Главная » 2013 » Ноябрь » 14 » Скачать Экспериментальное исследование оптических свойств материалов с многократным рассеянием. Варавва, Андрей Сергеевич бесплатно
16:48
Скачать Экспериментальное исследование оптических свойств материалов с многократным рассеянием. Варавва, Андрей Сергеевич бесплатно
Экспериментальное исследование оптических свойств материалов с многократным рассеянием
Диссертация
Автор: Варавва, Андрей Сергеевич
Название: Экспериментальное исследование оптических свойств материалов с многократным рассеянием
Справка: Варавва, Андрей Сергеевич. Экспериментальное исследование оптических свойств материалов с многократным рассеянием : диссертация кандидата технических наук : 01.04.14 Москва, 2005 162 c. : 61 05-5/2174
Объем: 162 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
Глава 1 МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СРЕД L1 Методы и средства фотометрических измерений
12 Методы и средства люминесцентного анализа
13 Методики и аппаратное обеспечение спектрофотометрии
14 Структурный анализ и обработка изображений для диагностики среды
15 Методы математического моделирования
16 Оптическая томография
17 Фотоактивация активных молекулярных комплексов
18 Особенности взаимодействия поляризованного излучения со средами, реализующими многократное рассеяние
19 Постановка и обоснование задач исследования
Глава 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕД С МНОГОКРАТНЫМ РАССЕЯНИЕМ И СОЗДАНИЕ УСТАНОВКИ
21 Экспериментальная установка для измерения оптических характеристик материалов
22 Выбор длины волны зондирующего излучения фотометра спектроанализатора
23 Описание конструкции фотометра спектроанализатора
24 Методика тестирования фотометра
241 Тестирование стабильности работы приемных трактов
242 Тестирование работы излучающей системы
243 Исследование влияния температуры окружающей среды на работу фотометра
25 Методика проведения калибровки фотометраспектроанализатора в абсолютном варианте
26 Методика калибровки фотометра при измерении в относительном варианте
27 Методика измерения индикатрисы отражения при нормальном падении монохроматического пучка зондирующего излучения
28 Описание конструкции спектрометра
29 Методика калибровки спектрометра
210 Схема рефлектометрической установки
211 Методика обработки изображения
2111 Двухмерные функции Эрмита
2112 Алгоритм обработки оптического сигнала
212 Выводы
Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
0ПТР1ЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕД С МНОГОКРАТНЫМ РАССЕЯНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ
31 Экспериментальное исследование влияния глубины проникновения лазерного излучения в рассеивающую среду на распределение интенсивности излучения, рассеянного средой, и отражательную способность
311 Исследование пропускательной способности и изображений в случае прохождения излучения через слой мутной среды разной толщины
32 Исследование характера распространения лазерного излучения в многократно рассеивающей среде
33 Экспериментальное исследование влияния толщины слоев 'многослойных композиций на отражение и прохождение света через среду
34 Поиск оптимальных длин волн лазерного излучения стимулирующих люминесценцию в средах с многократным рассеянием
35 Экспериментальное исследование оптических свойств материалов
351 Исследуемые материалы
352 Экспериментальные результаты
3521 Оптические свойства политетрафторэтилена
3522 Оксид алюминия и диоксид циркония
3523 Пластики на основе эпоксидных связующих
3524 Оценка погрешности эксперимента
353 Обсуждение результатов
36 Исследование биологических сред
361 Сравнение используемых спектрометрических методик
362 Спектрофотометрические исследования биологических сред
37 Обработка оптического портрета в прошедшем и отраженном свете как метод выявления информативных признаков о структуре материала НО
371 Результаты обработки изображений НО
38 Выводы
Глава 4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МАТЕРИАЛАМИ, РЕАЛИЗУЮЩИМИ МНОГОКРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ
41 Применение теории Гуревича-Кубелки-Мунка для расчета прохождения света через среду с многократным рассеянием на примере фторопласта
42 Сравнение экспериментальных результатов с результатами численного эксперимента
43 Выводы
Введение:
