Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей

Актуальность темы

.

Вопросы точного измерения перемещений и скоростей будут всегда занимать в науке и технике исключительно важное значение, поскольку движение является основой всех процессов, протекающих в окружающем нас мире. Существуют различные методы контроля и измерения указанных величин, однако наибольшей точностью 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, возникли новые направления — лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия. Исследования в этом направлении показали, что лазерные методы и средства позволяют бесконтактным способом и дистанционно измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне измеряемых величин. Благодаря развитию универсальных фазочувст-вительных лазерных методов достаточно быстро выросла сфера их научных и технических приложений. В настоящее время лазерные системы широко используются не только как метрологическая основа большого поля измерительной техники, такой как дальнометрия, анемометрия, деформография, локация, спектрометрия светового рассеяния и т. д., но и являются мощным научным инструментом в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы, химии, биологии, медицине и др. В зависимости от сложности решаемых задач адекватно возрастают и требования как к самим лазерным методам и средствам измерения и исследования, так и их совершенствованию. Прошло уже около 30 лет с тех пор, как лазерные методы измерения перемещений и скоростей начали свое бурное развитие.

Впервые лазерный интерферометр для измерения механических колебаний был представлен в 1962 году в работе [1], а схема первого лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) для локальных измерений жидкостных потоков в 1964 году в [2]. Чуть позднее появились лазерные интерферометры перемещений (ЛИП) [3,.

4], предназначавшиеся для регистрации деформаций земной поверхности. В шестидесятые годы поток научных сообщений, посвященных измерениям перемещений и скоростей, был настолько велик, что уже через десять лет со времени первых публикаций начали появляться обобщающие обзоры и монографии [5, 6] с теоретическим и практическим обоснованием множества различных схем и применений. Однако, развитие лазерных методов измерения не ограничивалось анализом и применением известных интерферометров Фабри-Перо, Майкельсона, Жамена, Маха-Цандера и др. Например, в [7] и [8] для исследования слабого обратного отражения и рассеяния предложено в качестве гетеродина использовать сам лазер.

Постепенно расширялся и круг объектов, интересных для спектроскопии светового рассеяния. Так, в [9] начали применять метод лазерной доплеровской анемометрии для изучения движения крови в артериях сетчатки глаза, а в [10] для внутреннего измерения скорости кровотока уже использовался световод. В свою очередь, чтобы повысить точность металлообработки и формообразования деталей машин и механизмов быстро росла сфера использования лазерных интерферометров перемещений в точном машиностроении [11].

Современные методы лазерной интерферометрии и доплеровской анемометрии постоянно развиваются и совершенствуются по мере решения одних и возникновения новых научно-технических проблем. Одной из нерешенных проблем, очень важной с точки зрения медико-биологических приложений, являлось измерение очень малых скоростей рассеивающих объектов мкм/с. 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 микрообъектов, сопровождающие седиментацию, тепловое броуновское движение или собственную двигательную активность с помощью традиционного метода лазерной доплеровской анемометрии невозможно из-за низкого его спектрального разрешения (Ау"50ч-100 Гц).

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 прогноза сейсмособытий. Создаваемые же 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. Несмотря на достаточно высокую относительную чувствительность таких систем, малая база измерений, дорогостоящая техника выработки протяженных искусственных тоннелей, необходимость применения вакуумных и герметичных лучеводов, отсутствие возможности реализовать многолучевые радиальные схемы измерения существенно ограничивают возможности их использования 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 фазочувст-вительных 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 открытой атмосферы с целью непрерывного геодинамического мониторинга и поиска предвестников землетрясенийб) высокочувствительного лазерного спектрометра светового рассеяния, пригодного 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 фазочувствительный 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 интерферометрическими системами регистрации деформаций земной коры.

