МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

Овчаренко Андрій Олександрович

УДК 535.36

ЕФЕКТ СЛАБКОЇ ЛОКАЛІЗАЦІЇ СВІТЛА

ПРИ ЗВОРОТНОМУ РОЗСІЮВАННІ

ПОВЕРХНЯМИ ЗІ СКЛАДНОЮ СТРУКТУРОЮ

У ДІАПАЗОНІ ГРАНИЧНО МАЛИХ ФАЗОВИХ КУТІВ

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків-1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському державному університеті, Міністерство освіти України

Науковий керівник: доктор фізико - математичних наук, старший науковий співробітник, Шкуратов Юрій Григорович, завідувач відділом Астрономічної обсерваторії Харківського державного університету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Попков Юрій Андронович, завідувач кафедрою загальної фізики Харківського державного університету;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Корнієнко Юрій В’ячеславович, завідувач відділом обробки зображень ІРЕ НАН України.

Провідна установа: Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України; відділ оптичних та магнітних властивостей твердих тіл та відділ спектроскопії молекулярних та магнітних кристалів, м. Харків.

Захист відбудеться “ 2 “ квітня   1999 р. о _16-й_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.03 у Харківському державному університеті (310077, м. Харків-77, площа Свободи, 4, ауд. ім. К.Д. Синельникова).

З дисертацією можна ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету за адресою: 310077, м. Харків-77, площа Свободи, 4.

Автореферат розісланий “ “ 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пойда В. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефект слабкої локалізації хвиль (частинок) був відкритий незалежно в різних галузях фізики. Вперше як самостійне явище його було описано в планетології та названо опозиційним ефектом. Тут він проявляється у вигляді збільшення яскравості поверхні із зменшенням кута фази (тобто кута між напрямами “Сонце-планета” та “планета-спостерігач”) при вивченні твердих поверхонь небесних тіл, таких, як супутники планет (Місяць) та астероїди. Після цього ефект, подібний за природою, почав досліджуватися в багатьох галузях фізики твердого тіла та отримав назву ефекту слабкої локалізації квазічастинок. Зокрема, він виявляється у вигляді додаткового збільшення електричного опору у невпорядкованих провідниках за умови, що в них достатньо розвинуте багаторазове розсіювання електронів (андерсонівська локалізація електронів). Аналогічне явище (слабка локалізація хвиль) у радіолокаційних дослідженнях було назване ефектом когерентного підсилення зворотного розсіювання. Часто в роботах, які пов'язані з лабораторними вимірами зворотного розсіювання світла (ЗРС) в оптичному діапазоні, цей ефект називають ефектом слабкої локалізації світла.

Існує ряд теоретичних моделей, що описують ефект слабкої локалізації. Усі вони започатковані на врахуванні інтерференції хвиль (електромагнітних або де Бройля), що розповсюджуються по прямих та звернутих у часі траєкторіях.

Згідно з моделями ефекту слабкої локалізації світла, фазові залежності яскравості повинні містити в собі інформацію про структуру поверхні, а також про оптичні сталі речовини поверхні. Таким чином, використання цього ефекту може дозволити вивчати склад та структуру, напр., поверхонь безатмосферних небесних тіл. Щоб зрозуміти, як кількісно пов'язані параметри ЗРС із фізичними характеристиками поверхонь безатмосферних небесних тіл, необхідні лабораторні оптичні дослідження.

Хоч лабораторні дослідження ЗРС від твердих поверхонь складної структури здійснюються вже давно, проте, виміри цього ефекту при фазових кутах, менших від 10, де ефект слабкої локалізації світла найбільш виражено, практично не проводилися. Це, зокрема, стосується вимірів у неполяризованому світлі, що імітує освітлення небесних тіл. Дана дисертаційна робота ліквідує вказаний недолік.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота входить до плану бюджетної НДР АО ХДУ (№ держреєстрації 0197U002493), а також є частиною НДР, що виконується за підтримки Українського Фонду фундаментальних досліджень та

Фонду CRDF (грант №UG2-295). Роботу включено до планів міжнародних НДР, що проводяться на АО ХДУ спільно з вченими США, ФРН та Фінляндії.

Мета і задачі дослідження. Основною задачею даної роботи було експеримен-тальне дослідження зворотного розсіювання світла поверхнями складної структури у діапазоні гранично малих фазових кутів. Зокрема, в її задачі входило:

·

·

·

·

З метою розвитку оптичних засобів досліджень, зокрема для вимірів у діапазоні гранично малих фазових кутів, необхідно було розробити й виготовити фотометр, який міг би працювати як у поляризованому, так і у неполяризованому світлі в різних областях спектру.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше в лабораторних умовах у неполяризованому світлі у діапазоні гранично малих фазових кутів (0.2 - 3.50) досліджено зворотне розсіювання та вивчено ефект слабкої локалізації світла. Зокрема, виявлено чітко виражений вплив розмірів частинок поверхні на параметри ефекту. Показано, що у цьому діапазоні навіть порівняно темні поверхні з альбедо близько 10% виявляють помітний внесок інтерференційного підсилення світла у зворотне розсіювання. У ході досліджень було вперше знайдено залежність ширини піку слабкої локалізації, а також положення мінімуму на фазовій кривій показника кольору від розмірів частинок та альбедо поверхні.

