Оптико-электронный комплекс для визуализации физических процессов в пристеночном слое жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Павлов, Илья Николаевич

• Павлов, Илья Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павлов, Илья Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТИ

1.1 Методы отражательной рефрактометрии на основе ПВО

1.2 Методы и средства исследования течения и перемешивания жидкостей в микроканалах

1.3 Методы и средства исследования физических процессов в каплях жидкости на горизонтальной подложке

1.4 Выводы по первой главе

2 ЛАЗЕРНАЯ РЕФЛЕКТОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

2.1 Отражение и преломление волн на границе раздела двух прозрачных сред

2.1.1 Законы преломления и отражения оптических волн применительно к методу НПВО

2.1.2 Формулы Френеля

2.1.3 Поляризация волн при отражении и преломлении

2.1.4 Анализ закономерностей отражения при ПВО

2.1.5 Метод визуализации пространственных оптических неоднородностей по полному внутреннему отражению

2.1.6 Интерференционный метод исследования испаряющихся капель

2.2 Расчет параметров установки визуализации оптических неоднородностей в пристеночном слое воды

2.3 Выводы по второй главе

3 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЯХ ЖИДКОСТИ

3.1 Установка «Виджитек-1» для визуализации пристеночных течений жидкости в микроканале

3.2 Установка «Виджитек-2» для визуализации физических процессов в

каплях жидкости на горизонтальной подложке

3.3 Алгоритм обработки рефлектографических изображений

3.4 Алгоритм обработки интерференционных изображений

3.5 Выводы по третьей главе

4 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ

4.1 Методика проведения и результаты экспериментов по визуализации пристеночных течений жидкости в микроканалах

4.2 Методика проведения и результаты экспериментов по визуализации физических процессов в каплях жидкости

4.2.1 Визуализация испарения капли жидкости

4.2.2 Визуализация охлаждения капли жидкости

4.2.3 Визуализация кристаллизации капли жидкости

4.2.4 Визуализация растекания капли жидкости на горизонтальной подложке

4.2.5 Визуализация перемешивания капель различных жидкостей

4.3 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронный комплекс для визуализации физических процессов в пристеночном слое жидкости»

ВВЕДЕНИЕ

Сложность исследования пристеночных процессов в потоках жидкости заключается в их многопараметричности, трехмерности и нестационарности, что существенно затрудняет использование расчетных методов моделирования. Основные гидро- и теплофизические процессы развиваются в тонком пограничном слое толщиной менее миллиметра, что осложняет использование контактных методов исследования конвекции и других процессов, развивающихся в таком слое. Для проведения расчетов параметров этого слоя необходимо учитывать изменение физических свойств жидкости в нем. Все это указывает на необходимость разработки бесконтактных оптических методов исследования процессов в пристеночном слое жидкости [1].

Современный этап развития лазерной техники и компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на оптические методы исследования, известные достаточно давно. Например, создание лазеров продвинуло развитие интерферометрических методов далеко вперед, позволило получить узкие коллимированные (т.е. малорасходящиеся) пучки и открыло новые возможности в оптической градиентной рефрактометрии. Появление матричных ПЗС-фотоприемников дало возможность существенно повысить качество и скорость получения и обработки оптических изображений и автоматизировать многие процессы, связанные с анализом оптической информации. Развитие компьютерной техники в последнее время привело к тому, что без нее не обходится практически ни одна экспериментальная установка, кроме того, появились новые методы, такие как кросс-корреляционная обработка изображений и т.д. [2].

Все это позволило приступить к разработке оптических методов диагностики потоков жидкости на новом научно-техническом уровне. В настоящее время широко используются методы исследования потоков, основанные на регистрации лазерного излучения, рассеянного находящимися в потоке частицами. Это позволило визуализировать общую картину течения и измерять

скорость потока по эффекту Доплера, а также наблюдать влияние оптически неоднородного потока на характер распространения в нем лазерного пучка. Также был предложен лазерный рефрактографический метод (ЛАРЕФ-метод) исследования оптически неоднородных потоков с использованием лазерных пучков специальной формы, при этом регистрация рефракционных картин ведется с помощью специализированных цифровых видеокамер с последующей компьютерной обработкой [3].

Эффект нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), на котором основывается разработанный в данной работе метод, известен давно [4, 5], и на нем базируются чувствительные методы измерения показателей преломления различных сред и связанных с ними их физических параметров. В работе предлагается использовать его для визуализации картины распределения показателя преломления в пристеночных слоях прозрачных жидкостей с оптическими неоднородностями [6], например, в процессах фазовых переходов и при температурных градиентах в капле жидкости на горизонтальной подложке.

В последнее время наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике и теплообмену в микросистемах, вызванный интенсивным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. В [7] кратко рассмотрены современные методы получения функциональных изображений в прижизненной микроскопии клеток и уделено основное внимание динамической когерентной фазовой микроскопии, основанной на регистрации локальных флуктуаций показателя преломления.

Не потеряла своей актуальности и задача об испарении капли жидкости в окружающий газ, несмотря на большое количество выполненных по этой теме исследований. Возросший в последнее время интерес к процессам самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей [8] привел к необходимости разработки и применения различных методов для диаг-

ностики этих процессов. Исследование испарения капли с помощью микроскопа по обычной методике позволяет получить информацию только о форме капли, но не позволяет исследовать контактный слой капли с поверхностью. В работе [9] указывается на важность исследования пограничной области размером 100-400 мкм вблизи контактной линии капли в связи с тем, что в ней происходит наиболее интенсивный тепло- и массообмен в процессе испарения. Исследование такой области методом НПВО вполне реально, в отличие от других используемых для этой цели методов. В работе [10] представлены результаты экспериментов по кристаллизации тиомочевины и гид-роксида натрия из водного раствора в микрообъеме 100 пл. Показано, что изучение факторов, влияющих на процессы самоорганизации молекул растворенных веществ в микро- или нанообъеме при высыхании растворителя, может привести к новым результатам, имеющим как прикладное значение (в микро- и нанотехнологиях), так и теоретическое (новые классы задач в физике фракталов и сильно нестационарных, диссипативных процессов).

Что касается процессов кристаллизации воды, то, несмотря на многочисленные исследования по данному вопросу, окончательного ответа о механизме кристаллизации льда до сих пор нет [11]. Поэтому задача исследования динамики процесса кристаллизации остается актуальной до сих пор. Например, в [12] приведены результаты исследования изображений водных растворов при их замораживании, полученных с помощью оптического микроскопа и показано, что структура замороженной капли изменяется в зависимости от вида примесей в воде. С помощью метода НПВО эти особенности могут быть определены более явно, что необходимо для автоматизации обработки изображений.

