Актуальность темы
Современное развитие оптических информационных и телекоммуникационных технологий базируется на достижениях когерентной оптики пленочных и волоконных структур. Одной из наиболее актуальных проблем этого направления интегральной оптики является обеспечение оптического контакта между планарной пленочной интегрально-оптической структурой и волоконными световодами. Решение этой проблемы требует как исследования процессов распространения лазерного излучения в однои двумерных системах, так и разработки новых оптических сред.
Среди перспективных направлений современной физической оптики и оптического приборостроения наиболее активно развивается оптика солитонов — уединенных электромагнитных волн, которые позволяют достичь предельных скоростей передачи и обработки информации [1]. Уже физически и технически реализован режим передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических линиях связи с помощью солитонов. Дальнейший прогресс солитонных технологий связывается с выдвинутой в 2001 г. концепцией дискретно-солитонных сетей, основанных на планарной системе связанных оптических волноводов в пределах одной пленочной структуры. В этих сетях оптические пучки вводятся в пленочную систему волноводов, которые выступают в качестве оптических проводов, по которым передаются солитоны.
В настоящее время в достаточно большой степени исследованы различные периодические системы связанных оптических волноводов на основе твердотельных и жидкокристаллических пленок. Подобные интегрально-оптические схемы представляют собой особый тип систем, в которых могут быть возбуждены новые виды пространственных солитоновпространственно локализованных волноводных мод. В пределах каждого отдельного волновода дифракция излучения не происходит, но оптический пучок, тем не менее, может расширяться в системе в целом из-за связи между волноводами. Это расширение называют дискретной дифракцией, поскольку расхождение пучка выглядит как расщепление (мультипликация) на веер отдельных тонких треков. Дискретная дифракция в системе связанных волноводов позволяет управлять лазерными пучками, что обычно невозможно в сплошной среде или в одиночном световоде. Это обстоятельство важно для таких операций обработки информации как мультипликация лучей, их маршрутизация, дискретизация и пространственно-временная селекция.
Особый интерес в последних исследованиях этого направления представляют т.н. оптические самонаведенные волноводы, когда световодные структуры возникают в пленке за счет фоторефрактивной нелинейности. Если пленка или мембрана сформирована из светочувствительного вещества, то происходит самозапись волноводов, что позволяет в принципе разработать уже самоорганизующиеся нанотехнологии синтеза состыкованных интегрально-оптических и волоконных элементов схемы.
Эти обстоятельства делают актуальной тему исследования процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках и мембранах.
К моменту начала настоящего исследования в работах [2−6] было впервые показано, что излучение лазера, сфокусированное собирающей линзой и введенное в торец свободной мыльной пленки, представляющей собой планарный симметричный волновод, разбивается в пленке на совокупность тонких узких треков. Были установлены следующие свойства и особенности распространения треков [2−6]:
1. Треки возникают в свободных жидких мыльных пленках толщиной менее 10 мкм при использовании любых лазеров (с длиной волны излучения от 440 нм до 1 мкм) при фокусировке излучения мощностью от 10 мкВт до 10 кВт. В объеме мыльных растворов и на их поверхности при таких же условиях лазерного возбуждения треки не возникают. Треки не появляются в тонких мыльных пленках на зеркале, ртути или диэлектриках (слюда, полиэтилен), а также в самых тонких (3−5 мкм) твердотельных пленках слюды, полиэтилена и тефлона.
2. Расходимость треков меньше дифракционнойони хаотически по времени меняют направление своего распространения в жидкой пленке, создают ответвления, пересекаются без видимого взаимодействия, разбиваются на новые треки и могут иметь длины пробега в десятки сантиметров.
3. Треки возникают и выходят из одной точки от одного до семи (иногда более 20) и существуют как отдельные объекты.
4. В пленке треки изменяют направление около крупных пылинок, не замечают влияния мелких пылинок, пересекающих их потокових вид (ширина) практически не зависит от мощности лазера, длины волны, вида и концентрации мыла, температуры и толщины пленок.
5. В пленках из мутных растворов с большим количеством рассеивающих центров, в объемных растворах которых лазерный луч рассеивается и виден на расстоянии около 1 см, треки имеют дендритную (ветвистую) структуру с широкой кроной из очень тонких лучей.