Конкретні наукові результати та положення, що виносяться на захист.

1. Розробка та створення лабораторного фотометра-поляриметра для вивчення зворотного розсіювання світла на поверхнях складної структури у діапазоні гранично малих фазових кутів (0.2 - 3.50), який дав змогу провести вимірювання більш ніж ста зразків природного та штучного походження.

2. Експериментальне встановлення того, що у діапазоні фазових кутів 0.2 - 3.50 параметри зворотного розсіювання світла діелектричними порохуватими поверхнями залежать від розміру частинок, які її утворюють. Це свідчить про те, що у розсіюванні світла поверхнями, для яких суттєвим є багаторазове розсіювання, вирішальний внесок дає ефект слабкої локалізації світла.

3. Виявлення у діапазоні гранично малих фазових кутів колориметричного опозиційного ефекту. Це явище пов'язане із залежністю від альбедо частинок поверхні величини внеску ефекту слабкої локалізації світла до зворотного розсіювання.

4. Виявлення альбедної залежності фазового ходу у відношення крос- та ко- поляризованих складових світлового потоку, розсіяного діелектричними поверхнями. Фазовий хід цього відношення зі зменшенням альбедо поверхні стає більш положистим та, починаючи з деякого значення альбедо, змінює знак нахилу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено та створено прилад для дослідження особливостей ЗРС у діапазоні гранично малих фазових кутів. Дані лабораторних досліджень, отримані на цьому приладі, дають можливість адекватно інтерпретувати фазові залежності яскравості, які спостерігаються за допомогою телескопічних досліджень, та зображення поверхонь безатмосферних небесних тіл, що передаються космічними апаратами при малих фазових кутах. Зокрема, результати лабораторних вимірів, наведених у дисертаційній роботі, були використані для інтер-претації даних, отриманих космічним апаратом “Клементина” при зйомці поверхні Місяця та космічним апаратом “Галилей” при зйомці супутника Юпітера Європа. Крім того, ці результати можуть бути використані для перевірки та відбору теоретичних моделей формування фотометричної функції поверхонь зі складною структурою.

Таким чином, лабораторні дослідження ЗРС відкривають нові можливості у проведенні дистанційних досліджень поверхонь небесних тіл. У свою чергу, розуміння механізмів ЗРС на астрономічних об'єктах може бути використано для з’ясування деяких особливостей локалізації хвиль в інших галузях природознавства.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації створено лабораторний фотометр-поляриметр, що працює у діапазоні фазових кутів 0.2 - 3.50. Ним проведені та оброблені усі лабораторні виміри на цьому приладі. Автор брав участь у постановці основних задач лабораторних вимірів та написанні статей та тез доповідей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на Міжнародній конференції “Физика Луны и планет” (Харків, 1994 р.); на 2-й конфе-ренції “Физические явления в твердых телах” (Харків, 1995 р.); на 22, 24 та 28 міжнародних конференціях з проблем планетології (Москва, 1995, 1996 та 1998 рр.), а також на наукових семінарах Астрономічної обсерваторії Харківського держуні-верситету, кафедри фізичної оптики Харківського держуніверситету, Гельсінської обсерваторії, геологічного відділення університету Брауна (США) та планетного інституту DLR (Німеччина).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 праць, у тому числі 4 статті в наукових журналах та 3 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з передмови, чотирьох розділів, висновку та списку використаних літературних джерел із 121 найме-нування; вона викладена на 154 сторінках, містить 59 рисунків та 2 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У передмові обгрунтовано актуальність теми, мету та задачі роботи, наукову новизну та практичну цінність досліджень, перелічено конкретні наукові результати, що винесені на захист, а також наведено стислий зміст роботи.

Перший розділ “Ефект слабкої локалізації світла” присвячено огляду робіт, що стосуються досліджень ефектів локалізації хвиль, у тому числі ефекту слабкої локалізації світла. Зокрема, стисло розглянуто механізми ЗРС на порохуватих середовищах та наведено огляд праць, що присвячені ЗРС на твердих поверхнях небесних тіл. Особлива увага приділена працям, присвяченим лабораторним дослідженням ЗРС на зразках складної структури. Відзначається, що у зв'язку з деякими технічними та принциповими труднощами, до нещодавнього часу існував дефіцит лабораторних вимірів розсіяного світла при малих кутах фази, а модельних дослідів у діапазоні фазових кутів < 0 у неполяризованому світлі не проводилося.