Динамическое состояние капли при ее растекании на горизонтальной подложке может служить для оценки степени чистоты поверхности подложек, очищенных плазмохимическим травлением, как показано в работе [13]. В этой работе изображения капли регистрируются видеокамерой, установленной сверху подложки. При этом обработка изображений для получения

точных количественных характеристик значительно затруднена из-за того, что поверхность капли имеет сложную форму, а сама капля является прозрачной. При регистрации изображений с помощью метода НПВО на созданной экспериментальной установке обработка изображений существенно упрощается и имеется возможность контролировать именно площадь контактного пятна капли с поверхностью стеклянной подложки. Исследование свойств приповерхностных слоев жидкости до сих пор является актуальным, что хорошо показано в [14], где подробно рассматриваются физикохимиче-ские свойства различных поверхностей. Также, до сих пор остается открытым вопрос о граничных условиях прилипания и скольжения для различных поверхностей [15], что также представляет большой интерес для современных исследований.

Цель работы

Основной целью работы является разработка оптико-электронного комплекса для визуализации оптически неоднородных пристеночных слоев жидкости на основе метода нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка и выявление особенностей протекания физических процессов в пристеночном слое жидкости. С этой целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов исследования оптически неоднородных сред и измерения показателя преломления.

2. Разработать метод визуализации физических процессов в пристеночных слоях жидкости на основе явления НПВО.

3. Создать экспериментальные установки для визуализации движения жидкости в микроканалах, а также для исследования физических процессов в капле жидкости на горизонтальной подложке.

4. Разработать алгоритмы и программы обработки картин визуализации.

5. Провести экспериментальные исследования и обработать полученные изображения.

Научная новизна работы

1. Разработан новый метод исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, основанный на явлении нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка, позволяющий получать пространственное распределение показателя преломления и связанных с ним физических параметров жидкости в зависимости от времени, в отличие от известных оптических методов, основанных на использовании узких и сфокусированных пучков, которые позволяют получать локальное значение показателя преломления.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования по изучению динамики физических процессов таких как перемешивание, испарение, охлаждение, кристаллизация, в пристеночном слое жидкости толщиной несколько сотен нанометров с помощью нарушенного полного внутреннего отражения.

3. Разработаны оригинальные алгоритмы обработки картин визуализации процессов в пристеночных слоях жидкости для получения количественной информации о физических процессах в пограничных слоях прозрачной жидкости.

Практическая ценность и использование результатов работы

Разработанный оптико-электронный комплекс может быть использован для исследования различных физических процессов в пристеночных слоях прозрачной жидкости, в которых происходит изменение ее показателя преломления, в частности, при появлении градиентов температуры, концентрации и др. Комплекс позволяет визуализировать развитие во времени процессов в пристеночном слое жидкости толщиной порядка сотен нанометров, а также получать пространственное распределение показателя преломления жидкости по границе раздела. Методика обработки полученных изображений может быть использована для других оптических методов исследования, использующих цифровые средства регистрации и обработки экспериментальных данных.

Внедрение

Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0449 и № 14.740.11.0594), НИР, выполняемой в рамках госзадания № 7.3732.2011 «Закономерности распространения светового излучения в слоистых и случайно неоднородных трехмерных средах» и грантам РФФИ № 10-08-00936 «Диагностика пристеночного слоя жидкости методами лазерной рефрактографии и полного внутреннего отражения» и № 12-08-31208 «Лазерная диагностика кристаллизации растворов и фазовых переходов в пограничных слоях жидкости».

Достоверность полученных результатов

Теория разработанного метода основывается на известных положениях физической оптики и широко используемых принципах обработки изображений. Показана воспроизводимость результатов исследования при многократном повторении экспериментов. Результаты обработки полученных экспериментальных изображений с целью определения показателя преломления жидкостей сравнивались с результатами определения показателя преломления тех же жидкостей с помощью рефрактометра ИРФ-454 Б2М. Среднеквадратичное отклонение составило не более 0,5%.

Апробация работы

Основные материалы диссертации докладывались на 11 конференциях: XI Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2011), 20-я Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2010), 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (Москва, 2011), 15th International Symposium on Flow Visualization (Минск, 2012), 10-я и 11-я Всероссийские (с международным участием) конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011 и 2012), Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике

(Москва, 2011 и 2013), Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях» (Москва, 2011), XVII и XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011 и 2012).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, в том числе 7 работ без соавторов. 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 109 машинописных страниц, включая 72 рисунка, 1 таблицу, 63 наименования списка литературы.

Основные положения, выносимые на защиту

• Созданный оптико-электронный комплекс, принцип работы которого основан на явлении НПВО, позволяет визуализировать оптические неоднородности в жидкости на расстоянии порядка сотен нанометров от поверхности измерительной призмы на площади до 200 мм .

• Установка «Виджитек-1», входящая в состав созданного оптико-электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы движения жидкостей в микроканалах.

• Установка «Виджитек-2», входящая в состав созданного оптико-электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации и перемешивания капель жидкости на горизонтальной подложке.

• Реализованные алгоритмы обработки полученных картин визуализации позволяют получить численные характеристики исследуемых объектов и процессов.

(

1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТИ

1.1 Методы отражательной рефрактометрии на основе ПВО

Многочисленные методы отражательной рефрактометрии прозрачных сред можно разделить на две группы. Методы первой группы основаны на анализе неполяризационных параметров отраженного света: «углового» и энергетического. К угловой характеристике относится какой-либо один из специфических углов, функционально связанных с исследуемым показателем преломления: критический угол 0кр, угол полной поляризации (угол Брюсте-ра) 0Бр, а также углы, при которых разность фаз между перпендикулярными и параллельными составляющими в отраженном свете принимает экстремальное значение или равна 90°. К энергетической характеристике относится интенсивность отраженного естественного света / или интенсивности ортогонально-поляризованных его компонент (1± и /ц). Методы второй группы базируются на анализе поляризационных характеристик отраженного света: изменения азимута \|/ линейно-поляризованного света после отражения, сдвига фаз 8± и 5ц ортогональных компонент отраженного света, разности фаз 5 между этими компонентами, а также имеющей место при полном внутреннем отражении максимальной разности фаз 8тах.