6. Треки без временной задержки перемещаются по пленке вместе с лазерным лучом, изменяются при изменении его направления, и время их образования не превышает 10 нсек.
Таким образом, было известно, что разбиение лазерного излучения на треки устойчиво наблюдается в жидких мыльных пленках и имеет динамический характер. В [2−6] на уровне гипотезы была сделана попытка объяснения механизма образования треков в пленке с учетом структуры свободной жидкой мыльной бислойной пленки.
Однако наряду с этими результатами оставались неясными следующие аспекты данного явления:
• возможность и достоверное доказательство разбиения лазерного излучения на треки в других жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от пленок поверхностно-активных веществ (мыла);
• свойства треков, если их возникновение возможно в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от бислойных мыльных пленок и растворов;
• причины разбиения лазерного излучения, введенного в пленку, на совокупность треков только один раз, при отсутствии порогового значения интенсивности, необходимого для возникновения треков.
В связи с вышеизложенным актуальным является исследование процессов дискретной дифракции лазерного излучения в пленках, обладающих структурой, отличной от структуры пленок поверхностно-активных веществ, установление возможного механизма возникновения треков лазерного излучения.
Целью работы являлось исследование дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических (включая желатин — полимер биологического происхождения) пленках и установление возможного механизма, лежащего в основе разбиения лазерного излучения на треки. В связи с этим в работе решались следующие задачи:
• Исследование распространения лазерного излучения в жидких и не жидких пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ (мыла);
• Изучение свойств треков, если их возникновение возможно, в других пленках и средах, отличающихся по своему составу и строению от мыльных пленок и растворов;
• Исследование структуры и пространственного распределения фазовых неоднородностей пленок, использующихся в качестве объектов исследования;
• Определение возможности формирования в светочувствительной пленке самозаписанной системы волноводов.
Методы исследования. Экспериментальный анализ процесса взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с пленками, мембранами и растворами проводился на основе современной методологии когерентно-оптических исследований с учетом таких явлений как саморефракция излучения на светоиндуцированных неоднородностях, фазовой структуры пленки, визуализируемой методами теневой оптики. Для выявления механизма взаимодействия лазерного излучения с пленочными структурами использовалось компьютерное моделирование процесса дискретной дифракции когерентного излучения на фазовых неоднородностях слоя. В качестве объектов исследования использовались растворы поверхностно-активных органических веществ (мыла), водные желатиновые растворы, светочувствительные желатин-глицериновые хромированные эмульсии, синтезированные по технологии формования самопроявляющихся голографических регистрирующих сред. Для интерпретации полученных экспериментальных данных использовались концепции физической оптики, теории колебания и вейвлет-анализа.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Впервые зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.
2. Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются ее мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводными свойствами пленки.
3. Установлены свойства и особенности распространения треков в полимерных пленках.
4. Впервые показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.
5. Впервые показано возникновение треков в объеме раствора, из которого формовались пленки.
6. Полученные результаты представляются значимыми для разработки теоретической биофизической модели механизма действия низкоинтенсивного лазерного излучения на биообъекты, учитывающей клеточную структуру живой ткани и природу клеточных мембран.
Практическая значимость. Полученные результаты служат основой для теоретической и экспериментальной разработки принципов лазерного манипулирования (управления движением) ансамблями микрочастиц, находящихся в пленочной мембране, при волноводном распространении когерентного излучения в монои бислойных пленках, в том числе находящихся на поверхности твердых тел. Также они представляются значимыми для разработки нанотехнологии лазерного манипулирования микрочастицами в жидкой фазе вещества при формировании различных твердотельных интегральных схем, например, при жидкостной эпитаксии.
Результаты проведенных исследований могут послужить физической основой для разработки новых методов диагностики пленочных структур, в том числе модельных биологических мембран и смазочных пленок при исследовании динамики процесса абразивного износа различных поверхностей.
Среди возможных применений эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки можно выделить воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани — биостимуляцию. Возникновение узких треков лазерного излучения в жидких биоорганических мембранах позволяет по-новому объяснить эффект лазерной биостимуляции в живых тканях под действием низкоинтенсивного когерентного излучения и уточнить методы дозометрии при планировании соответствующих терапевтических процедур в практическом здравоохранении.