У цьому розділі також описана модель, в рамках якої проведена інтерпретація результатів лабораторних вимірів. У кінці розділу сформульовані основні задачі даної дисертаційної роботи.

Другий розділ “Лабораторний фотометр-поляриметр для фазових кутів 0.2  .50” присвячено опису приладу для дослідження ЗРС на порохуватих зразках у діапазоні гранично малих кутів фаз.

При створенні лабораторних вимірників світлових потоків для малих фазових кутів основна проблема полягає у необхідності використання малих кутових апертур джерела та приймача випромінювання. Це тягне за собою різке падіння світлового потоку, що реєструється (за законом четвертого ступеня розміру апертури), тому фотометр, який працює у малих фазових кутах, неминуче повинен бути розрахований на вимір слабких світлових потоків. З врахуванням цієї особливості були розроблені і оптична схема приладу і електричні схеми приймача випромінювання.

На рис.1 наведено блок-схему фо-тометра малих кутів фаз. Прилад склада-ється з наступних основних частин: блоку освітлювача (ДЖ), тримача зразка (З), блоку приймача світла (П) та блоку елек-тронної обробки сигналу (БС), сполученого з комп'ютером (ЕОМ).

Рис.1 Блок-схема фотометра-поляри-метра малих фазових кутів. БЖ1 - блок жив-лення джерела світла; ДЖ - джерело світла; БП - блок поляризатора; Г - мікрометрич-ний гвинт; Д1 - двигун гвинта; БЖ2 блок живлення ФЕП; П - приймач світла; БФ - блок світлофільтрів; БА - блок аналізатора; Д2 - двигун аналізатора; БС - блок сполу-чення; З - зразок.

На схемі, показаній на рис.1, освіт-лювальна частина позначена як (ДЖ). Звичайною схемою освітлювача у приладах такого роду є “телескопічна” схема: квазі-точкове джерело світла розташоване у фокусі об'єктива, що створює майже паралельний пучок для освітлення зразків. Основним недоліком цієї схеми є те, що розмір об'єктива вагомо перевищує розмір квазіточечного джерела світла. Це не дає можливості досягти малих фазових кутів: об'єктиви приймача та освітлювача зава-жають одне одному за габаритами.

Оптична схема освітлювача, яка ви-користовується, суттєво змінена. Зображен-ня нитки розжарювання лампи утворюється на діафрагмі, отвір якої, по сутності, і є

джерелом світла. Оптичне зображення діафрагми будується об'єктивом поблизу зовнішнього ребра призми повного внутрішнього віддзеркалення. Така схема дає можливість наблизити оптичне зображення джерела світла на гранично малу відстань до аналогічного зображення апертурної діафрагми блоку приймача (але у приймачі хід променю не зламується). Ця схема дозволяє досягати у вимірах гранично малих фазових кутів. Так, при кутовому діаметрі апертурних діафрагм 0.050 приймача та освітлювача вдалося досягти мінімального фазового кута 0.20. До схеми освітлювача може бути введено компенсатор паразитної поляризації, яким є плоскопаралельна скляна пластина. Для вимірів у поляризованому світлі передбачено можливість введення до оптичної схеми поляризатора (БП на рис.1).

Джерелом світла є галогенова лампа розжарювання потужністю 100 Вт. Її позитивною якістю є висока колірна температура (близько 3200 К), а, отже, й висока поверхнева яскравість. Крім того, колби таких ламп не темніють у процесі експлуатації, що дуже важливо при проведенні серій довготривалих вимірювань.

Освітлювач закріплено на рамі, що обертається навколо осі, яка лежить у площині зразка. Це забезпечує при невеликих кутах повороту рами непорушність світлової плями на зразку. Рама повертається за допомогою гвинта, який приводиться до руху електродвигуном (Д1).

До оптичної схеми приймача світла введено вузол світлофільтрів (БФ) та вузол обертання поляроїда (БА), що служить аналізатором (для проведення вимірів у поляри-зованому світлі). Для формування спектральних каналів використовуються світлофіль-три КС-10, ЗС-11 та СЗС-22. Як приймач використовується ФЕП-79.

Блок приймача закріплено на рамі приладу непорушно, що запобігає зміні чутливості ФЕП, яка б мала місце при його повороті відносно магнітного поля Землі або інших частин приладу.

Імпульси, які приходять із приймача світла, посилюються та надходять до комп'ютера, що реєструє сигнал та керує електродвигунами, один з яких (Д1) змінює фазовий кут, а другий (Д2) - повертає аналізатор.