Рефрактометры критического угла являются наиболее распространенным типом отражательных рефрактометров. Критический угол может быть зарегистрирован тремя способами: а) геометрическим, при котором определяется угловое положение границы света и тени; б) фотометрическим, при котором фиксируется положение, соответствующее коэффициенту отражения для естественного света, равному 100%, либо равенству между собой коэффициентов Я± и имеющему место также при = ^ = 100%; в) поляризационным, при котором определяется момент одновременного равенства нулю изменения азимута линейно-поляризованного света и разности фаз [16].

I- 11

г

Различные типы рефрактометров, их характеристики и принципы работы подробно описаны в [17]. Действующий государственный первичный эталон единицы показателя преломления, принцип измерений которого реализован по методу наименьшего отклонения, основанному на явлении преломления (рефракции) света при прохождении границы двух разных сред, описан в [18].

Например, в [19, 20] описана установка на основе сканирования лазерного пучка вблизи критического угла падения (рисунок 1).

1 - лазер; 2 - поворотное зеркало с пьезокерамическим приводом; 3 - полуцилиндрическая линза; 4 - исследуемая жидкость; 5 - зеркало;

6 - фотоприемник Рисунок 1 - Установка со сканированием лазерного пучка [20]

Внутреннее отражение света имеет место с плоской стороны линзы, которая контактирует с образцом (плоская граница раздела). Для того, чтобы менять угол падения, лазер или линза должны вращаться вокруг точки отражения. Так как угол падения меняется, отраженный пучок вращается и приемник должен перемещаться на новую позицию. Чтобы измерить угол, получающийся при отражении для любого угла падения в динамической рефлек-тометрии, должно использоваться зеркало на пьезоэлектрических подвижках

(или любой другой вид углового модулятора) в лазерном пучке до того, как он пройдет линзу. Амплитуда угловой модуляции должна быть малой по сравнению с угловой расходимостью пучка. Типичная величина порядка 0,01° (несколько сотен микрорадиан). Амплитуда соответствующего сигнала на фото детекторе дает прямое измерение угла происходящего отражения.

В работе [21] описан призменный оптоэлектронный рефрактометр, в котором измеряется интенсивность отраженного от границы раздела расходящегося лазерного пучка (рисунок 2).

1 - лазер; 2 - призма; 3 - исследуемая жидкость; 4 - металлическая ванна;

5 - фотоприемник Рисунок 2 - Призменный оптоэлектронный рефрактометр [21 ]

Центральный луч конического пучка падает нормально на боковую грань равнобедренной призмы, проходит через ее поверхность не отклоняясь и попадает на основание призмы под углом равным углу у основания призмы. Если лучи внешней поверхности конического пучка падают на боковую поверхность под углом 0 и преломляются в стекло под углом

а = агсБш

/ . БШб

\

п,

, тогда все лучи этого конического пучка падают на основа-

с

ние призмы под углом, который меняется от 0, - а до 9, + а. Здесь пс - показатель преломления стекла призмы.

Основным условием является то, что показатель преломления измеряемой среды был таким, чтобы для него наименьший угол падения 0, - а был критическим углом ПВО. Для этого угла лучи со всей освещенной области на основании призмы испытывают ПВО. При увеличении показателя преломления жидкой среды величина критического угла также увеличивается. Лучи конического пучка, падающие под углом, меньшим этого увеличенного критического угла испытывают неполное отражение, в отличие от остальных лучей.

Также были попытки [22] внедрить измерительную призму внутрь резонатора лазера (рисунок 3).

4 - накачка; 5 - измерительная призма с образцом; 6 - непрозрачное зеркало Рисунок 3 - Активный лазерный рефрактометр [22]

Такая установка имеет очень высокую чувствительность, но также и очень большие трудности юстировки и эксплуатации.

В литературе также описан метод измерения скоростей движения микрочастиц на расстоянии в несколько сотен нанометров от поверхности призмы с помощью создаваемых в случае ПВО эванесцентных волн. Этот метод называется анемометрией полного внутреннего отражения или Total Internal Reflection Velocimetry (TIRV) [23]. Частицы освещались эванесцентной вол-

ной от падающего лазерного пучка, что гарантировало видимость только пристеночной области (см. рисунок 4). Далее, используется экспоненциально затухающая по интенсивности волна для того, чтобы вывести мгновенное расстояние между частицей и границей раздела двух сред, как это обычно делается в экспериментах с TIRFM. Частицы относительно большого размера (1,5 мкм) видимы только для небольшого диапазона отношений зазора к радиусу h/a. К тому же, времена диффузии слишком малы для того, чтобы перемещения частиц могли легко прослеживаться по получаемым низкочастотным изображениям.

water (л = 1.33)

__* _^_I - penetration depth

><1 Г

О !

glass (л = 1.51) Рисунок 4 - Схема метода TIRV [23]

Флуоресцентные микрочастицы, взвешенные в воде, располагаются в эванесцентном поле, создаваемом на фокусном расстоянии от широкоапер-турного объектива микроскопа. Коллимированный лазерный пучок, прошедший сквозь объектив, используется как источник освещения. При угле падения пучка 9 > 61,9°, наблюдается полное внутреннее отражение на границе раздела стекло-вода. Так как радиус частиц много больше, чем глубина проникновения эванесцентной волны, ее энергия возбуждает лишь небольшую долю капсулированного флюорофора.

Трехмерное положение частицы определялось с помощью пороговой идентификации и Гауссового сглаживания интенсивности пикселей вокруг пика. Этот метод был впервые продемонстрирован в TIRV экспериментах с наночастицами. Однако, калибровочный эксперимент был необходим для

проверки его законности для 1,5-мкм частиц, особенно при определении соотношения величины зазора между частицей и стенкой и пика интенсивности флуоресценции частицы. Чтобы достигнуть этого, отдельные флуоресцентные полистироловые частицы радиусом 1,5 мкм были посажены на полированные конические концы тонких графитовых стержней (диаметр наконечника около 100 мкм). После закрепления ансамбля частиц на прецизионную подложку (Mad City Labs), флуоресцентные частицы проходили через эва-несцентное поле и их изображения регистрировались при различных расстояниях от поверхности стекла. Получившаяся калибровочная кривая показана на рисунке 5.

