98249

КОРЕЛЯЦІЙНИЙ АНАЛІЗ СПЕКЛІВ, ПРОМОДУЛЬОВАНИХ ФАЗОВО-НЕОДНОРІДНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ

Дипломная

Физика

При розсіянні когерентного світла на неоднорідностях спостерігаються зернисті картини, які називають спеклами. Їх утворення обумовлене інтерференцією хвиль однакової частоти, але із різними значеннями фаз та амплітуд. Параметри спеклів несуть інформацію про характеристики як поверхні, на якій відбулося розсіяння, так і середовища, в якому розповсюджуються розсіянні хвилі.

Украинкский

2015-10-30

418.62 KB

2 чел.

9

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Фізичний факультет

Кафедра оптики

На правах рукопису

КОРЕЛЯЦІЙНИЙ АНАЛІЗ СПЕКЛІВ, ПРОМОДУЛЬОВАНИХ ФАЗОВО-НЕОДНОРІДНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ

Напрям: 0911 – лазерна та оптоелектронна техніка

Спеціальність: 6.0911 – лазерна та оптоелектронна техніка

      Кваліфікаційна робота бакалавра

      студентки 4 курсу

      Побєдіної Валентини Миколаївни

                                                                     Науковий  керівник

                                              канд. фіз.-мат. наук,  доцент

                                            Якунов Андрій Васильович

  

Робота заслухана на засіданні кафедри оптики

та рекомендована до захисту в ДЕК, протокол № __________ від________2015р.        

Завідувач кафедри оптики, проф.                     Поперенко Л.В.

Київ - 2015

ЗМІСТ

Вступ 3

1. Огляд літератури 4

1.1 Розсіяння світла. 4

1.2 Розсіяння світла на супрамолекулярних неоднорідностях. 5

1.3 Утворення спекл-полів. 6

1.4 Динаміка спеклів. 12

2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА. 19

2.1. Схема експерименту 19

2.2. Процедура проведення експерименту 22

3. Результати та їх обговорення 24

ВИСНОВКИ 27

Перелік Посилань 28

ВСТУП

В останні роки спостерігається підвищений інтерес до вивчення надмолекулярних неоднорідностей у рідинах. зокрема, у водних системах. Для їх дослідження широко використовуються оптичні методи. В роботах [1-5] за допомогою різних проявів розсіяння світла у воді зареєстровано неоднорідності із характерними розмірами від нанометрів до мікрометрів. У загальному випадку рідини можна вважати фазово-неоднорідним середовищем, що вносить певне збурення у розповсюдження світлових хвиль. У даній роботі досліджувалась динаміка спеклів, утворених матовою пластинкою та промодульованих шаром водно-гліцериновим розчином.

При розсіянні когерентного світла на неоднорідностях спостерігаються зернисті картини, які називають спеклами [6]. Їх утворення обумовлене інтерференцією хвиль однакової частоти, але із різними значеннями фаз та амплітуд. Параметри спеклів несуть інформацію про характеристики як поверхні, на якій відбулося розсіяння, так і середовища, в якому розповсюджуються розсіянні хвилі. Якщо лазерне світло проходитиме через шар рідини, то можуть спостерігатися певна динаміка спеклів: мерехтіння, рух зерен, тощо. В такому випадку кажуть про "зовнішню модуляцію" спеклів.

Динаміка спеклів з'являється як наслідок змін фаз світла, викликаних рухом розсіювальних центрів, в ролі яких виступають неоднорідності водної системи. Така інтерпретація результатів наших експериментів відповідає сучасним уявленням про надмолекулярну структуру рідин із водневими зв'язками. З точки зору перколяційної моделі [4] структуру таких рідин можна представити як нескінченний перколяційний кластер з нанорозмірними неоднорідностями.

  1.  ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

  1.   Розсіяння світла

Розсіювання світла виникає внаслідок появи оптичних неоднорідностей в розсіючому середовищі або на розсіючій поверхні. Фізичні причини виникнення оптичних неоднорідностей різні. Оптично неоднорідним може стати середовище внаслідок стороннього впливу крапель води чи твердих частинок в атмосфері, колоїдних розчинах тощо. Кожне фізичне явище, що призводить до появи розсіяного світла, накладає свій характерний "відбиток" на інтенсивність, поляризацію і спектральний склад розсіяного світла. Вивчення цих "відбитків" дозволяє дослідити відповідні явища і пов'язані з ними процеси.

