Введение к работе
1.1.Актуальность темы: Радиофизические методы, разработанные при изучении и применении электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона, проникнув в оптику, заметно расширили возможности последней и привели к появлению новых научных направлений, таких как голография, квантовая радиофизика интегральная оптика и др.
Достижения в этих областях во многом обуславливаются достижениями радиофизики, СВЧ-электроники, радиолокации и радиоастрономии, чему способствовала глубокая общность между процессами обработки и преобразования информации, осуществляемая радиотехническими и оптическими системами. Наиболее рельефно аналогия между оптикой и радиофизикой проявляется в плодотворном применении математического аппарата преобразования Фурье при анализе процессов формирования оптических изображений.
При создании радиофизических систем любого диапазона частот всегда необходимо решать задачи формирования, преобразования и распространения волновых полей. Ключевую роль при этом играют дифракционные явления. Если исходить из уравнений Максвелла й обычных граничных условий, то проблема дифракции электромагнитного излучения сводится к строго определенной краевой математической задаче. В классических теориях Юнга, Френеля и Кирхгофа дифракционное препятствие предполагалось абсолютно «черным», но вскоре понятие абсолютной «черноты» оказалось несовместимым с электромагнитной теорией. Несмотря на длительную историю дифракционной теории, до'сих пор в общем виде не доказана даже единственность решения, особенно когда рассматриваются сложные среды распространения и конечные размеры оптических систем, либо в тех случаях, когда дифракционное препятствие имеет сложный вид.
Фундаментальная сложность дифракционной задачи заставляет прибегать к эксперименту даже в тех случаях, когда казалось бы вполне справедлива классическая теория дифракции Кирхгофа и аппарат Фурье-оптики. Примером такой ситуации является случай дифракции когерентного излучения на многокаскадных системах из периодических структур. В связи с этим ліггуальной задачей является экспериментальное моделирование дифракции электромагнитного излучения в оптических системах с периодическими структурами с целью обработки многомерных массивов оптической информации.
Другой актуальной проблемой современной лазерной физики и радиофизики является дозиметрия поглощенной биотканью электромагнитного излучения. Сильная анизотропия оптических характеристик, структурная неоднородность биотканей обуславливают значительное рассеяние оптического излучения. Определение параметров пространственно-временного распределения интенсивности света в толще биологических тканей позволяет, кроме оптимизации оптических каскадов лазерных медицинс'ких приборов и методик их применения, увеличить и точность экспериментальных исследований в области взаимодействия лазерного излучения с биообъектами.
Существенные результаты по определению пространственного распределения световой энергии внутри биологических структур получены на основе теории переноса излучения, многопотоковой теории, диффузного приближения и при использовании метода статистического моделирования (метода Монте-Карло). С оптической точки зрения подобные методы являются различными модификациями закона Бугера и, позволяя рассчитать распределение интенсивности в толщине биоткани, не дают информации о тонкой структуре светового поля ткани, обусловленной как микроструктурой клетки, так и степенью когерентности излучения. Усредненные значения распределения интенсивности когерентного излучения по глубине биоткани не могут служить основой для объяснения таких, явно связанных именно с пространственной структурной неоднородностью воздействующего светового поля, эффектов как повышение кровотока и активация транспорта веществ через сосудистую стенку. Из общефизических соображений следует, что первопричиной таких проявлений биостимуляции лазерным непрерывным излучением может служить только регулярная пространственная неоднородность светового воздействия. С другой стороны, из теории фотографического процесса и исследований в области регистрирующих сред для голографии известно, что эффективность протекания первичной фотохимической реакции существенно зависит от пространственной структуры экспонирующего освещения. В случае лазерной биостимуляции подобная зависимость должна оказаться более сильной, поскольку диффузные процессы в биотканях имеют более интенсивный характер, чем в фотоэмульсиях. Поэтому исследование особенностей дифракции электромагнитного когерентного излучения в клеточных (модельных) структурах весьма актуально для понимания механизмов взаимодействия электромагнитных волн с биологическими объектами и выявления их роли в функционировании живых объектов.