1

0.8 0.6

_о

0.4 0.2 0

0 50 100 150 200 250 300 Gap size, h (nm)

Рисунок 5 - Сглаженный по гауссовой функции график пиковой интенсивности от величины зазора между частицей и стеклом [23]

На рисунке 5 показан сглаженный график зависимости пиковой интенсивности свечения флуоресцентной частицы радиусом 1,5 мкм в эванесцент-ном поле от расстояния между этой частицей и стеклом, которое менялось в пределах от 0 до 275 нм. /0 - интенсивность при h = 0. Каждая точка соответствует пиковой интенсивности частицы, усредненной по 10 изображениям, линиями обозначены стандартные отклонения. Угол падения лазерного пучка

64° и, следовательно, глубина проникновения эванесцентной волны 148 нм. Все полученные данные соответствуют экспоненциальной зависимости затухания интенсивности от величины зазора. Кривой с наименьшими отклонениями соответствует экспоненциальная длина затухания 142 нм, что близко к полученной глубине проникновения.

Хорошее соответствие экспоненциальной длины затухания интенсивности частицы и глубины проникновения эванесцентной волны говорит о том, что величина зазора между частицей и стеклом может быть надежно найдена из пиковой интенсивности. Используя калибровочную кривую, авторы заявляют, что погрешность определения этого зазора составит около 30 нм.

Большое влияние на развитие оптической рефрактометрии оказало открытие поверхностных плазмонов [24, 25]. На рисунке 6 показана схема прибора, использующего поверхностный плазмонный резонанс (111IP).

I I с____________________.1

1 - измерительная призма; 2 - тонкий металлический слой;

3 - исследуемая среда Рисунок 6 - Схема ППР-устройства

Затухающее поле волны при ПВО усиливается вдоль границы раздела между слоем благородного метала (Ag, Au, Си, А1) и испытуемой жидкостью. Когда р-компонента волнового вектора направлена под определенным углом к волновому вектору поверхностного плазмона, называемым углом 111 IP, происходит возбуждение поверхностных плазмонов и усиление колебаний

свободных электронов. Это явление названо поверхностным плазмонным резонансом. При этом интенсивность отраженного при ПВО света значительно уменьшена, поскольку большинство падающих фотонов преобразуется в электронную энергию ПП-волн, входящих в тонкую металлическую пленку и выходящих усиленными из-за 111 IP. Величина отраженной ^-компоненты при 111 IP очень сильно зависит от изменения показателя преломления пристеночной области около металлического слоя. Следует заметить, что ^-компонента волнового вектора не подвергается 111 IP и полностью отражается. В [26] описывается установка и методика проведения экспериментов по визуализации перемешивания воды и этанола в микроканале, определения пристеночного профиля солености при диффузии кристаллика соли в воде, определения температурного профиля при охлаждении капли горячей воды с помощью явления 111 IP. В [27] описана методика измерения концентрации растворов с помощью гетеродинного интерферометра, который измеряет разность фаз между s- и /^-компонентами поляризации пучка излучения, создающего 111 IP.

1.2 Методы и средства исследования течения и перемешивания жидкостей в микроканалах

Рассмотрим несколько работ, посвященных исследованию процессов течения и перемешивания жидкостей в микроканалах различной формы. В [28] выполнено экспериментальное исследование течения двухфазного потока в узком коротком горизонтальном канале прямоугольного сечения и высотой 300 мкм. Регистрация двухфазных течений осуществлялась цифровыми видео- и фотокамерами с использованием шлирен-метода с отражением оптических лучей от границы раздела газ-жидкость. Такой метод позволяет кодировать деформации границы раздела в оттенках серого цвета и имеет чувствительность порядка 0,1 мкм. Показано, что режимы двухфазного течения в исследуемом канале существенно отличаются от классических режимов течения в протяженных каналах большого сечения. Обнаружен струйный ре-

жим течения (рисунок 7), который возникает вследствие уменьшения длины

и высоты канала.

Рисунок 7 - Фотографии струйного режима двухфазного течения в плоском

микроканале [28]

В работе [29] рассматриваются режимы течения и закономерности смешения жидкостей в микроканалах У-, Т-, Б-типов. Приведены результаты тестирования численной методики и сопоставления полученных результатов с экспериментальными данными микро-Р1У измерений. На рисунке 8 показаны результаты визуализации перемешивания воды и раствора глицерина в У-образном микроканале.

а) б)

а) 20% раствор глицерина; б) 60% раствор глицерина Рисунок 8 - Перемешивание воды и раствора глицерина в микроканале

У-типа [29]

На рисунке 9 приведены для сравнения результаты визуализации перемешивания двух жидкостей в Т-образном микроканале с ассиметричными вставками в качестве пассивных или статических миксеров.

Рисунок 9 - Сравнение перемешивания двух жидкостей в микроканале Т-типа с пассивными миксерами с ассиметричными вставками [29]

В работе [30] показаны различные применения миксеров, вводимых в микроканалы, примеры которых показаны на рисунке 10.

а) б)

а) двумерный «квадратно-волновой миксер»; б) трехмерный «змеевидный»

миксер

Рисунок 10 - Геометрия «базовой ячейки», используемой в микроэлектромеханических устройствах [31 ]

1.3 Методы и средства исследования физических процессов в каплях жидкости на горизонтальной подложке

Исследованию процесса испарения капли с горизонтальной подложки посвящено немало работ, как теоретических, так и экспериментальных.

Например, в [32] проведено теоретическое исследование различных режимов испарения капли. Расчеты, проведенные авторами указанной работы, показывают, что существует несколько режимов испарения с различным количеством вихрей в капле.

В работе показано, что максимальное число приповерхностных вихрей в капле определяется характерным размером ячейки Марангони, если оценку провести аналогично способу, используемому для плоского жидкого слоя. Существование приповерхностных вихрей и соответствующих экстремумов в профиле поверхностной температуры становится более выраженным при уменьшении вязкости жидкости. Приповерхностные вихри исчезают при слишком больших значениях вязкости, например, когда вязкость увеличивается более чем в 4 раза при сохранении других экспериментальных параметров капли толуола. С увеличением размера приповерхностных вихрей и развитием конвекции в объеме на промежуточном этапе возникает состояние с тремя вихрями в капле, которое формирует распределение скорости и температуры. Это показано на рисунках 11 и 12 слева. В процессе существования трех вихрей угловой вихрь начинает расти за счет двух других вихрей, и в конечном счете занимает весь объем капли. Такая устойчивость углового вихря объясняется высокой теплопроводностью подложки и большим потоком испарения вблизи контактной линии. Пространственная зависимость температуры вдоль поверхности капли немонотонна, если капля содержит более одного вихря (рисунок 12). На рисунках 11 и 12 справа изображена конвекция с одним объемным вихрем, которая представляет собой одну из основных стадий испарения капли, в течение которой испаряется значительная часть ее массы.