Связь с программами НИР. Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательскнх работ, проводимых в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте) на кафедре электрооборудования и оптоэлектронных средств воздушной разведки в рамках темы НИР «Спекл-оптические методы исследования поверхностей и подповерхностной структуры объектов» и по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 05−08−33 639.
Основные защищаемые положения:
1. Причиной дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения являются квазипериодические фазовые неоднородности жидко-пленочной системы, возникающие, в частности из-за наличия капиллярных волн при свободном расположении пленки в рамке. Разбиение лазерного излучения на треки происходит в соответствии с условием поперечного резонанса для планарной волноводной структуры. Само явление дискретной дифракции происходит в пленках монослойной, а не только бислойной (как в мыльном растворе), структуры.
2. Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием. Пространственная картина дискретной дифракции (разбиения на треки) обладает динамическими свойствами, соответствующими динамике пленкообразующей жидкости и движению инициирующего лазерного пучка.
3. В пленках на основе светочувствительных самопроявляющихся желатин-глицериновых хромированных эмульсий в процессе их студенения может осуществляться самозапись волноводных структур. Свойства самозаписанных световодов определяются условиями ввода инициирующего излучения и химическим составом самой эмульсии.
4. Параметрами дискретной дифракции лазерного монохроматического излучения в жидких пленках можно управлять, изменяя способ ввода инициирующего пучка и длину волны излучения, форму и геометрические размеры пленки, ее физико-химический состав и способы возбуждения динамических квазипериодических неоднородностей (применяя, например, ультразвуковое облучение).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на.
• Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of optoand microelectronics (APCOM) «(Хабаровск — 2004 г., Владивосток — 2005 г.);
• Федеральной конференции «Школа по голографии — 2007» (Иркутск — 2007 г.);
• VI Региональной школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005);
• «Научной сессии МИФИ-2007, 2008»;
• Иркутских городских научно-методических семинарах «Физика наукоемких технологий»;
• семинарах Иркутского Высшего Военного Авиационного Инженерного Училища (Военного Института);
• семинарах Иркутского Государственного Медицинского Университета;
• семинарах Иркутского Государственного Педагогического Университета;
• семинарах Дальневосточного Государственного Технического Университета;
• семинарах Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.
Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы (77 наименований), изложенных на 141 странице и содержит 87 рисунков, 1 таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемых в работе задач. Определена цель работы. Изложены научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.
В первой главе диссертационной работы рассматриваются данные о свойствах и особенностях распространения треков, установленные в [2−6], а также гипотетический механизм, предложенный в [5, 6]. Проводится обзор других предложенных гипотез о возможных механизмах возникновения треков, описан объект исследования. На основе приведенных данных выделены вопросы, исследование которых актуально для установления свойств треков и развития современных представлений о возможном механизме их возникновения.
Во второй главе описана методика получения объектов исследования, методика проведения и результаты экспериментальных исследований дискретной дифракции лазерного излучения в жидких органических пленках различной формы. Показано, что разбиение лазерного излучения на совокупность узких треков, наблюдалось в свободных тонких жидких пленках, имеющих разное структурное строение и созданных из растворов, имеющих разный химический состав. Установлено, что время существования и подвижности треков в пленках зависит от химического состава и концентрации растворов, а также условий эксперимента. Динамические свойства картины разбиения на треки обусловлены динамикой пленкообразующей жидкости и движением инициирующего лазерного пучка. Показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе самопроявляющегося дихромированного желатина позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.
Эксперименты по исследованию распространения лазерного излучения в объеме растворов, из которых получали пленки, показали, что на поверхности и в объеме мыльного раствора различной концентрации при вводе лазерного излучения разбиения на узкие треки не наблюдалось. При введении же сфокусированного лазерного излучения в мениск, образующийся на границе поверхности прозрачного желатин-глицеринового раствора и кюветы, лазерное излучение разбивалось на совокупность узких треков, которые распространялись далее в объеме раствора вследствие отражения от дна кюветы и его поверхности.