З класичної точки зору розсіювання світла полягає в тому, що світлова хвиля, яка проходить через речовину, змушує коливатись електрони в атомах (молекулах). Ці електрони збуджують вторинні хвилі, що розповсюджуються в усіх напрямках. При цьому вторинні хвилі є когерентними між собою і тому інтерферують. Теоретичний розрахунок показує, що у випадку однорідного середовища вторинні хвилі повністю гасять одна одну в усіх напрямках, крім напряму розповсюдження первинної хвилі. Тому розсіювання в однорідному середовищі не відбувається.

В неоднорідному середовищі світлові хвилі, які дифрагують на маленьких неоднорідностях середовища, утворюють дифракційну картинку у вигляді рівномірного розподілу інтенсивності в усіх напрямках. Це явище і називають розсіюванням світла.

  1.   Розсіяння світла на супрамолекулярних неоднорідностях у рідинах

Супрамолекулярні або надмолекулярні неоднорідності - системи, пов'язані в єдине ціле за допомогою міжмолекулярних (нековалентних) взаємодій. Такі неоднорідності довільно складаються у найскладніші просторові структури в живій клітині.

Оскільки супрамолекулярні неоднорідності можуть перевищувати розміри молекул на декілька порядків, то існує можливість досліджувати їх оптичними методами, зокрема із використанням розсіювання світла.

Деякі молекулярні рідини із точки зору мікроструктури мають спільні риси із аморфними середовищами. [Седлак] Наприклад, у воді або у рідинах та розчинах із водневими зв'язками. За наявності зазначених зв'язків між молекулами, - утворюється супрамолекулярна просторова структура. Така решітка сягає розмірів порядку декількох сотень нанометрів. Існування масштабних самоподібних структур у супрамолекулярних неоднорідностях дає підстави вважати її фрактальним середовищем.

  1.   Утворення спекл-полів

При розсіянні когерентного випромінювання у випадкових середовищах утворюються плямисті дифракційні картини (спекл-поля або спекл-структури). Їх утворення обумовлене інтерференцією хвиль однакової частоти, але із різними значеннями фаз та амплітуд.

Чому утворюються світлові плями? Розглянемо схему представлену на мал.1, де від джерела лазерного випромінювання 1 світловий пучок потрапляє  на шорсткий об'єкт або проходить через неоднорідне середовище 2. Після чого пучок зазнає випадкової модуляції. Ця модуляція проявляється в структурі розсіяного випромінювання, роблячи його просторово неоднорідним. Внаслідок цього утворюється спекл-структра, яка схематично зображена на малюнку у вигляді поздовжнього перерізу шару 4. І завдяки оптичної системи 5 можна бачити поле 3 із випадково розподіленими інтенсивностями.

Мал.2 Оптична схема спостереження спекл-полів

Оскільки розсіюючий об'єкт був випадковим, то утворені світлові плями будуть розташовані випадковим чином у площині спостереження, маючи при цьому різну форму і розміри  (мал.2).

Мал.2 Фотографія спекл-поля

Світло лазера відрізняється від решти оптичного випромінювання високою монохроматичністю і просторовою когерентністю. Відразу ж після появи лазерів багато дослідників одночасно виявили новий ефект: якщо лазерне випромінювання розсіюється на шорсткою поверхні або у неоднорідному середовищі, то дифракційна картина набуває плямистий характер. До винаходу лазерів подібне явище не спостерігалося, оскільки природних аналогів лазерного випромінювання в природі не існує. Виявлені плямисті світлові поля стали називати спекл-структурами (від англ.speckle - плямочка, точка).

Оскільки світлова хвиля, проходячи через неоднорідне середовище, зазнає амплітудної та фазової модуляції, то розсіяне світло також буде мати хаотичний характер. В залежності від властивостей розсіюючого об'єкту та умов освітлення кількість спеклів може коливатися від декількох одиниць до сотень тисяч плям.  

Розмір окремих зерен спекл-полів в площині спостереження визначається певними параметрами структури досліджуваного об'єкту: шорсткість поверхні, в'язкість досліджуваної рідини, швидкість потоку тощо.

Структура спекл-полів, вочевидь, має певне відношення до макроскопічних характеристик об'єктів, просвітлених лазером. Саме тому можемо стверджувати, що спекли надають інформацію, пов'язану із параметрами освітленого зразка. Зокрема, це можуть бути розміри окремих зерен спекл-полів, інтенсивність і контрастність картини. Кожен із них відноситься до конкретної характеристики досліджуваного об'єкту.