Рисунок 11 - Распределение скорости вихря для £ = 0,5 с (слева)

и для г = 30 с (справа) [32]

АЛ у ЛЧ

22-.3

23-.53

23^77

■ 22£.

Рисунок 12 - Распределение температуры в капле для стадии динамики капли с тремя вихрями (слева, ? = 0,5 с) и с одним вихрем (справа, I = 30 с) [32]

Большинство экспериментальных методов исследования процесса испарения капли основываются на цифровой регистрации изображений испаряющейся капли с помощью видеокамеры или оптического микроскопа.

В работе [33] описана рефракционная система для исследования испарения капель жидкости с твердой поверхности, основанная на теневом фоновом методе визуализации оптически неоднородных сред. На рисунке 13 показана схема экспериментальной установки.

1- цифровая фотокамера; 2 - капля жидкости; 3 - подложка; 4 - структурированный экран; 5 - ПК Рисунок 13 - Схема рефракционной установки [33]

Она состоит из видеокамеры 1 ВИДЕОСКАН-285-USB с максимальной чувствительностью на длине волны 550 нм, исследуемого объекта — капли жидкости 2, стеклянной пластины 3, структурированного экрана 4 и персонального компьютера 5 со специализированным программным обеспечением. На стеклянную пластину, под которой находится экран, с помощью шприца помещают каплю жидкости. Фокус объектива видеокамеры настраивают на экран до нанесения капли. В ходе эксперимента получают изображения искаженного структурированного экрана, вызванные испарением капли. С помощью рефракционной установки была проведена визуализация испарения микролитровых капель воды, этанола и этилацетата. При анализе экспериментальных данных установлено, что после растекания капли по поверхности стекла в ней происходит перераспределение жидкости, это соответствует изменению цвета и формы капли на изображениях, полученных после обработки. Испарение осуществляется со всей поверхности капли, нагляднее всего это наблюдается на участках с наименьшей толщиной пленки воды.

Использование интерференционного метода для исследования испаряющейся капли хорошо показано в [34]. Описана экспериментальная уста-

новка на основе интерферометра Майкельсона, в одном из плеч которого расположена исследуемая капля, а в другом - эталонная (рисунок 14).

экран

и

-

от лазера

и

<

эталон (сферическая линза)

/ 7 7 7 капля

Рисунок 14 - Интерферометр Майкельсона, используемый для измерения радиуса кривизны в вершине лежащей капли [34]

На экране наблюдается разностная интерференционная картина в виде колец Ньютона (рисунок 15), по результатам обработки которой можно определить радиус кривизны исследуемой капли жидкости.

В [35] описана экспериментальная установка для исследования испарения пиколитровых капель при пониженном давлении. Изображения испаряющейся капли в ней получаются с помощью цифрового оптического микроскопа, что позволяет получать информацию лишь о форме внешней поверхности капли.

В [36] описана экспериментальная установка для измерения температуры капли жидкости, контактирующей с подложкой (в виде стеклянной призмы), а также для визуализации падения и испарения капли жидкости (рисунок 16).

1 - гелий-неоновый лазер; 2 - оптическая система; 3 - зеркало; 4 - подложка (призма); 5 - капля; 6 - диафрагма; 7 - собирающая линза; 8 - фотодиод;

9 - усилитель; 10 - компьютер; 11 - высокоскоростная камера; 12 - галогенная лампа; 13 - баллон со сжатым газом; 14 - герметичный резервуар с жидкостью; 15 - электромагнитный клапан Рисунок 16 - Схема установки для измерения температуры границы раздела, а также для визуализации падения и испарения капли жидкости [36]

В этой работе выполняется измерение температуры границы раздела между призмой и каплей путем определения изменения коэффициента отра-

25

жения узкого лазерного пучка от этой границы раздела, а также визуализация падения, растекания и испарения капли жидкости с помощью высокоскоростной видеокамеры. В отличие от такого подхода, который позволяет получать точечные измерения температуры границы раздела капли с призмой, предлагаемый в диссертации метод с использованием широкого коллимиро-ванного пучка позволяет получать пространственное распределение температуры по этой границе раздела.

Некоторые из приведенных выше, а также многие другие оптические методы исследования различных сред и процессов описаны в [37].

1.4 Выводы по первой главе

1. Существующие методы отражательной рефрактометрии, основанные на явлении НПВО, позволяют получать локальные или усредненные значения показателя преломления исследуемой жидкости.

2. Разработанные методы исследования процессов течения и перемешивания жидкостей в микроканалах не позволяют исследовать пристеночный слой жидкости.

3. Существующие методы исследования испарения капли с горизонтальной подложки не позволяют исследовать контактный слой капли с поверхностью подложки, играющий существенную роль в процессе испарения.

2 ЛАЗЕРНАЯ РЕФЛЕКТОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

2.1 Отражение и преломление волн на границе раздела двух прозрачных сред

2.1.1 Законы преломления и отражения оптических волн применительно к методу НПВО

Основным явлением, на котором основан используемый в данной работе метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), является отражение широкого параллельного пучка лазерного излучения, который можно рассматривать как плоскую волну, от границы раздела двух оптически прозрачных сред с разными показателями преломления. Одной из этих сред является стеклянная призма, а другой - исследуемая жидкость. Рассмотрим основные закономерности отражения и преломления волн на границе раздела двух сред, необходимые для обоснования метода визуализации пристеночных слоев жидкости, на основе классической теории света. Сначала рассмотрим случай распространения волны из одной оптической среды в другую. Если ^ и - единичные векторы в направлении распространения отраженной и прошедшей волн (рисунок 17), то, приравнивая аргументы трех волновых функций в точке г на граничной плоскости 2 = О, получается [38]

где V, и у2 - скорости распространения в первой и второй средах соответственно. Отсюда можно получить, что

( © £

(1)

ч

Следовательно, Бтб,. = зт0, и собЭ,. =-соз0; , поэтому

0,=л--0,-. (3)

Это соотношение вместе с утверждением, что нормаль 5(г) к фронту отраженной волны лежит в плоскости падения, называется законом отражения [38].