В третьей главе рассматривается возможный механизм дискретной дифракции. Обобщая результаты экспериментов по исследованию структуры и пространственного распределения фазовых неоднородностей пленок теневым прибором, была выдвинута и рассматривается гипотеза, согласно которой разбиение лазерного излучения на треки происходит в результате его дифракции на локальных неоднородностях при вводе излучения в пленку. При этом, дифрагируя на неоднородностях, излучение лазера отклоняется на различные углы, как в плоскости пленки, так и в толще пленки. Из всех возбуждаемых в этом случае в пленке волноводных мод в виде треков распространяются только те, для которых выполняется условие поперечного резонанса.
Результаты проведенного численного моделирования распределения интенсивности лазерного излучения в плоскости пленке после его дифракции на фазовых неоднородностях среды, а также теоретически рассчитанные в соответствии с условием поперечного резонанса возможные направления распространения излучения в пленке как планарном волноводе, позволяют сделать вывод о том, что треки, действительно представляют собой каналы распространения излучения, соответствующие волноводным модам пленки.
В главе также рассмотрены возможные причины, обуславливающие движение треков. С учетом экспериментальных результатов причиной движения треков, по-видимому, является движение раствора в пленке. Косвенным подтверждением этого является тот факт, что движение треков отмечается только в пленках, в которых происходит движение раствора.
В четвертой главе рассматриваются возможные применения эффекта разбиения лазерного излучения на треки при его вводе в пленки, среди которых можно выделить следующие:
1. Воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани — биостимуляция;
2. Диагностика процесса абразивного износа различных поверхностей. Также в главе приводятся результаты эксперимента по изучению распространение лазерного излучения в пленке с искусственно созданными прозрачными неоднородностями, имеющими больший показатель преломления, чем материал пленки. Выявлено, что наличие в пленке неоднородностей, приводит к уменьшению расстояния распространения треков. Визуальное сравнение полученных результатов, показало, что размеры неоднородностей (капель масла), находящихся в области ввода излучения в пленку, обуславливают отличия в характере распространения излучения в пленке. Наличие преимущественно мелкомасштабных по размеру неоднородностей приводит к исчезновению лазерных треков. Если же в области ввода наблюдаются преимущественно крупномасштабные неоднородности, то треки лазерного излучения возникают, хотя направление их распространения при этом изменяется, а пройденное ими расстояние уменьшается.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Автор выражает благодарность Синицыну И. А., Кукаркину В. Н., Бородину А. Н., Неупокоевой А. В., Шевченко Е. В. за помощь в работе.
Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:
1. Экспериментально посредством визуализации фазовой структуры пленки установлено, что причиной дискретной дифракции излучения в пленке являются ее мелкомасштабные неоднородности, а сама дискретизация пучка на отдельные треки связана с волноводными свойствами пленки.
2. Зарегистрировано возникновение треков лазерного излучения в жидких органических пленках, отличных по своей структуре от бислойных пленок поверхностно-активных веществ.
3. Дискретная дифракция лазерного монохроматического излучения в пленках может происходить только при достаточной мобильности ее компонентов, что обеспечивается ее жидким состоянием.
4. Установлено, что время существования и подвижности треков в пленках зависит от химического состава и концентрации растворов, а также условий эксперимента. Динамические свойства пространственной картины дискретной дифракции (разбиения на треки) обусловлены динамикой пленкообразующей жидкости и движением инициирующего лазерного пучка.
5. Показано, что использование в качестве материала для создания свободных пленок светочувствительных сред на основе хромированных коллоидов позволяет зафиксировать возникающие в пленке треки в виде индуцированных ими фазовых неоднородностей.
6. Параметры пространственной картины разбиения на треки зависят от свойств пленки, формы и геометрических размеров пленки. В частности, показано, что увеличение мутности пленки приводило к сильному рассеянию света и снижению контрастности картины разбиения. В системах, состоящих из нескольких изогнутых пленок, возникающие при разбиении лазерного излучения треки, распространяются в пределах той пленки, в которой они были инициированы.
7. В экспериментах не было замечено зависимости эффективности возникновения треков от плотности мощности в фокусе вводимого в пленки и растворы излучения, которая изменялась примерно от 4.
2 2 Вт/см до 900 Вт/см, а также способа его ввода в пленки.
Заключение
.