Коли ми висвітлюємо не шорстку поверхню, а деякий рідкий зразок, ми все одно отримаємо ті ж самі риси спекл-картини, за якими можна охарактеризувати об'єкт. Хоча з іншого боку розсіювання лазерного світла у рідині дає змогу спостерігати зовсім нові характеристики спекл-структури, такі як динаміка та фрактальна розмірність. [китайц]

Динаміка спеклів викликана змінами фази світла, що виникає через рух розсіюючих центрів, обертальну силу, тощо. Крім того, просвітлюючи рідини можна спостерігати очевидні коливання і переміщення спеклів, які також можуть бути викликані броунівським рухом.

 

1.4 Динамічні спекл-поля

Очевидно, якщо розсіяння лазерного пучка відбувається на нерухомих поверхнях, то спекли також нерухомі у площині спостереження. Але якщо досліджуваний об'єкт знаходиться у русі, то спекл-структура теж змінюється із плином часу. В даному випадку кажуть, що спостерігається динаміка спеклів. [Dyn. Speck].

Таким чином, переміщення спеклів стає залежним від часу. Це явище характерне для біологічних зразків і представляє собою аналогічну картинудо киплячої рідини.

Дослідження спеклів показує, що вони коливаються у часовому просторово-часовій системі. Це відбувається через складну структури та активності досліджуваних рідин. Таким чином, динамічна поведінка спеклів повинна бути проаналізована у кореляційний метод. Незважаючи на те, що з математичної точки зору точно описати модель динамічних спеклів дуже важко, застосувати кореляційний аналіз все ж таки можливо.

Кореляційна функція дуже часто використовується при обробці сигналів або деякого ряду отриманих значень; вона дає співвідношення між двома або більше випадковими величинами. В свою чергу автокореляційна функція визначається як крос-кореляція самого сигналу. Автокореляції корисно

При обробці сигналу, враховуючи сигнал f(t), безперервну взаємну кореляцію f(t) із самим собою, маємо автокореляцію Af (τ) описану наступним чином:

Одним із цифрових методів дослідження динамічних спеклів є лазерна спекл-декореляція. Вперше він був запропонований для вивчення дифузії та явно рухомих потоків у прозорих рідинних сумішах. Отримані результати за допомогою даного методу оброблювались, після чого визначалися константи дифузії. [Декорреляция]

В основі даного метода використовується відеозйомка спеклів, спотворених в результаті розповсюдження світла у середовищі із динамічними фазовими неоднорідностями (мал. 3) та з їх подальшим кореляційним аналізом отриманого ряду кадрів:

де  ρ – коефіцієнт кореляції.

Мал. 3 Схематичне зображення локального зсуву спекл-структури

  1.  ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1 Модельний експеримент

клітинковий автомат (всё)

пару абзаце про метод декореляції (как использовали)

2.2 Матеріали та прилади

В роботі вивчалася декореляція спекл-полів внаслідок проходження когерентного світла через рідину із фазовими неоднорідностями, в якості якого використовувався водно-гліцериновий розчин. Відомо [4-5], що про глицерин из конферен . Розчин готувався на основі стандартних компонентів: води для ін'єкцій та 85%-розчину гліцерину. Точність розведення складала не більше 2% .

Для дослідження спеклів, промодульованих шаром рідини, використовувалась наступна установка (мал.1). Світло від He-Ne лазера (2 mW) розсіюється на матовій поверхні стінки скляної прямокутної кювети з довжиною оптичного шляху 20 мм, і проходить через шар водно-гліцеринового розчину. Після кювети світло через фільтр із регульованим пропусканням потрапляє на матрицю відеокамери, з'єднану із комп'ютером.

2.3. Методика експерименту

Здійснювалась комп'ютерізована відео-зйомка спекл-полів промодульованих шаром водно-гліцеринового розчину із різними концентраціями.  Кожен відео-фрагмент розбивався на окремі кадри, які піддавалися кореляційному аналізу [2]. Це давало змогу дослідити зміну спекл-картини внаслідок модуляції динамічно фазово-неоднорідним середовищем, яким виступає гліцериновий розчин.

6

4

5

2

1

3

Мал. 1 Схема експерименту:

1 – Гелій-неоновий лазер

2 – Матова пластинка

3 – Кювета із водно-гліцериновим розчином

4 – Поляризаційний фільтр

5 – Камера

6 – Комп'ютер

2.2 Обробка результатів

Для аналізу спекл-картин, кожен відео-фрагмент підлягав обробці за допомогою програми “ImageJ” (National Institutes of Health): спочатку кожен фрагмент був переведений у бінарний код, а потім розкадрований. 