Зразок (З) розташовується у нижній частині приладу горизонтально та непорушно, це дає можливість вимірювати порохуваті матеріали. Незважаючи на те, що зразок освітлюється пучком світла під тілесним кутом , фазовий кут на краю зразка відрізняється від кута у центрі на величину не більшу (a - фазовий кут), що зневажливо мало.

Прилад має два режими роботи: фотометра та поляриметра. Для досягнення до-статньо високої збіжності вимірів, особливо при дослідженнях темних поверхонь, три-валість вимірів одного зразка доводилася до доби. Усі зразки вимірювалися по декілька разів. Ці дані свідчать про обсяг виконаної роботи та цінність отриманих залежностей.

Слід відзначити, що прилад є унікальним із декількох характеристик. Про це, зокрема, свідчать його наступні особливості:

1. Прилад дозволяє працювати з неполяризованим світлом, але при цьому дося-гати досить малих фазових кутів - до 0.20. Раніше, через потокові обмеження, таких значень кутів фази вдавалося досягти лише з використанням лазера як освітлювача [3, ].

2. Високої якості вимірів вдалося досягти, зокрема, завдяки застосуванню оригінальної оптичної схеми освітлювальної та прийомної частин приладу. Ця схема з енергетичної точки зору економно формує малі апертури джерела та приймача світла, а крім того, дозволяє обмірювати зразки з великою площею при дотриманні умови однаковості фазових кутів у кожній точці поверхні зразка.

3. Прилад дозволяє обмірювати фазові залежності показника кольору, викорис-товуючи одне й те ж саме джерело світла. У приладах, де застосовані лазери, для цієї мети необхідно декілька лазерів, які працюють на різних частотах. У нашому випадку є виграш не лише у простоті, але й у збіжності вимірів.

4. Прилад дозволяє проводити виміри з високою мірою надійності. (Це, зокрема, підтверджується порівнянням результатів наших вимірів, зроблених у поляризованому світлі, та вимірів, проведених за допомогою американської установки Р. Нельсоном, одних й тих же зразків різних розмірних фракцій порошку Al2O3.)

Необхідно також відзначити, що створений прибор може бути застосовано не лише для дослідження класичного ефекту слабкої локалізації світла, але й для вивчення так званого поляриметричного опозиційного ефекту (від'ємної поляризації світла).

Третій розділ “Результати вимірів. Вплив різних фізичних чинників на характе-ристики ефекту слабкої локалізації світла” присвячено опису та аналізу вимірів ЗРС на зразках із різними характеристиками. Метою проведених вимірів є вивчення впливу на параметри ефекту слабкої локалізації світла: вибору матеріалу поверхні (метал, діелек-трик), розміру частинок поверхні, альбедо та щільності упаковки зразка, а також довжини хвилі світла, що падає. Для вимірів використовувалося як неполяризоване (це моделює сонячне освітлення), так і лінійно поляризоване світло. В останньому випадку виміри

проводилися для вивчення внесків до фазової залежності розсіяного світла тіньового механізму та механізму інтерференційного підсилення ЗРС. У цьому розділі досліджувалися, в основному, модельні зразки, бо у них легше контролювати структурні параметри.

Виміри показали, що нелінійний сплеск яскравості у діапазоні фазових кутів, що досліджується, спостерігається у більшості матеріалів. Виявилося, що інколи фазові за-лежності яскравості, одержані у діапазоні малих кутів фази (0.2 - 3.50), мають дещо інший характер ніж у діапазоні великих фазових кутів. Наприклад, при вимірах у діапазоні фазових кутів 2 - 400 деякі, інколи дуже різні за природою та альбедо матеріали (наприклад, сажа та порошок окису магнію [2]) показували дуже близькі фазові залежності яскравості. Поводження фазових залежностей яскравості для таких зразків у діапазоні гранично малих фазових кутів сильно розрізняється: майже лінійний хід фазової функції для сажі та різко нелінійний сплеск яскравості у випадку зразка MgO. Така ж розбіжність у фазовому ході яскравості простежується у переважній більшості випадків при вимірах порошків діелектричних (прозорих) та металоподібних речовин. Пояснюється це тим, що в достатньо світлих діелектричних поверхнях розвинуте багаторазове розсіювання світла, тобто можуть працювати інтерференційні ефекти, які досліджуються. Для непрозорих матеріалів основний внесок до альбедо дає одноразове розсіювання і, отже, фазова залежність яскравості у цьому випадку в значній мірі формується тіньовим ефектом.