двух сред

Используя соотношение, связывающее показатель преломления и диэлектрическую проницаемость, из (2) можно найти

этО,- _ V, _ 1в2ц2 _ _

БИ10, У2 ]] пх

Соотношение sin 0,-/sin 0, = n2/n[ вместе с утверждением, что нормаль

s(í) к фронту преломленной волны лежит в плоскости падения, составляет закон преломления (закон Снеллиуса).

Если п2>п1, то щ2 > 1, это значит, что оптическая плотность второй среды больше, чем первой. В этом случае, учитывая (4), имеем

sin 0, =—sin 0,- < sin 0,, (5)

пп

так что для каждого угла падения существует вещественный угол преломления 0,. Однако, если вторая среда оптически менее плотная, чем первая (т.е. если < 1), то вещественное значение 0, получается лишь для таких углов падения 0(-, для которых sin©, <пп. Для больших значений 0(. имеет место так называемое полное внутреннее отражение (ПВО).

2.1.2 Формулы Френеля

Предположим, что обе среды (однородные и изотропные) обладают нулевой проводимостью и, следовательно, совершенно прозрачны; их магнитные проницаемости фактически будут отличаться от единицы на пренебрежимо малые величины, и поэтому положим ц, = = 1.

Пусть А - амплитуда электрического вектора поля падающей волны, будем считать ее комплексной величиной с фазой, равной постоянной части аргумента волновой функции. Переменная ее часть имеет вид

со

^ _ х • sin 0(-+z • eos 0, ^

(6)

Разложим каждый вектор на компоненты — параллельную (обозначим ее индексом ||) и перпендикулярную (индекс 1) плоскости падения. Выбор по-

ложительных направлений для параллельных компонент указан на рисунке 17. Перпендикулярные компоненты располагаются перпендикулярно плоскости рисунка.

Для Т и Л - комплексных амплитуд прошедшей и отраженной волн -можно получить следующие соотношения [38]:

т_ 2щ cos в, ,т_ 2qcose, л 11 «jCosBj+^cosG, 1 «jCosQy + ^cosG, -1-' _n2cos9/-^cos9/ _ и, cos cos 8, л " t^cos©,-+«,cos0, ''' 1 «1cos0/+^cos0/ ^ ^

Уравнения (7) и (8) называются формулами Френеля. Впервые они были введены Френелем в несколько менее общем виде в 1823 г. на основе его теории, рассматривавшей свет как колебания упругой среды. Эти соотношения пишутся обычно в другой форме, которую можно получить из (7) и (8) используя закон преломления (4), а именно в форме [38]

Z =

2sin0, cos0,.

\_А т _ 2sin0Lcos0L

since,+e,)cos(ei-e,)*1' 1 since,+е,) A±t (7a)

^ " tgce,+8,) ^ Kl " since,+0,) A±- (8a)

Так как 0, и 0, вещественны (случай полного внутреннего отражения пока исключаем), то тригонометрические функции, стоящие в правой части уравнений (7а) и (8а), также вещественны. Следовательно, фаза каждой компоненты отраженной и прошедшей волн либо равна фазе соответствующей компоненты падающей волны, либо отличается от нее на п. Так как знаки

и Т± совпадают со знаками А^ и А±, фаза прошедшей волны равна фазе падающей. В случае же отраженной волны фаза будет зависеть от относительных значений 0,- и 0,. Если оптическая плотность второй среды больше, чем

первой (б2 >£,), то 0, <0, ; поэтому, согласно (8), знаки Я± и А± различны и

фазы отличаются друг от друга на п. При тех же обстоятельствах значение 1§(0(-0/) положительно, но знаменатель tg(0/ + 0/) становится отрицательным для 0,- + 0< >тс/2, и в этом случае фазы ^ и А^ отличаются друг от друга

на я. Аналогичное рассмотрение можно провести для случая, когда вторая среда оптически менее плотна, чем первая [38].

2.1.3 Поляризация волн при отражении и преломлении

Рассмотрим теперь, как энергия поля падающей волны распределяется между двумя вторичными полями. Интенсивность волны равна

5= (9)

4п 4л

Поэтому количество энергии в первичной волне, которое попадает на единицу площади поверхности раздела за 1 с, будет равно

У« = СОБ©,- |2 СОБ0;.. (10)

471

Энергия отраженной и преломленной волн, покидающих единицу площади поверхности раздела за 1 с, определяется подобными же выражениями, а именно:

/г) =5(г)СО80: =Р-\Я\2 соб0у, «/(,) = £(,)СОБ0, =^\Т\2 СОБ0,. (И)

' 4тг 4л-

Отношения

_ _ I Я Р _ ^_ П2 СО50, | Т |

И т

соб0( |

(12)

называют соответственно отражательной и пропускательной способностью. В соответствии с законом сохранения энергии имеем

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Павлов, Илья Николаевич

4.3 Выводы по четвертой главе

1. Разработана методика исследования течения различных жидкостей в кювете и в микроканале (глицерина, смеси глицерина с водой, насыщенных и ненасыщенных растворов поваренной соли и сахара в воде) методом НПВО с помощью созданного оптико-электронного комплекса.

2. Разработана методика исследования процессов растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации и перемешивания капель жидкости на горизонтальной подложке с помощью созданного оптико-электронного комплекса.

3. Разработанный оптико-электронный комплекс позволяет получать как рефлектографические, так и интерференционные изображения капли жидкости.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы обработки картин визуализации процессов в пристеночных слоях жидкости, полученных с помощью установок, входящих в состав созданного оптико-электронного комплекса.

5. Получены результаты обработки картин визуализации течения жидкостей в пристеночной области в микроканалах, испарения, охлаждения, кристаллизации и растекания капли жидкости на горизонтальной подложке.

6. Полученные результаты позволяют установить ряд закономерностей указанных процессов, которые практически невозможно получить другими методами, например отклонение формы поверхности испаряющейся капли от сферической, различные варианты структуризации пристеночного слоя капли воды при кристаллизации и другие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в процессе выполнения работы над диссертацией были получены следующие основные научные результаты:

1. Проведен анализ публикаций на тему применения метода НПВО для исследования стационарных гидро- и теплофизических процессов, а также обзор оптических методов исследования процессов растекания, испарения, охлаждения и кристаллизации капель жидкостей и показано, что использование широкого коллимированного лазерного пучка для создания НПВО позволяет получить новую информацию по сравнению с существующими оптическими методами.

2. Разработаны принципы применения метода НПВО широкого коллимированного лазерного пучка для визуализации и исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, а также расширения областей применения этого метода.

