основе синхронизованных по фазе лазеров с длиной волны Я,=0.63 мкм обладает разрешающей силой R > 1015 и позволяет по регистрируемым доплеровскому сдвигу частоты и ширине линии рассеяния измерять инфранизкие скорости V < 1 мкм/с и характеристики броуновского движения микрообъектов живой и неживой природы в диапазоне размеров 0.01
-
Теоретически и прямыми экспериментальными наблюдениями установлено, что в дифференциальной схеме лазерного спектрометра форма линии рассеяния броуновскими сферическими частицами одинакового размера имеет ло-ренцев спектральный контур с полушириной, определяемой произведением коэффициента поступательной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими полями (Г = Dq2), независимо от направления и угловой апертуры регистрируемого рассеянного излучения.
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" (Ленин-
град, 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); Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 1993); 2nd International Symposium "Modern Problems of Laser Physics" (Novosibirsk, 1997). В 1986 году "Лазерный измеритель малых перемещений на больших расстояниях" демонстрировался на Лейп-цигской ярмарке, где был удостоен диплома и золотой медали.
Публикации По теме диссертации в соавторстве опубликовано 24 печатных работы.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 172 страницы машинописного текста, 62 рисунка и 3 таблицы, библиографические названия в количестве 146 ссылок занимают 12 страниц.