• Экспериментально показано, что вследствие частотно-фазовых флуктуаций лазерного излучения в атмосфере, относительная чувствительность разработанных лазерных методик непрерывного измерения деформаций земной поверхности на базах Ь>1 км ограничена в диапазоне периодов собственных и приливных колебаний Земли величиной ~10″ 7. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазового лазерного деформографа, 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 СОглазерными дифференциальными методиками в режиме непрерывных фазовых измерений на базе ~Л 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 Т -41, что хорошо согласуется с известными теоретическими выводами. Экспериментально подтверждено наличие на высоких частотах асимптотической зависимости /~8/3 для спектральной плотности частотных флуктуаций.

• Гетеродинным Не-Ые-лазерным деформографическим комплексом, специально разработанным для измерений в присутствии атмосферы с высокой относительной чувствительностью 10″ 9- Ю" 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 рифтовой 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 ло-ренцевой части линии рассеяния при концентрациях латекса выше 10й 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 ценность.

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 в Горном Алтае.

Разработан и экспериментально исследован прецизионный спектрометр светового рассеяния со спектральным разрешением Д v/v ~ 10″ 15 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: № 1 362 923, № 1 748 058, № 2 082 085.

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 регистрировать естественные деформации земной коры в приливном диапазоне частот с относительной п чувствительностью ~10″ и детерминированные колебательные смещения в секундном диапазоне периодов на уровне 10″ 9.

2. Разработанный Не-Ие-лазерный деформограф с коротким компенсационным ин-терферометрическим плечом длиной ~1м обеспечивает на базах до 100 м в присутствии атмосферы в условиях штольни проведение измерений деформаций гор

2 7 ных пород в диапазоне периодов колебаний 10 — 10 с с относительной амплитудой на уровне Ю" 9 — Ю" 10 и позволяет регистрировать особенности деформационных процессов сейсмической зоны в земной коре накануне землетрясений, как предвестники сейсмособытий.

3. Созданный спектрометр светового рассеяния на основе синхронизованных по фазе лазеров с длиной волны А,=0.63 мкм обладает разрешающей силой Я > 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<с1<100 мкм.

4. Теоретически и прямыми экспериментальными наблюдениями установлено, что в дифференциальной схеме лазерного спектрометра форма линии рассеяния броуновскими сферическими частицами одинакового размера имеет лоренцев спектральный контур с полушириной, определяемой произведением коэффициента поступательной диффузии на квадрат разностного волнового вектора между зондирующими полями (Г = /У), 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» (Ленинград, 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 Лейпцигской ярмарке, где был удостоен диплома и золотой медали.

Публикации.

По теме работы диссертантом в соавторстве опубликовано 24 печатных работы.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Впервые предложена методика измерения малых линейных перемещений на больших расстояниях на основе созданной гетеродинной фазочувствительной лазерной системы с использованием двух синхронизированных оптических квантовых генераторов. Показано ее преимущество в условиях протяженных атмосферных трасс и слабого отраженного сигнала по сравнению с известными интерферо-метрическими системами.

2. Проведены исследования влияния нестационарной атмосферы на чувствительность гетеродинного лазерного интерферометра перемещений. Экспериментально показано, что интенсивность атмосферного шума, проявляемого в уширении спектральной линии зондирующего излучения зависит от метеоусловий, протяженности трассы и времени наблюдения в течение суток. Впервые установлено, что в среднем ширина линии излучения прошедшего трассу длиной L подчиняется закону Г ~ 41, что хорошо согласуется с теорией.

3. Независимым экспериментальным изучением спектральной плотности частотных и амплитудных флуктуаций лазерного поля выявлены два вклада в уширение линии излучения в турбулентной атмосфере вследствие частичной потери его пространственной и временной когерентности. Показано, что обе спектральные плотfs/з ности на высоких частотах имеют асимптотическую зависимость J, впервые экспериментально наблюдаемую для частотных вариаций.

