СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОЛИНОМИАЛЬНОЙ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ АППРОКСИМАЦИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИХ ОТКЛИКОВ МАГНИТНЫХ НАНОЖИДКОСТЕЙ

Бесплатный доступ

Проведено количественное сравнение возможностей полиноминальной и аналитической аппроксимаций слабых поляризационно-оптических откликов разбавленных магнитных наножидкостей (НЖ). В качестве критериев сравнения различных методов аппроксимации использованы оценки коэффициентов детерминации. Количественно показано, что для всех исследованных значений магнитного поля зависимости величин слабых поляризационно-оптических откликов магнитных НЖ от концентрации обладают подобием в диапазоне концентраций, составляющем более трех порядков. Рассмотрены возможности использования коэффициентов аппроксимации для оценки параметров исследуемых НЖ. Методы аппроксимации экспериментальных данных поляризационно-оптических откликов НЖ, рассмотренные в работе, равноправны, так как коэффициенты детерминации для этих методов близки друг к другу. Преимущество метода аппроксимации с помощью аналитической функции заключается в том, что один из коэффициентов аппроксимации напрямую связан с концентрацией анализируемой НЖ и для оценки концентрации не нужно использовать калибровочные кривые и проводить интерполяцию, как это необходимо делать при аппроксимации с помощью полиномов. Аналитическая аппроксимация откликов исследованных НЖ с помощью зависимостей, использующих гиперболические функции, более чувствительна к наличию выбросов в экспериментальных данных, чем метод аппроксимации на основе полиномов. Метод оценки концентраций с помощью калибровочных кривых может быть успешно использован даже при наличии заметных выбросов в экспериментальных данных, если применять полиномиальную модель откликов.

Еще

Количественный поляризационно-оптический анализ, магнитные наножидкости, аппроксимация экспериментальных данных

Короткий адрес: https://sciup.org/142245618

IDR: 142245618   |   УДК: 535.4;551.501

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE POSSIBILITIES OF POLYNOMIAL AND ANALYTICAL APPROXIMATIONS OF POLARIZATION-OPTICAL RESPONSES OF MAGNETIC NANOFLUIDS

A quantitative comparison of the possibilities of polynomial and analytical approximation of weak polarization-optical responses of dilute magnetic nanofluids (NF) is carried out. Estimates of the coefficients of determination are used as criteria for comparing different approximation methods. It is shown quantitatively that for all studied values of the magnetic field, the dependences of the values of weak polarization-optical responses of magnetic NF on concentration are similar in the concentration range of more than three orders of magnitude. The possibilities of using the approximation coefficients for estimating the parameters of the NF under study are considered. The considered methods for approximating experimental data of NF polarization-optical responses are equivalent, since the coefficients of determination for these methods are close to each other. The advantage of the approximation method using an analytical function is that one of the approximation coefficients is directly related to the concentration of the analyzed NF. As a result, there is no need to use calibration curves and perform interpolation in order to estimate the concentration, in contrast to approximation with polynomials. Analytical approximation of the responses of the studied NF by means of dependencies using hyperbolic functions is more sensitive to the outliers in the experimental data than the approximation method based on polynomials. If a polynomial response model is used, the method of estimating concentrations through calibration curves can be successfully applied even when there are noticeable outliers in the experimental data.

Еще

Список литературы СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОЛИНОМИАЛЬНОЙ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ АППРОКСИМАЦИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИХ ОТКЛИКОВ МАГНИТНЫХ НАНОЖИДКОСТЕЙ