3. Создан оптико-электронный комплекс для проведения исследований указанных выше процессов, который включает в себя две установки и программы обработки картин визуализации.

4. Разработан и реализован алгоритм обработки получаемых в экспериментах картин визуализации с целью определения количественных характеристик исследуемых процессов, например, распределения показателя преломления или характерного времени его изменения.

5. Проведены экспериментальные исследования процессов течения и перемешивания жидкостей в микроканалах плоской и Т-образной формы. Показано, что характер движения жидкости в плоском микроканале зависит от ее вязкости, а в Т-образном микроканале практически не происходит смешивания жидкостей без введения дополнительных миксеров.

6. Проведены экспериментальные исследования процессов растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации, перемешивания капель жидкости на горизонтальной подложке. Установлен ряд особенностей указанных процессов, а именно закономерности растекания капли дистиллированной воды по поверхностям с разными шероховатостями, отличие формы внешней поверхности капель при испарении от сферической, зависимость структуры пристеночного слоя пленки воды в процессе кристаллизации при охлаждении от толщины этой пленки.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Б.С. Ринкевичюсу за научное руководство, а также ведущему научному сотруднику A.B. Толкачеву, старшему научному сотруднику И.Л. Расковской, доценту Н.М. Скорняковой, старшему научному сотруднику М.В. Есину, доценту K.M. Лапицкому за полезные советы, консультирование при проведении расчетов и помощь в проведении экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павлов, Илья Николаевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков / Под ред. В.А. Фабриканта. М.: Издательство МЭИ. 1990.

2. Современные оптические методы исследования потоков: Коллективная монография / Под ред. Б.С. Ринкевичюса. М.: Оверлей. 2011.

3. Евтихиева O.A., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная реф-рактография. М.: Физматлит. 2008.

4. ХаррикН. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир. 1970.

5. Кизель В.А. Отражение света. М.: Наука, 1973.

6. Павлов И.Н. Лазерная визуализация пристеночных потоков жидкости по нарушенному полному внутреннему отражению // XV МНТКСА "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2009. Т. 1. С. 151-152.

7. Тычинский В. П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // Успехи физических наук, 171:6, 2001. С. 649-662.

8. Тарасевич Ю.Ю., Исакова О.П., Водолазская И.В. Математическое моделирование процессов формирования и эволюции межфазных фронтов в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей // Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории, приложения : Материалы I Международной конференции. - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2010. С. 7-25.

9. Dhavaleswarapu Н.К., Migliaccio С.Р., Garimella S., Murthy J.Y. Experimental Investigation of Evaporation from Low-Contact-Angle Sessile Droplets // Langmuir, 2010, №26(2), pp. 880-888.

10. Андреева Л.В., Новоселова A.C., Лебедев-Степанов П.В., Иванов Д.А., Кошкин A.B., Петров А.Н., Алфимов М.В. Закономерности кристаллизации растворенных веществ из микрокапли // Журнал технической физики, 2007, Т. 77, №2, с. 22-30.

11. Emily В. Moore & Valeria Molinero. Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice // Nature 479, 2011, pp. 506-508.

12. Зырянов A.A., Шереметьев M.B., Пронин С.П., Зрюмова А.Г. Визуальное исследование кристаллизации водных растворов // Ползуновский альманах, 2012, №2, с. 140-141.

13. Бородин С.А., Волков А.В., Казанский H.JI. Автоматизированное устройство для оценки степени чистоты подложки по динамическому состоянию капли жидкости, наносимой на ее поверхность // Компьютерная оптика, 2006, №28, с. 70-75.

14. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. - Долгопрудный : Интеллект, 2008. - 665с.

15. Vinogradova O.I., Belyaev A.V. Wetting, roughness and flow boundary boundary conditions // Journal of Physics: Condensed Matter, 2011, №23, 184104, 15 pp.

16. Лейкин M.B., Молочников Б.И. Отражательная рефрактометрия. -Л.: «Машиностроение». 1983.

17. Иванов B.C., Котюк А.Ф. и др. Фотометрия и радиометрия оптического излучения (общий курс). Книга 5. Измерения оптических свойств веществ и материалов. Часть вторая. Колориметрия. Рефрактометрия. По-ляриметрия. Оптическая спектрометрия в аналитике - М.: «Полиграф сервис», 2002. - 304 с.

18. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Корнышева С.В. Государственный эталон единицы показателя преломления // Измерительная техника, 2004, № 11. С. 3-6.

19. Garcia-Valenzuela A., Pena-Gomar М. С., Fajardo-Lira С. Measuring and sensing a complex refractive index by laser reflection near the critical angle // Opt. Eng. 41(7). July, 2002. Pp. 1704 - 1716.

20. Pena-Gomar M. С., Garcia-Valenzuela A., Rosete-Aguilar M. Design of an optical probe based on angle scanning reflectometry near the critical angle // Opt. Eng. 42(3). March, 2003. Pp. 853 - 861.

21. Bali L.M., Shukla R.K., Anchal Srivastava, Kumar M., Atul Srivastava and Saxena M. Enhancement in sensitivity and range of the prism based refrac-tometer sensor // Journal of Optics. Vol. 34. No. 1. 2005. Pp. 28 - 32.

22. White M.B. Totally reflecting laser refractometer. - United States Patent No. 3,770,352. Nov. 6, 1973.

23. Huang P. and Breuer K.S. Direct measurement of anisotropic near-wall hindered diffusion using total internal reflection velocimetry // Phys. Rev. E 76, 046307, 2007.

24. Новотный Д., Хехт Б. Основы нанооптики. М.: Физматлит. 2009.

25. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит. 2009.

26. Kim Т. and Kihm К. D. Full-Field and Real-Time Surface Plasmon Resonance Imaging Thermometry // Optics Letters. Vol. 32. No. 23. 2007.

27. Chen K.-H., Hsu C.-C., Su D.-C. Measurement of the concentration of a solution with surface plasmon resonance heterodyne interferometry // Opt. Eng. 42(7). July, 2003. Pp. 1884 - 1887.

28. Чиннов E.A., Кабов O.A. Режимы двухфазного течения в плоском коротком микроканале // Письма в ЖТФ, 2008, Т. 34, №16, с. 41-47.

29. Minakov A.V., Rudyak V.Ya., Gavrilov A.A., Dekterev A.A. On optimization of mixing process of liquids in microchannels // Журнал СФУ. Сер. Матем. и физ., 3:2, 2010, с. 146-156.