Було одержано експериментальний результат, що є загальним для діелектричних (із прозорими частинками) та металевих (із непрозорими частинками) поверхонь. Він стосується поведінки опозиційних піків при нахилі поверхні відносно променю візування. Вимір скляної матованої поверхні з середнім розміром шорсткості близько 100 мкм при: стандартній геометрії, коли нормаль зразка направлена вздовж осі приймача; із нахилом нормалі зразка у площині розсіювання на 450 у сторону, протилежну напрямку на освіт-лювач; та з нахилом нормалі зразка на 450 у напрямку, перпендикулярному площині розсіювання, показали, що найменш положистий хід фазової залежності спостерігається для стандартної геометрії - саме у цьому випадку тіньовий ефект, пов'язаний з неоднорідностями поверхні, виявляється мінімально. Аналогічна закономірність спостерігається й у випадку зразка алюмінованої (металізованої) матованої поверхні.

У літературних джерелах повідомлялося, що у діапазоні фазових кутів 2 - 400 спостерігається розмірний ефект - крутість фазової залежності збільшується зі зменшенням розмірів частинок поверхні [1, 2]. Аналогічну залежність було виявлено і у діапазоні кутів фази 0.2  .50. Для цього було обміряно порошки кварцу з різними середніми розмірами частинок: < 25 мкм, 45 - 63 мкм, 125 - 180 мкм, але з приблизно однаковим альбедо. Як і у випадку великих кутів, більш крупнозернисті порошки дають більш вузькі та менші за амплітудою піки. Той же розмірний ефект виявляється у порошків сірого скла, а також у порошків базальту та вулканічного попелу, що були від-сортовані за розміром частинок, та у багатьох інших діелектричних матеріалів різ-номанітного походження. Це говорить про те, що це досить універсальне оптичне явище.

Рис.2. Фазові залежності яскравості (0.7 мкм) для порошків Al2O3 з різними середніми розмірами частинок.

Наведемо ще один приклад, що підтверджує розмірний ефект, який описується. Були виміряні фазові залежності яскравості для порошків Al2O3 із середніми роз-мірами частинок: 0.1 мкм, 2.1 мкм та 30 мкм (рис.2). Зразки добре відсортовані за розмірам та мають вузький розподіл. Вони були надані у наше розпорядження Р. Нельсоном. Виявилося, що фазова крива для фракції з розміром частинок 2.1 мкм має найбільш крутий хід. Виходить так, що існує деякий резонансний розмір неоднорідностей світло-розсіючої поверхні, при якому ефект когерентного підсилення ЗРС є максимальним. Існування такого резонансного розміру було нещодавно завбачене у теоретичній роботі [5].

Було також проведено виміри ультрадисперсного порошку SiO2 із розмірами частинок біля 0.01 мкм. Коефіцієнт заломлення SiO2 близький до Al2O3. Фазова залежність яскравості SiO2 продовжує ряд фазових залежностей Al2O3: крива SiO2 ще більш полога, ніж у самого дрібнодисперсного з порошків Al2O3 (рис.2).

Розмірний ефект спостерігається лише у діелектричних зразків. Для металевих поверхонь розмірної залежності знайдено не було. Цей результат служить підтвердженням того, що багаторазове розсіювання, яке формує когерентне підсилення

ЗРС, не відіграє вагомої ролі при формуванні оптичних властивостей порошків непрозорих матеріалів.

Викликає велике зацікавлення дослідження впливу на характеристики ЗРС щільності упаковки поверхні. Фазові залежності яскравості для насипаного, а потім стиснутого скляною пластинкою, порошку скла із середнім розміром частинок близько 10 мкм показують таку картину: пік яскравості стиснутого зразка виявляється більш вираженим, і це незважаючи на те, що за рахунок вирівнювання поверхні зразка тіньова складова його фазової функції яскравості повинна дуже слабнути. Таким чином, увесь отриманий ефект можна віднести на рахунок механізму інтерференційного підсилення ЗРС. Природним поясненням цього ефекту є те, що при стисканні порошку зменшується характерна інтерференційна база. Це призводить до розширення піка ЗРС.

Аналогічні результати отримані й при дослідженні зразків інших діелектричних матеріалів, причому найбільші зміни спостерігаються у випадку дрібнодисперсних фракцій. Порошки заліза (навіть дрібна фракція) закономірних змін параметрів фазової функції яскравості після стискання поверхні не показали. Останнє також вказує на те, що при формуванні фазових залежностей порошків металів, які досліджувалися, багаторазове розсіювання світла не має вагомого значення.

Для того, щоб кількісно простежити трансформацію “інтерференційного” піка у “тіньовий”, потрібно провести дослідження сумішей світлих та темних поверхонь. Були обміряні зразки сумішей крейди та сажі у пропорціях: 1:3, 5:1, 10:1. Експеримент показав, що порівняно вузький нелінійний сплеск яскравості для світлих зразків ширшає по мірі падіння альбедо і стає лінійним для випадку чистої сажі.