4. В режиме непрерывных фазовых измерений с помощью He-Ne лазерной системы определены радиус когерентности лазерного поля в турбулентной атмосфере, а также внешний масштаб турбулентности и структурный коэффициент показателя преломления. Показано, что относительный уровень среднеквадратичных флуктуаций оптической длины измерительной базы за времена усреднения порядка и более 10 секунд составляют величину ~10″ 7. В специальном эксперименте зарегистрированы детерминированные перемещения порядка 1 мкм на частоте 0.5 Гц. Вследствие полного замирания фотоэлектрического сигнала при гетеродинном приеме на базах Ь"100м экспериментально обоснован переход от системы с дли ной волны 0.63 мкм к системе с длиной волны 10.6 мкм.

5. Представлены результаты разработки и исследования новых гетеродинных лазерных систем регистрации деформаций земной коры на больших расстояниях, основанные на дифференциальном принципе исключения влияния метеорологических условий. Одна основана на одновременном зондировании двух трасс одноволно-вым лазерным излучением, вторая — на регистрации вариации длины единственной трассы при одновременном зондировании ее на двух длинах волн. Экспериментально показано, что относительная чувствительность обеих схем к перемещениям на базах порядка 2 км, определяемая величиной порядка 10″ 7, позволяет в условиях разломов земной коры регистрировать приливные деформации.

6. Теоретическими оценками обоснована барометрическая схема большебазового лазерного деформографа, позволяющая в приливном диапазоне колебаний земной коры повысить относительную чувствительность к измеряемым перемещениям до уровня 10″ 8 — 10″ 9.

7. Экспериментально показано, что He-Ne лазерный гетеродинный деформограф с двумя равными ортогональными измерительными плечами без экранировки зондирующего излучения в условиях штольни позволяет регистрировать вариации разностной деформации земной коры в приливном диапазоне периодов от полусуток до года с относительной чувствительностью 10″ 9, а также собственные колебания Земли с абсолютной амплитудой смещения на уроне 5-(10″ 2 — 10°) мкм.

8. С помощью лазерных наблюдений в штольне Байкальской рифтовой зоны обнаружены особенности в поведении деформационного процесса накануне ряда сильных далеких и региональных землетрясений, проявляемых в виде значительных вариаций скорости деформаций земной коры за несколько суток до сейсмического события, что очень важно в изучении закономерности проявления предвестников землетрясений.

9. Разработан и внедрен в практику круглогодичных наблюдений в штольне БРЗ двухканальный автоматизированный лазерный комплекс с компенсационным коротким плечом, позволяющий непрерывно регистрировать в присутствии атмосферы абсолютную деформацию земной коры в каждом из двух ортогональных измерительных плеч с относительной чувствительностью в приливном диапазоне частот на уровне 10″ 9.

10. Впервые разработана методика измерения сверхнизких скоростей микрочастиц V<1 мкм/с на основе созданного гетеродинного дифференциального спектрометра светового рассеяния с использованием двух He-Ne лазеров синхронизованных между собой по фазе с разрешением Д v < 0.1 Гц. Теоретически и экспериментально показано, что уширение линии рассеяния на ансамбле сферических броуновских частиц одинакового размера, регистрируемое спектрометром, определяется ло-ренцевым спектральным контуром, ширина которого не зависит от направления и угловой апертуры приема рассеянного излучения и пропорциональна коэффициенту диффузии и квадрату разностного волнового вектора между зондирующими лазерными излучениями.

11. В спектре рассеяния на частицах латекса в воде с размеров d=0.12 мкм обнаружен пьедестал, спектральная ширина которого подчиняется линейной зависимости от разностного волнового вектора. При концентрациях латекса выше 1011 см" 3, когда период интерференционного поля становится больше среднего расстояния между частицами, наблюдается дополнительное уширение узкой лоренцевской части линии рассеяния.

12. Впервые 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. Дано объяснение наблюдаемому уширению спектральной линии рассеяния в плазме крови, связанного с присутствием тромбоцитов. Обнаружены специфические особенности собственной подвижности бактериальных клеток Escherichia coli в водных суспензиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.