Актуальность темы. Разработка и создание новых типов функциональных и конструкционных материалов является одним из важнейших научных приоритетов. Динамично развивающиеся предприятия космической отрасли заинтересованы сегодня в создания новых материалов, которые бы в достаточной мере обеспечивали безопасность пилотируемых космических полетов, надежность и долговечность космических аппаратов.Большинство перспективных материалов космической техники /1-3/ являются средами с многократным рассеянием /4-5/. К таким средам относится часть композитных материалов (керамики, пластики, пластмассы), жидкие кристаллы, суспензии, краски и эмали, бумага 161. Особую область среди сильно рассеивающих материалов занимают органические среды и биологические материалы, которые находят широкое применение и являются перспективными из-за своих особых свойств (способность самовосстановления и самоорганизации) /7-13/. Широкое использование материалов с многократным рассеянием, а также возможность появления в ближайшее время перспективных материалов с самоорганизацией требует создания новых адекватных комплексных методов исследования свойств таких материалов. Оптические методы исследования материалов традиционно широко используются в материаловедении, т.к. позволяют проводить исследования бесконтактно и без нарушения свойств среды («информационное» излучение на уровне единиц мВт), как в процессе производства, так и в период эксплуатации изделия /14-22/. Это связано с тем, что оптическое излучение обладает различной проникающей способностью, определяемой как длиной волны зондирующего излучения, так и структурой объекта исследования (прозрачная, полупрозрачная среды и т.д.). Кроме того, оптическое излучение может стимулировать процесс люминесценции, которая в этом случае выступает в роли дополнительного информативного признака структурного состояния материала. Наряду с этим в процессе рассеяния излучения может осуществляться и дифракция света на структурных составляющих. И, наконец, т.к. первично процессы теплообмена на борту космического аппарата определяются, в частности, и взаимодействием внешнего покрытия аппарата с солнечным излучением /23, 24/, то для оценки этих процессов необходимо знание оптических свойств материалов покрытий космических аппаратов в диапазоне длин волн от 200 до 2500 им.Деградация защитного покрытия под действием факторов космического пространства приводит к уменьшению толщины и нарушению функций покрытия /25-26/. Уменьшение толщины слоя многослойного тепло радиационного покрытия, выполненного из полимерных композитных материалов, является причиной изменения оптических свойств покрытия.Поэтому одной из задач является определение влияния изменения толщины слоев многократно рассеивающих материалов на отражательную способность многослойной композиции.Все это заставляет сформулировать задачу разработки и создания методики оптической диагностики твердотельных структур (особенно, сред с многократным рассеянием) с целью получения дополнительной информации о структуре объекта, используя оптические эффекты - дифракцию и люминесценцию. Очевидно, что разработка комплексной оптической методики, которая бы определяла монохроматическую нормальнополусферическую отражательную и пропускательную способности, индикатрису рассеяния при нормальном падении, спектр люминесценции, использовала бы обработку изображений для выявления структурной компоненты, повышающей достоверность и информативность исследований, ориентированной на исследование перспективных материалов с многократным рассеянием, включая биологические среды, является актуальной задачей.При разработке комплексной методики необходимо отталкиваться от того факта, что в общем случае корректность измерения оптических свойств (отражательной, пропускательной способностей, индикатрисы расеяния) среды с многократным рассеянием будет определяться следующими факторами: 1. стабильностью параметров измерительной аппаратуры; 2. корректностью методики измерения отражательной и пропускательной способности, связанной с особенностями формирования объема рассеяния, распределением излучения в объеме оптически мутной среды и структурой излучения; 3. свойствами поверхности (шероховатость, оптические константы); 4. толщиной рассеивающей среды и ее многослойностью, внутренней структурой среды (наличие крупных неоднородностей, пор и структурных образований, приводящих к дифракции); 5. физико-химическими процессами, происходящими в среде под действием внешних факторов (люминесценция, образование активных молекулярных форм и свободных радикалов, фазовые переходы, деградация среды).