Мал.3 Фрагменти бінарізованої спекл-картини

Отримані кадри (мал.3) піддавалися кореляційному аналізу, що давало змогу дослідити зміну спекл-картини внаслідок модуляції шаром водно-гліцеринового розчину.

На мал.2 показані функції просторової кореляції двох спекл-картин, знятих з проміжками часу 1сек (мал. 2а) і 4 сек (мал.2б).

мал. 2а

мал, 2б

Було визначено, що затухання кореляційної функції підкоряється експоненційному закону, що розглянуто у п.3. А характерна часу залежить від концентрації водно-гліцеринового розчину. Запропонований метод дослідження представляє собою певну варіацію динамічної спектроскопії квазіпружного розсіяння.

Методом декореляції були досліджені розчини із 1%, 3%, 5%, 10%, 15%, 25%, 50% та 95% вмістом гліцерину. Для кожного ряду фрагментів обраховувалася кореляційна функція між першим та кожним наступним кадром

  1.  РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

На мал.5 продемонстровано сімейство кривих, які описують затухання кореляційних функцій, отриманих внаслідок проведених дослідів із водно-гліцериновими розчинами різної концентрації:

,

 

де  τ - характерна стала часу; ϭ - деяка стала.

Мал. 5 Затухання кореляційної функції при різних концентраціях водно-гліцеринового розчину

Досліджуючи експонентне затухання кореляційної функції для різних концентрацій водно-гліцеринового розчину, була визначена певна залежність сталої часу від процентного вмісту гліцерину у суміші.

ВИСНОВКИ

  1.  Представлений метод декореляції може використовуватися не тільки для дослідження явно рухомих потоків та дифузії рідких середовищ, а також і для аналізу фазово-неоднорідних сумішей із стаціонарною динамікою, таких як водно-гліцериновий розчин.

  1.  Вперше була досліджена стала часу τ затухаючої кореляційної функції,  яка залежить від концентрації гліцерину у воді.

  1.  Особливістю суміші води та гліцерину полягає у наявності різномасштабної гетероструктурності, що пояснюється “нерозчинністю” гліцерину у воді та бінарністю рідини.                     

     

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1  Ф.Р.Черников. Сверхмедленные колебания светорассеяния в жидкостях разного типа. //Биофизика. –  1990. 35(5) –  C. 717-721.

2 Л.А.Булавін, М.М.Білий, А.В.Якунов. Прояв повільних флуктуацій структури води в спектрах комбінаційного розсіяння світла. //Фізика живого.–2005. 13(1).–C. 43-50.

3 A.M.Saletskii, et al. Scattered-light correlation spectroscopy of structural changes in aqueous systems. // J.Prikladnoi spektroskopii. – 1992. Vol.57, №1-2. – Р. 147-151.

4 Toshimitsu Musha, Gabor Borbely, Shoji Minoru. 1/f phonon-number fluctuations in quartz observed by laser light scattering. //Phys. Rev. Lett.– 1990. Vol.64(20).– Р. 2394-2397.

5 Toshimitsu Musha, Gabor Borbely. 1/f fluctuations of phonon energy in water. //Jpn. J. Appl. Pliys. – 1992. Vol.31. Part 2, No.3B. –  Р. 370-371.

6 Toshimitsu Musha, Takehisa Nohei, Keisuke Nakagawa, Koji Takada. 1/f fluctuations in LiCl solution. //Jpn. J. Appl. Pliys. – 1996. Vol.35. Part 1, No.3 – Р. 1781-1785.

7 J.Teixeira. The concepts of fractal and fracton relevant for physics of liquid water. //Atti Accademia Peloritana dei Pericolanti Classe I di Scienze Fis. Mat. e Nat. – 1995. LXXI – Р. 187-193.

8 D.Majolino, et al. Spectral evidence of connected structure in liquid water: effective Raman density of vibrational states. //Phys. Rev. E. – 1993. Vol.47(4) – Р. 2669-2675.

9 L.A.Bulavin, et al. Anomalous behaviour of glycerol-water solutions. //Journal of Mol.Liquids – 2006. 127(1-3) – P. 90-92.

10 Л.А.Булавин, М.М.Білий, А.В.Якунов, А.О.Максимов. Прояв фрактальної структури рідинних систем в коливальних спектрах розчину гліцерин-вода. //Доповіді НАН України. – 2009(2) – C. 73-78.