30. Ареф X. Развитие хаотической адвекции // Нелинейная динамика, 2006, Т. 2, № 1, с. 261-280.

31. Beebe D.J., Adrian R.J., Olsen M.G., Stremler М.А., Aref Н., Jo B.H. Passive mixing in microchannels: Fabrications and flow experiments //Mécanique & Industries, 2001, V. 2, p. 343-348.

32. Barash L.Yu., Bigioni T.P., Vinokur V.M., and Shchur L.N. Evaporation and fluid dynamics of a sessile drop of capillary size // Phys. Rev. E 79, 046301,2009.

33. Михалев A.C., Скориякова H.M. Рефракционная система для исследования испарения капель жидкости с твердой поверхности // Метрология. 2010. № 11. С. 22-29.

34. Пызин Г.П., Ушаков B.JI. и др. Измерение радиусов кривизны лежащих капель воды в процессе их испарения методом интерферометрии // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика», 2009, Вып. 1,№ 22(155). С. 87-90.

35. Saverchenko V.I., Fisenko S.P., Khodyko Yu.A. Evaporation of a pi-coliter droplet on a wetted substrate at reduced pressure // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 84, No. 4, July, 2011. Pp. 723-729.

36. Bhardwaj R., Longtin J.P., Attinger D. Interfacial temperature measurements, high-speed visualization and finite-element simulations of droplet impact and evaporation on a solid surface // International Journal of Heat and Mass Transfer. V. 53. 2010. P. 3733.

37. Оптико-электронные измерения. Сборник статей. / Под. ред. B.C. Иванова - М.: Университетская книга, 2005. 712 с.

38. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1973.

39. Meixner А., Ворр М., and Tarrach G. Direct measurement of standing evanescent waves with a photon scanning tunneling microscope // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 7995.

40. Wolf E. and Nieto-Vesperinas M. Analyticity of the angular spectrum amplitude of scattered fields and some of its consequences // Opt. Soc. Am. A. 1985. V. 2. P. 886-889.

41. Culshaw W., Jones D.S. Effects of a metal plate on total reflection //Proc. Phys. Soc. 1954. B66. P. 859.

42. Afshar A.R., Thetford A. An experiment to measure frustrated total internal reflection // Eur. J. Phys. 1982. No. 3. Pp. 72 - 74.

43. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Визуализация потоков жидкости по нарушенному полному отражению // Труды конференции "Оптические методы исследования потоков". М.: Изд-во МЭИ, 2009. С. 546-549.

44. Павлов И.Н. Анализ лазерной системы визуализации пристеночных потоков жидкости по нарушенному полному внутреннему отражению // "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение" : сб. тр. 8-й Всерос. конф. с элементами молодеж. науч. шк., Саранск, Изд-во Мордов. ун-та, 2009. С. 94.

45. Павлов И.Н. Визуализация испарения капель по нарушенному полному внутреннему отражению // «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : XVIII МНТКСА : Тез. докл. В 3-х т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2012, с. 171-172.

46. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Визуализация пристеночных течений жидкости по нарушенному полному внутреннему отражению // Сборник докладов 19-й международной конференции "Лазеры. Измерения. Информация." Т. 1. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та. 2009. С. 224234.

47. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Анализ чувствительности установки для визуализации потоков по нарушенному полному внутреннему отражению // Сборник докладов 20-й международ-ной конференции "Лазеры. Измерения. Информация" Т. 1. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та. 2010. С. 367-378.

48. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Исследование физических процессов в пристеночном слое жидкости методом НПВО // «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» : сб. тр. 11-й Всерос. с междунар. участием конф.-шк. - Саранск.: Изд-во Морд, ун-та. 2012. С. 83.

49. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев A.B. Лазерный визуали-затор неоднородности пристеночных слоев жидкости // Измерительная техника, 2010, №10. С. 33-35.

50. Павлов И.Н. Экспериментальная установка для исследования пристеночных процессов в жидкостях // "Материалы нано-, микро-, опто-электроники и волоконной оптики: физические свойства и применение" : сб. тр. 10-й Всерос. (с междунар. участ.) конф. с элементами молодеж. науч. шк., Саранск, Изд-во Мордов. ун-та, 2011. С. 97.

51. http://videoscan.ru/page/740

52. Конник М.В., Маныкин Э.А., Стариков С.Н. Расширение возможностей коммерческой цифровой фотокамеры для регистрации пространственных распределений интенсивности лазерного излучения // Квантовая электроника, 2010, №4, с. 314-320.

53. http://videoscan.ru/page/824

54. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S. Near-Wall Liquid Flows Visualization on Frustrated Total Internal Reflection // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, Vol. 18, No. 4, pp. 322-327.

55. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Лазерная визуализация потоков неоднородной жидкости в микроканалах // III Всероссийская молодежная школа-семинар с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», Москва, ФИАН, 2009. С. 24.

56. Павлов И.Н. Особенности визуализации перемешивания жидкостей по нарушенному полному внутреннему отражению // Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. С. 30.

57. Павлов И.Н. Визуализация перемешивания жидкостей в Т-образном микроканале // «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : XVII МНТКСА : Тез. докл. В 3-х т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2011, с. 171-172.

58. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S. Inhomogeneous Near-Wall Liquid Flows Visualization by Frustrated Total Internal Reflection of Laser Beam //Proc. of PSFVIP-8, Moscow, Russia, 2011, paper No. 105.

59. Павлов И.Н. Визуализация испарения капель жидкости с горизонтальной подложки // Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях», Москва, 2011. С. 124-125.

60. Pavlov I.N., Rinkevichyus В.S., Tolkachev A.V. Visualization of physical processes in liquid drops on horizontal surface //15 International Symposium on Flow Visualization, Belarus, Minsk, 2012. Paper 018.

61. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Применение метода нарушенного полного внутреннего отражения для исследования испарения капли с поверхности // Оптические методы исследования потоков: XI Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. -Электрон, дан. - М.: МЭИ (ТУ), 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Доклад №4, 6 с. - ISBN 978-5-9902974-1-8 - № гос. регистрации 0321101669.

62. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев A.B. Установка для визуализации испарения капли жидкости методом нарушенного полного внутреннего отражения лазерного пучка // «Приборы и техника эксперимента», 2013, №2. С. 130-135.

63. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика кристаллизации пристеночных слоев жидкости // II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. С. 36-37.