Цель работы: Исследование возможностей комплексной оценки монохроматической отражательной, пропускательной способности и индикатрисы рассеяния при нормальном падении излучения с анализом люминесценции и выявлением информативных признаков методами обработки изображений для материалов с многократным рассеянием.Задачи и этапы исследования. Общая цель работы определила основные задачи и этапы исследования: 1. Разработать комплексную методику для проведения измерений в абсолютных и относительных единицах монохроматического нормально-полусферического отраженного потока оптического излучения и люминесценции, монохроматической нормальнополусферической отражательной и пропускательной способностей, индикатрисы рассеяния при нормальном падении излучения.2. Разработать экспериментальную установку в соответствии разработанной методикой.3. Исследовать оптические свойства и особенности взаимодействия излучения с веществом на разработанной установке для одно- и двухслойных модельных сред с многократным рассеянием.4. Провести экспериментальные исследования монохроматической нормально-полусферической отражательной и пропускательной способностей для материалов с многократным рассеянием в области длин волн 200-2500 нм.5. Определить влияние изменения толщины рассеивающих слоев двухслойной композиции мутных сред на примере фторопласта на монохроматическую нормально-полусферическую отражательную способность.6. Исследовать возможности восстановления внутренней структуры материалов с сильным рассеянием методами обработки изображений при разных условиях внешнего подсвета.Были поставлены и решались задачи поиска путей оптимизации измерений оптических характеристик сред с многократным рассеянием и построения измерительной аппаратуры нового типа для мониторинга состояния объектов и конструкций, выполненных из оптически мутных материалов.Объект и предмет исследования. В качестве модельного материала для исследования оптических свойств был выбран фторопласт 4.Экспериментально исследовались оптические свойства многокомпонентных сред с многократным рассеянием (оптически мутные среды): композитные материалы, полимеры, биологические ткани. Исследовалось влияние варьирования толщины слоев двухслойных композиций сред с многократным рассеянием на нормально-полусферическую отражательную способность, как с эффектом люминесценции, так и без него. Исследовалась возможность выявления информативных признаков о структуре среды на основании обработки изображений исследуемых образцов при внешнем подсвете.Методы и устройства. Для экспериментального исследования оптических свойств материалов использованы методы фотометрии и спектрометрии, а также их комбинация. Для получения экспериментальных данных использовался разработанный фотометр-анализатор спектра с системой подстройки угла зрения, разработанный спектрометр, установка лазерная электронно-спектральная ЛЭСА 4 (ЗАО «Биоспек», Москва), рефлектометрическая установка (Shimadzu). Структурный анализ выполнялся с помощью методов обработки изображений, для чего проводился анализ оптических портретов зон взаимодействия излучения с веществом (оптическая фильтрация). Изображения зон взаимодействия фиксировались цифровыми камерами на основе ПЗС-матриц {Agfa ePhoto ACD-780C и Kodak DS215 Zoom).Научная новизна. Представлена комплексная методика определения оптических свойств сред с многократным рассеянием, которая реализуется с помощью следующих измерений и устройств: 1. Фотометрические измерения монохроматической нормальнополусферической отражательной и пропускательной способности на длине волны 0,б6мкм.2. Управляемая диафрагма для измерения индикатрисы рассеяния при нормальном падении.3. Измерения спектра отраженного и прошедшего излучения для получения первичной информации о составе среды и мониторинга изменений, происходяш;их в среде под действием, как зондирующего излучения, так и внешних факторов.4. Спектрофотометрические измерения люминесценции, спектральный состав которой несет в себе информацию о молекулярном составе среды, что позволяет характеризовать процессы, происходящие в исследуемой среде.5. Методика дифракционной фильтрации изображений, основанная на разложении сигнала по собственным функция преобразования Фурье функциям Эрмита, что позволяет выявить в сильно рассеянном излучении структурную составляющую. Работа проводилась совместно с кафедрой математической физики, факультета Вычислительной математики и кибернетики, МГУ. Практическое значение результатов. Разработанная методика нашла применение для измерения оптических свойств и контроля качества изготовления композитных материалов (керамики, стекло-, угле-, и органопластики). Работа проводилась для ФГУП «ОЬШП «Технология» (Обнинск, Федеральное агентство по промышленности).