  • 1. Fofanov Ya.A. Threshold sensitivity in optical measurements with phase modulation // Proc. SPIE 1811, Tenth All-Union Symposium and School on High Resolution Molecular Spectroscopy, p. 413–414 (1 July 1992). DOI: 10.1117/12.131190
  • 2. Sokolov I.M., Fofanov Ya.A. Investigations of the small birefringence of transparent objects by strong phase modulation of probing laser radiation // J. Opt. Soc. Am. A. 1995. Vol. 12, no. 7. P. 1579–1588. DOI: 10.1364/JOSAA.12.001579
  • 3. Фофанов Я.А. Методы и приборы для количественного анализа структурного двулучепреломления материалов и веществ // Научное приборостроение. 1999. T. 9, № 3. С. 104–110. ULR: https://iairas.ru/mag/1999/full3/Art11.pdf
  • 4. Фофанов Я.А., Афанасьев И.И., Бороздин С.Н. Структурное двупреломление в кристаллах оптического флюорита // Оптический журнал. 1998. Т. 65, № 9. С. 22–25.
  • 5. Фофанов Я.А., Плешаков И.В., Кузьмин Ю.И. Лазерное поляризационно-оптическое детектирование процесса намагничивания магнитоупорядоченного кристалла // Оптический журнал. 2013. Т. 80, № 1. С. 88–93. URL: https://opticjourn.ru/index.php/ru/abstract/2013-80-1-88-93
  • 6. Fofanov Ya. On the analogy in evolution processes and the behavior of a magnetically ordered systems // Natural Science. 2013. Vol. 5, no. 4A. P. 14–17. DOI: 10.4236/ns.2013.54A003
  • 7. Фофанов Я.А., Бардин Б.В. О поляризационных откликах объектов с малой оптической анизотропией // Научное приборостроение. 2016. Т. 26, № 1. С. 58–61. URL:http://iairas.ru/mag/2016/abst1.php#abst8
  • 8. Kuraptsev A.S., Sokolov I.M., Fofanov Ya.A. Coherent specular reflection of resonant light from a dense ensemble of motionless point-like scatters in a slab geometry // Int. J. Mod. Phys. Conf. Ser. 2016. Vol. 41. Id. 1660141. P. 1–9. DOI: 10.1142/S2010194516601411
  • 9. Фофанов Я.А., Плешаков И.В., Прокофьев А.В. Исследование поляризационных магнитооптических откликов слабоконцентрированной феррожидкости // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42, вып. 20. C. 66–72. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/43804
  • 10. Fofanov Ya., Vetrov V., Ignatenkov B. Laser PolarizationOptical Sounding of Optical Crystals and Ceramics // IEEE Xplore Digital Library. ICLO. 2018. P. 406–406. DOI: 10.1109/LO.2018.8435268
  • 11. Scherer C., Figueiredo Neto A.M. Ferrofluids: Properties and applications // Braz. J. Phys. 2005. Vol. 35, no. 3A, P. 718–727.
  • URL: https://www.sbfisica.org.br/bjp/files/v35_718.pdf
  • 12. Nepomnyashchaya E.K., Prokofiev A.V., Velichko E.N. et al. Investigation of magneto-optical properties of ferrofluids by laser light scattering techniques // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 431. Proc. of ICMF-14. P. 24–26. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.10.002
  • 13. Davis H.W., Llewellyn J.P. Magnetic birefringence of ferrofluids: I. Estimation of particle size // J. Phys. D: Appl. Phys. 1979. Vol. 12, no. 2. P. 311–319. DOI: 10.1088/0022-3727/12/2/018
  • 14. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Бардин Б.В. О подобии поляризационно-оптических откликов магнитных наножидкостей. Ч.1 Аппроксимация для слабых полей // Научное приборостроение. 2018. Т. 28, № 1. C.45–52. URL: http://iairas.ru/mag/2018/abst1.php#abst6
  • 15. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Бардин Б.В. О подобии поляризационно-оптических откликов магнитных наножидкостей. Ч. II. Оценка статистической значимости коэффициентов регрессии // Научное приборостроение. 2018. Т. 28, № 2. С. 54–62. URL: http://iairas.ru/mag/2018/abst2.php#abst8
  • 16. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Курапцев А.С. Статистический анализ данных высокочувствительного лазерного поляризационнооптического зондирования магнитных наножидкостей // Оптический журнал. 2020. Т. 87, № 2. С. 36–43. DOI:10.17586/1023-5086-2020-87-02-36-43
  • 17. Фофанов Я.А., Манойлов В.В., Заруцкий И.В., Курапцев А.С. Лазерная поляризационно-оптическая диагностика упорядоченных объектов и структур // Известия РАН, серия физическая. 2020. Т. 84, № 3. С. 341–344. DOI: 10.31857/S0367676520030114
  • 18. Скибин Ю.Н., Чеканов В.В., Райхер Ю.Л. Двойное лучепреломление в магнитной жидкости // ЖЭТФ. 1977. Т. 72, вып. 3. С. 949–955. URL:https://elibrary.ru/item.asp?id=19083100
  • 19. Scholten P.C. The origin of magnetic birefringence and dichroism in magnetic field // IEEE Trans. Magn. 1980. Vol. 16, no 2. P. 221–225. DOI: 10.1109/TMAG.1980.1060595
  • 20. Coleman T.F., Li Y. An Interior, Trust Region Approach for Nonlinear Minimization Subject to Bounds // SIAM Journal on Optimization. 1996. Vol. 6. P. 418–445. DOI: 10.1137/0806023
  • 21. Dennis J.E., Jr. Nonlinear Least-Squares // The State of the Art in Numerical Analysis / Ed. D. Jacobs. N.-Y., London: Academic Press, 1977. P. 269–312.
  • 22. Фофанов Я.А., Манойлов В.В. Высокочувствительное лазерное зондирование и структурная диагностика упорядоченных веществ, материалов, микро- и наносистем. Обзор // Оптический журнал. 2024. Т. 91, № 4. С. 26–39. DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-04-26-39
Еще