1.2. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование свойств когерентных электромагнитных полей , возникающих из-за пространственной периодичности структуры исходного поля или наличия в среде распространения двух и трехмерных периодических структур, а также определение способов управления процессами дифракции электромагнитного поля на периодических структурах для реализации определенных операций преобразования и пространственной фильтрации изображений и исследование влияния пространственной структуры электромагнитного поля на эффект лазерной биостимуляции растений.
Основные задачи, которые решались при исследовании оптических систем состоящих из периодических структур являлись следующие:
Комплексные исследования, включающие обобщение и сопоставительный анализ данных по взаимодействию когерентных полей с периодическими объектами и теории построения изображений с помощью эффекта Тальбота, данных по биостимулирующему действию низкоинтенсивного лазерного излучения и теории фотопроцесса;
Теоретическое и экспериментальное исследование двумерной структуры когерентного оптического поля за периодической структурой, включая зону геометрической тени;
Теоретическое и экспериментальное исследование эффекта самореставрации одиночного периодического объекта на оптической оси и в зоне геометрической тени;
Теоретическое и экспериментальное исследование многокаскадных оптических систем и способов реализации различных операций оптической обработки информации;
Теоретическое и экспериментальное исследование дифракции электромагнитного излучения в трехмерных биологических структурах;
Изготовление чисто фазовых периодических транспарантов с высокой дифракционной 'эффективностью, малыми шумами и низким уровнем собственного светорассеяния.
-
Методы исследований: Для решения поставленных задач были выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов дифракции когерентного электромагнитного излучения видимого спектрального диапазона на различных периодических структурах. Для анализа явлений саморепродукции (эффект Тальбота) использовались методы Фурье-оптики, теория формирования оптического изображения, методы теории степеней свободы оптического изображения. Интерпретация экспериментальных результатов осуществлялась с привлечением методов радиофизики, физической оптики, фурье-оптики, голографических и оптических методов анализа процессов взаимодействия когерентного излучения с веществом. В эксперименте использовались методы теории и технологии фотографического процесса.
-
Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках ГНТП «Фундаментальная метрология» и федеральной программы «Оптика. Лазерная физика», по планам Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН. Часть работ выполнялась по плану сотрудничества ИФ ИЛФ СО РАН с Приднестровским государственным университетом в рамках научно-исследовательской программы №20-93 «Информационные характеристики голографического процесса и управление ими» (1993-1997 гг.). Работа частично финансировалась в рамках грантов РФФИ №94-02-05632а и №96-02-16796а.
-
Научная новизна работы состоит в том, что впервые теоретически и экспериментально показана возможность осуществления различных операций преобразования когерентных электромагнитных полей с помощью многокаскадных систем из периодических структур и, в частности:
1.Показано, что дифракция когерентного электромагнитного излучения на периодическом предмете и формирование самоизображений по механизму эффекта Тальбота соответствует модифицированному принципу Э. Аббе о двойной дифракции при формировании изображения. Согласно последнему, при формировании самоизображения можно выделить дифракцию на единичных
элементах и дифракцию на совокупности периодически расположенных по полю предмета элементов. Поскольку оба типа дифракции происходят в одной плоскости, то можно формировать изображения в ненулевых порядках дифракции излучения на периодическом предмете, а не только вдоль оптической оси.;
2.Показано, что структура возникающих самоизображений связана как с наличием локальных поперечных неоднородностеи поля в пределах одного пространственного периода структуры, так и с нелокальным воздействием на поле всей апертуры предмета или оптической системы;
3.Показано, что в многокаскадных системах из периодических структур можно сравнительно просто организовать эффективное управление характеристиками выполняемых преобразований (типа вычитания и Оконтуривания изображений) над дифрагирующими электромагнитными полями. Определены параметры оптической схемы, изменяя которые можно целенаправленно менять структуру волнового поля и выполнять те или иные оптические преобразования;
4.Экспериментально исследовано явление Тальбота саморепродукции изображений периодического объекта в существенно непараксиальной области дифракции;
5. Показана более высокая помехоустойчивость и способность к самореставрации полей периодических объектов для внеосев.ого варианта Тальбот -процессора;
б.Предложены и реализованы новые оптические алгоритмы синтеза и обработки когерентных электромагнитных полей, имеюших заданную пространственную структуру либо осуществляющих преобразование двумерного изо^ бражения в одномерное и наоборот;
7.Показано, что распределение интенсивности излучения внутри многокаскадной системы типа клеточной структуры слабо чувствительно к геометрическим параметрам входного пучка. Распределение интенсивности электромагнитного поля внутри достаточно объемной клеточной системы определяется параметрами клеточной структуры и длиной волны излучения и слабо зависит от дефектов самой клеточной структуры.