11 И.Л.Фабелинский. Молекулярное рассеяние света. // – 1965. – М., Высш.школа.

12 Г.С.Лансберг. Оптика. // – 2003. – М., Физматлит, 6-е изд.

13 Л.И.Мандельштам. //Журнал русск. физ.-хим. общества. – 1926. – т.58. – C.38.

14 L.Brillouin. //Ann. Phys. Paris – 1922. – 17, 88.

15 E.Gross. //Nature. – 1930. – 126, 201.

16 А.Einstein. //Ann. Phys. – 1910  – 338, 1275.

17 H.Z.Cummins, R.W.Gammon. J. //Chem. Phys. – 1966. Vol.44. – P. 2785.

18Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Рэлеевское рассеяние в газах и жидкостях. //Теоретическая физика. Электродинамика сплошных сред. – 1982. – М., Наука. 

19 J.Gutenberg. High frequency acoustics in colloid-baised meso- and nanostuctures by spontaneous Brillouin light scattering. // Universit¨at Mainz. – 2009.

20 E.Milotti. A pedagogical review of 1/f noise. // Arxiv physics. –  2002. № 0204033.

21 L.A.Bulavin, Yu.F.Zabashta. Scaling origin of flicker noise. //ISSN 0503-1265. Ukr. J. Phys. – 2004. Vol.49, №2.  

22 F.N.Hooge, T.G.M Kleinpenning, L.K.J Vandamme. Experimental studies on 1/f noise. //Rep. Prog. Phys. – 1981. Vol. 44 – P. 479-532.

23 Ю.Е.Кузовлев. Релаксация и 1/f шум в фононных системах. // ЖЭТФ. – 1997. Т.111, №6 – С. 2086-2098.

22


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36769. Изучение колебаний пружинного маятника 298 KB
  Изучение колебаний пружинного маятника. Цель работы: Изучение свободных и вынужденных колебаний системы с одной степенью свободы на примере пружинного маятника. Несмотря на различную физическую природу колебаний их можно описать одинаковыми уравнениями. Здесь А амплитуда колебаний; = круговая циклическая частота незатухающих свободных колебаний; t текущий момент времени...
36770. ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА 169.5 KB
  Прибор, используемый в данной работе, представляет собой настенный кронштейн, на котором смонтированы подушки для опорных призм физического маятника. На том же кронштейне подвешен математический маятник, длину которого можно изменять, наматывая нить на соответствующий барабанчик. Физический маятник представляет собой цилиндрический стержень, на котором жестко закреплены две призмы 1 и 2
36771. Создание составных документов. Печать документов 364.5 KB
  Word уберет с экрана панель инструментов Формула и восстановит стандартное меню Word. Текстовые эффекты Применение текстовых эффектов к оформлению текста при помощи вставки объекта созданного в Wordrt. Пример объявления подготовленного с помощью Wordrt Попробуем подготовить самое банальное объявление для расклеивания на столбах рис. Создание заголовка объявления Продается компьютер с помощью Wordrt.
36772. Настройка аутентификации 43 KB
  htccess и в нем пропишите следующие директивы webсервера: uthNme ″Restricted re″ директива задает имя области аутентификации uthType Bsic директива задает тип аутентификации uthUserFile vr www ваша_фамилия users директива задает путь к файлу пользователей uthGroupFile vr www ваша_фамилия groups директива задает путь к файлу групп пользователей Создайте файл пользователей с помощью команды usr bin htpsswd c путь_к_файлу_пользователей имя_пользователя Здесь путь_к_файлу_пользователей это путь указанный в...
36774. МЕДИЦИНСКАЯ СЛУЖБА ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ 128 KB
  В условиях войны с применением современных средств поражения потери среди мирного населения могут существенно возрасти, так как новейшие средства доставки позволяют вероятному противнику поражать не только прифронтовые
36775. Определение момента инерции махового колеса методом колебаний 161.5 KB
  Момент инерции тела I относительно произвольной оси равен сумме момента инерции I0 относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела т на квадрат расстояния а между осями
36777. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ 1.87 MB
  Интегральные микросхемы предназначены для выполнения различных операций как с аналоговыми так и с цифровыми электрическими сигналами. С помощью определенных внешних цепей часть выходного сигнала можно направить обратно на вход. Цель обратной связи в этом случае представляет собой единственный резистор RОС который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход.8 можно представить в виде: ...