Дослідження спектральної залежності параметрів ефекту слабкої локалізації тісно пов'язані з дослідженнями впливу альбедо розсіювачів. Справді, в різних спектральних діапазонах альбедо поверхні може бути різним, і тому ефект, пов'язаний з варіаціями характерної величини інтерференційної бази за рахунок , може сильно маскуватися спектральною залежністю альбедо. Виміри фазових залежностей яскравості зразків червоної та синьої акварельних фарб у двох спектральних інтервалах показали, що у випадку більш високого альбедо (в червоних променях у червоної фарби та в блакитних променях у синьої фарби) спостерігається більш виражений опозиційний сплеск яскравості.

Відміни фазових залежностей яскравості в різних спектральних діапазонах зручно характеризувати показником кольору С1/2)=А1)/А2), де А) - альбедо зразка при відповідній довжині хвилі . На фазових залежностях показника кольору С (0.7/0.5 мкм)

для зразків червоної та синьої акварельних фарб (див. рис.3) спостерігаються залежності, що мають різні знаки. Для зразка синьої фарби із зменшенням фазового кута a спостерігається спадаюча залежність, для зразка ж червоної фарби ця залежність є зростаючою.

Рис. 3. Фазові залежності показника кольору для зразків червоної та синьої акварельних фарб.

Несподівано різна пове-дінка фазової залежності показника кольору С (0.7/0.5 мкм) виявля-ється для порошків Al2O3 з різним розміром частинок: крупно-зер-нистий зразок дає слабке зростання С (0.7/0.5 мкм) при зменшенні ; середня за розмірами частинок фракція має нейтральний хід; а дрібна фракція виявляє невелике спадання С (0.7/0.5 мкм) при спря-мовуванні до нуля. Такий перехід узгоджується з тим, що розмір частинок близько 1 мкм є резо-нансним у процесах багаторазового розсіювання [5].

Виміри “сірих” металів (по-рошків заліза, нікелю та ін.) по-казали, що у межах помилок ви-мірів фазова залежність величини С (0.7/0.5 мкм) відсутня. Її немає у алюмінованої матованої поверхні, та, що дуже важливо, вона майже не простежується у порошка міді, який має інтенсивний червоний колір, тобто істотно різне альбедо в синіх та червоних променях. Наве-дені експериментальні факти свід-чать про те, що багаторазове розсі-ювання світла на шорстких метале-вих поверхнях (навіть світлих) не вносить помітного внеску до фазо-вої функції яскравості у порівнянні з одноразовим розсіюванням.

Викликає зацікавлення до-слідження деяких з описаних особливостей поводження фазових функцій яскравості та показника кольору зразків у лінійно поляризованому світлі. Це, зокрема, допомагає оцінити внески до розсіювання світла тіньового механізму та когерентного підсилення ЗРС.

Виміри ко- та крос-поляризованих складових (інтенсивності, поміряні відповідно у паралельних та схрещених поляризаторах) фазової функції яскравості зразка MgO показали наступні розбіжності: ко-поляризована складова йде помітно крутіше, аніж крос-поляризована. На відміну від цього випадку зразок сажі виявив протилежну особливість. У цього зразка крос-поляризована складова йде крутіше, ніж ко-поляризована. При цьому і у випадку зразка MgO, і у випадку сажі крос-поляризована складова має помітно меншу інтенсивність, аніж ко-поляризована.

Дослідження інших зраз-ків діелектричних та метало-подібних (металевих) порошків цілком підтверджує відзначену різницю у поводженні крос- та ко-поляризованих складових для діелектриків та металів. Так, на рис.4 наведені відношення нор-мованих значень крос- та ко- складових для зразків крейди й заліза.

Рис. 4. Фазові залежності відношення крос- / ко- складових для порошків заліза та крейди у червоних променях.

Дослідження залежності відношення крос-/ко- для порош-ків, які мають різний розмір час-тинок (напр., згадувані раніше порошки Al2O3) показало, що зразок із розміром частинок 2.1 мкм знову виявив себе як “резонансний”. Він має найбільш крутий фазовий хід відношення (крос-/ко-).

Порівняння фазових залежностей відношення крос-/ко- для зразка накопченої сажі до та після його пресування показує, що у другому випадку фазова залежність відношення крос- та ко-поляризованих складових стає більш пологою.

Четвертий розділ “Ефект слабкої локалізації світла у природних поверхонь” присвячено опису та аналізу вимірів інтенсивності розсіяного світла на матеріалах при-родного походження. Такі виміри важливі, зокрема, для розвитку інтерпретації фото-метричних досліджень земної поверхні та поверхонь безатмосферних небесних тіл.