1.6. Практическая значимость работы связана с тем, что результаты исследования можно рассматривать как немасштабное моделирование радиофизических явлений для периодігчески структурированных электромагнитных полей. Под «немасштабным моделированием» понимается моделирование оптическим излучением видимого диапазона процессов распространения радиоволн и микроволнового излучения без соблюдения точного подобия или масштабирования по длинам волн, конфигурациям схем и другим геометрическим параметрам.
1 .Предложенные и исследованные в работе методы преобразования периодических электромагнитных полей оптического диапазона могут использоваться как при оптической обработке одно- и двумерных изображений, так и при разработке новых лазерных контрольно-измерительных и диагностических систем.
2.Учет особенностей явлений дифракции когерентного излучения на биологических клеточных структурах позволяет минимизировать энергетические потери для лазерных биомедицинских приборов и осуществлять целенаправленное управление лазерным биостимулирующим эффектом как путем вариации пространственной структуры волнового поля, так и изменением его временных параметров (импульсное и сканирующее облучение, временная модуляция).
1.7. Защищаемые положения:
-
Выбор различной геометрии оптических схем для синтеза изображений периодического предмета в ненулевых порядках дифракции, позволяет осуществлять преобразование двумерного изображения в одномерное и наоборот. В многокаскадных системах периодических структур посредством выбора ди-фракционнЙх'порядков для синтеза изображений можно реализовать различные преобразования когерентных электромагнитных полей, такие как оконтурива-ние, вычитание, дифференцирование и др.
-
Самоизображения периодических объектов и их самопреобразование Фурье,- сформированные в ненулевых дифракционных порядках, обладают повышенной помехоустойчивостью и способностью к самореставрации (восстановлению начального распределения интенсивности излучения при нарушениях структуры входного предмета типа затенения конечного множества единичных элементов).
-
Установившееся распределение интенсивности когерентного излучения, при дифракции на трехмерной клеточной системе (многокаскадной системе периодических структур) слабо чувствительно к геометрическим параметрам входного поля и определяется параметрами самой клеточной структуры и длиной волны излучения и слабо зависит от дефектов среды распространения.
-
Фурье-спектр для периодического транспаранта наблюдается на существенно более близком расстоянии, чем для непериодического объекта таких же размеров и это расстояние прямо пропорционально его размерам и обратно пропорционально его периоду.
1.8. Апробация работы: Основные положения и результаты диссертаци
онной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: XXIII,
XXIV и XXV Международных школах по голографии (г. Москва, 1994г., 1996г.,
и г. Ярославль, 1997г.); Международном симпозиуме по оптико-
информационным науке и технологии «OIST'97» (г. Москва, 1997 г.); IV Меж
дународном конгрессе «Проблемы лазерной медицины» (г. Москва, 1997г.); II
Международной конференции по микроэлектронике и компьютерным наукам
(г. Кишинев, 1997); Школе-семинаре «Люминесценция и сопутствующие явле
ния»^. Иркутск, 1998); научных семинарах Московского института электрони
ки и математики, Физического Института им. .П.Н. Лебедева РАН, Иркутского,
Новосибирского, Кишиневского, Одесского и Приднестровского университетов,
Института Лазерной физики СО РАН и др.
1.9. Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в дис
сертации, получено автором лично, либо при его определяющем участии. По
становка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно
с научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Эксперимен
тальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация прове
дены автором лично. Принадлежность указанных научных результатов лично
соискателю признана всеми соавторами и научным руководителем.
-
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 16 раброт в центральных отечественных и зарубежных изданиях.
-
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы (112 наименований), изложенных на 159 страницах, включая 71 рисунок и 3 таблицы.