На основе указанной методики были разработаны и созданы: накладной фотометр-анализатор спектра, предназначенный для исследования оптических свойств сред с многократным рассеянием и эффектом флуоресценции, разработана методика калибровки данного устройства; разработан и создан высокочувствительный спектрометр для люминесцентного анализа.Разработана методика регистрации изображений для выявления структурной составляющей. Эта методика является перспективной для создания оптических томографов нового типа (работа поддержана грантом РФФИ - 03-02-26797). Часть исследований работы проводились в рамках гранта РФФИ НШ-1279.2003.8.Разработанный фотометр-анализатор спектра прошел испытания в Московском областном научно исследовательском клиническом институте (МОНИКИ). Прибор применялся для исследования оптических свойств живых биологических тканей и позволил впервые получить абсолютные фотометрические данные на длинах волн люминесценции.Апробация работы. Материалы диссертации изложены в 21 публикациях, которые приведены в списке опубликованных работ, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах: 7 и 8 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, МЭИ (2001г., 2002г.); конференция «Лазеры для медицины, биологии», СанктПетербург, 21-22 ноября 2001 г; конференции «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, БГТУ (июнь 2003г, июнь 2004г); 7-ой международный симпозиум «Laser Metrology Applied to Science, Industry and Everyday Life - LM02», Новосибирск сентябрь 2002г; Международный симпозиум «European Conference on Biomedical Optics», июнь 2003г., Мюнхен, Германия; 10-ая научно-практическая конференция «Новейшие технологии физиотерапии и восстановительной медицины», май 2004г., Институт повышения квалификации. Федеральное управление медикобиологических и экстремальных проблем при Минздраве России; Научнопрактическая конференция «Современные физиотерапевтические технологии восстановительной медицины», декабрь 2003г., Институт повышения квалификации. Федеральное управление медико-биологических и экстремальных проблем при Минздраве России.Проект «Многофункциональный фотометр - спектроанализатор для лечения и диагностики» принял участие в конкурсе «Конкурс русских инноваций - 2003» (журнал «Эксперт») 2002-2003 г., а также демонстрировался на выставке «Новые приборы и методы диагностики и терапии» в рамках общей совместной сессии РАН, РАМН, РАСХН, президиум РАН, Москва, декабрь 2003г.Положения, выносимые на защиту: 1. Метод и устройство (фотометр — анализатор спектра) для измерения монохроматической нормально-полусферической отражательной способности на длине волны 0,66 мкм в активном режиме (с использованием встроенного источника излучения) и монохроматической нормально-полусферической пропускательной способности в пассивном режиме (с использованием внешнего источника излучения), с возможностью проводить спектральный анализ люминесценции, вызванной зондирующим излучением, и возможностью восстанавливать индикатрису рассеяния при нормальном падении излучения.2. Метод калибровки фотометра-спектроанализатора для измерений мощности потоков излучения в абсолютных единицах.3. Устройство (спектрометр) для определения спектра излучения прошедшего или рассеянного в обратном направлении средой с многократным рассеянием.4. Экспериментальные и теоретическое исследование влияния изменения толщины слоев однослойной и двухслойных композиций на монохроматическую нормально-полусферическую отражательную способность, пропускательную способность и индикатрису рассеяния при нормальном падении для среды с многократным рассеянием.5. Применение результатов методики обработки изображений, основанной на разложении сигнала по собственным функция преобразования Фурье функциям Эрмита для анализа взаимодействия излучения со средой и выявления в сильно рассеянном излучении структурной составляющей на примере сложноструктурированных объектов (биотканей).6. Результаты экспериментальных исследований оптических свойств материалов с многократным рассеянием, включая биологически среды.Личный вклад автора. Автору принадлежат идеи постановки экспериментов, их реализация, включающая создание измерительных установок, подготовку образцов, проведение измерений, обработку и интерпретацию результатов экспериментальных исследований.