Виміри ЗРС декількох зразків вулканічних попелів показали, що типовий опозиційний сплеск яскравості у таких покровів складає біля 20%. На фазових кривих показника кольору, як правило, спостерігається монотонне зростання зі збільшенням . Таким чином, можна сказати, що опозиційний сплеск яскравості поверхні, покритої попелом, типу тих, що були виміряні, виявиться при дистанційній зйомці систематично вище у червоних променях, ніж у синіх. Відзначимо, що у випадку окислених (вивітрених) вулканічних попелів цілком яскраво виявляється мінімум на фазовій залежності показника кольору.

У діапазоні фазових кутів 0.2 - 3.50 вперше вдалося виміряти фазові залежності яскравості для листя різних рослин. Виявилася наступна закономірність: як правило, нижня сторона листа має більш виражений опозиційний ефект, ніж верхня. Цей ефект має більшу амплітуду й ширину в області прозорості, розташованої між смугами абсорбції хлорофілу.

Дослідження опозиційного піка снігу показало велику різноманітність даних - фазові залежності, які були отримані нами, йдуть систематично крутіше, ніж дані натурних вимірів. Виявилося також, що більш виражені піки має забруднений сніг. Останнє свідчить про те, що характеристики опозиційного ефекту потенційно можуть бути використані з метою дистанційної діагностики природних сніжних покровів, яку можна виконувати з борту літака чи супутників, використовуючи, наприклад, фотографічні дані.

Було проведено також модельні виміри порошків - спектральних аналогів повер-хонь деяких небесних тіл. Виміри палагонітів - аналогів марсіанського грунту - показали, що всі досліджені модельні зразки мають мінімум на фазових кривих показника кольору, зміщений до менших фазових кутів, у порівнянні з тим, що спостерігається у Марса. Це говорить про те, що поверхня Марса більш дрібнозерниста, ніж виміряні зразки палагонітів, що підтверджується результатами, отриманими раніше космічними апаратами.

Виміри фазових залежностей яскравості зразків сірки у діапазоні 0.2 - 3.50 пока-зали, що цей матеріал цілком може бути аналогом речовини поверхні супутника Юпітера Іо (що раніше припускалося згідно з даними спектральних вимірів).

Порівняння даних вимірів фазових залежностей яскравості поверхні супутника Юпітера Європи та зразків скляних кульок у діапазоні 0.2 - 3.50 дало деяке обмеження на присутність у грунті цього тіла частинок сферичної форми, які могли б утворюватися у процесах водяного вулканізму.

Виміри фазового ходу відношення крос-/ко- складових яскравості у сумішей крейди та сажі показали, що хід цієї залежності змінюється: первісно зростаюча при зменшенні a до 0 (для чистої сажі), вона стає убуваючою, причому усе більш крутою при добавлянні світлої речовини. Такий же хід показує й світлий зразок 61221 з місця посадки космічного апарату Аполон-16. Це можна інтерпретувати як свідчення на користь того, що опозиційний ефект місячної поверхні у великій мірі формується за механізмом когерентного підсилення ЗРС.

У висновках перелічені основні результати, які були отримані у цій роботі.

1. Для виконання дисертаційної роботи розроблено та виготовлено лабораторний фотометр-поляриметр, призначений для вивчення ефекту слабкої локалізації світла при розсіюванні від поверхонь складної структури у діапазоні гранично малих фазових кутів 0.2-3.50. Основною перевагою цього приладу є можливість проведення вимірів у неполяризованому світлі в різних областях спектру. Необхідно також відзначити, що прилад може бути застосований не тільки для дослідження класичного ефекту слабкої локалізації світла, але й для вивчення так званого поляриметричного опозиційного ефекту (від'ємної поляризації світла).

2. Існування розмірного ефекту при ЗРС на діелектричних зразках свідчить про те, що у таких поверхонь домінуючу роль в розсіюванні відіграє ефект слабкої локалізації світла. Цей висновок підтверджується також резонансним характером розмірного ефекту у “світлих” діелектриків. У той же час, відсутність залежності форми кривої ЗРС від розмірів частинок у металевих порошків свідчить на користь того, що основний внесок до розсіювання поверхнями, які складаються з непрозорих частинок, дає тіньовий ефект.

3. Зростання потужності піка ЗРС при спресовуванні порошків діелектричних прозорих матеріалів також свідчить про великий внесок інтерференційного підсилення до ЗРС цими поверхнями. Для металевих порошків аналогічний ефект не спостерігається, бо тіньовий ефект такої залежності не завбачає.

4. Немонотонна поведінка фазової залежності показника кольору C1/l2) розсіючої поверхні при малих фазових кутах свідчить про те, що когерентне підсилення є істотним для цієї поверхні. У випадку кольорових поверхонь (наприклад, палагонітів спектральних аналогів поверхні Марса) така поведінка кривої показника кольору говорить про те, що в тій області спектра, де альбедо поверхні вище, у ЗРС при малих кутах фази домінує ефект слабкої локалізації світла.

У нейтральних за спектром порохуватих середовищ може також спостерігатися немонотонний фазовий хід показника кольору. Наявність цього ходу залежить від розміру

частинок середовища та ширини функції розподілу неоднорідностей у цих середовищах.

5. Альбедна залежність фазового ходу відношення крос- та ко-поляризованих складових світлового потоку, розсіяного діелектричними поверхнями, свідчить про те, що зі збільшенням альбедо поверхні внесок до опозиційного піку механізму інтерференційного підсилення ЗРС зростає.

Знайдено також якісну відміну у поводженні відношення фазових залежностей крос- та ко-поляризованих складових у металів та металоподібних матеріалів від діелектричних: це відношення зростає зі зменшенням фазового кута, тоді як для діелектриків спостерігається протилежна залежність.

6. Дані лабораторних експериментів послужили для інтерпретації даних, отриманих із телескопічних та натурних спостережень. Результати вимірів, зокрема, дозволили зробити деякі висновки стосовно структури поверхні безатмосферних небесних тіл.

Список цитованої літератури

1.

1.

1.

1.

1.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Овчаренко А.О. Ефект слабкої локалізації світла при зворотному розсіюванні поверхнями зі складною структурою у діапазоні гранично малих фазових кутів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - “оптика, лазерна фізика”. - Харківський державний університет, Харків, 1998.

У дисертації на лабораторному фотометрі-поляриметрі досліджувалося зворотне розсіювання світла у діапазоні фазових кутів 0.2 - 3.50. Досліджено фазові залежності кривих опозиційного ефекту яскравості та ступеню поляризації світла від: розміру та форми частинок зразка, щільності упаковки частинок, матеріалу зразка (діелектрик, метал), альбедо поверхні, а також від довжини хвилі світла, що падає. У діелектриків, на відміну від металів, спостерігалася залежність від розмірів часток. Деякі зразки показали немонотонну поведінку показника кольору. У поляризованому світлі вивчено співвідношення між внесками різних механізмів розсіювання в утворення опозиційного піку в залежності від структури та альбедо зразка.

Ключові слова: ефект слабкої локалізації світла, зворотне розсіювання світла, когерентне підсилення зворотного розсіювання.

Ovcharenko A.A. Effect of weak localization of light at backscattering by surfaces with complicated structure at a range of extreme small phase angles. - Manuscript.

The thesis as a manuscript is submitted for a candidate’s degree (PhD) in Physics and Mathematics according speciality 01.04.05. - optics and laser physics. Kharkov State University. Kharkov. 1998.

In the thesis the backscattering of light in a range of phase angles 0.2-3.50 was investigated using the laboratory photometer-polarimeter. Phase dependences of brightness are investigated for the differenr particles sizes and forms, volume density, samples materials (metal or dielectric), surface albedo and illumination light wavelenght. Dielectrics, as against from metals, shows the dependence of backscattering from particle size. Some samples has nonmonotonic bechavior of color-index with phase angle. The contributions of different mechanisms to backscattering are investigated by the measurements in polarized light with various structures and albedo of the samples.

Keywords: effect to weak localization of light, backscattering of light, coherent enhancement of backscattering.

Овчаренко А.А. Эффект слабой локализации света при обратном рассеянии поверхностями со сложной структурой в диапазоне предельно малых фазовых углов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика и лазерная физика. - Харьковский государственный университет, Харьков, 1998.

Эффект слабой локализации волн (частиц) известен в разных областях физики. Впервые как самостоятельное явление он был описан в планетологии и назван оппозиционным эффектом. Здесь он проявляется в виде увеличения яркости поверхности небесного тела с уменьшением угла фазы при изучении твердых поверхностей небесных тел. Эффект, сходный по природе, исследуется также в физике твердого тела (андерсоновская локализация электронов) и в радиолокации (эффект когерентного усиления обратного рассеяния). Часто в работах, связанных с лабораторными измерениями обратного рассеяния в оптическом диапазоне, этот эффект называют эффектом слабой локализации света.

Согласно теоретическим моделям этого эффекта фазовые зависимости яркости содержат в себе информацию о структуре и оптических постоянных вещества, например, поверхности небесного тела. Чтобы понять, как количественно связаны параметры оппозиционного эффекта с некоторыми физическими характеристиками поверхностей сложной структуры, необходимы модельные лабораторные эксперименты. Однако, из-за некоторых принципиальных и технических трудностей, измерения в неполяризованном свете при фазовых углах меньше 10 практически не проводились. Данная диссертационная работа ликвидирует этот пробел.

Для измерений в области фазовых углов 0,2-3,50 создан лабораторный фотометр-поляриметр, позволяющий проводить измерения порошкообразных образцов как в неполяризованном, так и в поляризованном свете в различных спектральных диапазонах.

Измерения в неполяризованном свете, проведенные