Лазерный цифровой спекл-голографический интерферометр

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

 

 

КАФЕДРА ОПТИКИ ЛАЗЕРОВ

 

 

Реферат

Лазерный цифровой спекл-голографический интерферометр

 

 

 

     Группа: 5261

Студент: Волков О.В.

                                                                            Преподаватель:

Тарлыков В.А.

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ3

1 ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ 5

2 СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ 11

3 ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРО-МЕТРИЯ13

4  ОПИСАНИЕ ЛАЗЕРНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ18

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 Существует много методов диагностики на основе интерферометрии и голографии [1]. Однако, они сложны как в процессе регистрации, так и в процессе обработки и получения полезной информации.

Лазерный компьютерный спекл-голографический интерферометр (ЛКСГИ) в отличие от наиболее прогрессивной голографической интерферометрии относится, прежде всего, к экспресс-методам контроля качества и является уникальным измерителем малых смещений и напряжений на уровне порядка нанометров в течение неограниченного времени при покадровой регистрации. Система измерений позволяет решать ряд задач:

– о местах приложения и величинах нагрузок, действующих на упругое тело; 

– о напряжениях в тонких пленках и связях их механических характеристик с напряжениями;

– о распределенных и локальных неоднородностях структуры тела при импульсном нагреве образца лазерным излучением, пучком заряженных частиц, СВЧ-энергией и т.п.; 

– о микротрещинах и внутренних расслоениях, об отслоениях покрытий и деформационных предпосылках их возникновения и т.д. 

Измерение концентрированных потоков энергии (КПЭ) малых величин, которые импульсно излучаются сверхширокополосными высокочастотными генераторами, является актуальной задачей, так как нет эффективных приемников регистрации КПЭ с пространственно-временным разрешением.

Развитие лазерной техники привело к созданию целого ряда методов диагностики материалов. Это интерферометрия, голография, голографическая интерферометрия для определения различных деформаций, смещений, изгибов, изменений формы поверхности под влиянием, например, внешнего импульсного источника нагрева. Существенным продвижением в вышеперечисленных измерениях стали методы спекл-голографии, которые позволили исключить влияния внешних вибраций и смещений на качество регистрации.

 

1. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

Интерференция наблюдается при сложении двух волн, когда при условии их когерентности, т.е. постоянной разности фаз этих волн, возникает характерное пространственное распределение интенсивности света - интерференционная картина. С созданием лазера стала развиваться оптическая голография – способ записи и восстановления световых волн, рассеянных объектом и несущих информацию о его форме, т.е. трехмерного образа объекта.

С развитием голографии возникла голографическая интерферометрия, выполняемая гораздо проще, чем обычная интерферометрия, с меньшими затратами и ограничениями. Ее сущность такова: если совместить две голограммы объекта, записанные в различное время при разных состояниях поверхности объекта, то при освещении этой фотопластинки лазерным лучом возникает результирующая интерферограмма, отражающая разницу геометрических состояний объекта. Линии интерферограммы показывают как перемещения объекта в целом, так и локальную деформацию по его поверхности. Общие и локальные перемещения обычно хорошо разделяются.

Рассмотрим более подробно основные принципы голографической интерферометрии. Взаимодействие восстанавливающей волны со структурой, записанной на голограмме, приводит к восстановлению объектной волны. Если восстанавливающая волна - точная копия опорной, то точно восстанавливаются и фазовая и амплитудная структуры объектной волны. Если осветить голограмму, убрав объект, мы увидим его изображение на том же месте и в том же состоянии, в котором он был во время записи голограммы. Если не убирать объекта, то за голограммой будет одновременно распространяться две волны: одна - восстановленная голограммой, другая - непосредственно рассеянная объектом. Эти волны когерентны и могут интерферировать. Так как восстановленная волна сдвинута по фазе на π относительно объектной волны, то, если объект полностью стационарен, волны будут гасить друг друга и наблюдатель не увидит объекта. Если же объект или среда, в которой он находится, подверглись между экспозициями возмущению, то на голографическом изображении появятся интерференционные полосы. Интерференционная картина будет характеризовать те изменения, которые произошли с объектом за промежуток времени между записью голограммы и наблюдением интерференционной картины. При изменении состояния объекта во время наблюдения, например при его деформации или смещении, или же при изменении показателя преломления прозрачного (фазового) объекта интерференционная картина будет изменяться одновременно – метод реального времени (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема установки: 1 – лазер, 2 – светоделительный куб, 3 – зеркала, 4 – объектив, 5 – голограмма, 6 – восстановленное изображение объекта, 6’ – исследуемый объект,  7 – рассеивающая линза, 8 – волна, отраженная от объекта 6, 8’ – волна, отраженная от объекта 6’

В другом методе голографической интерферометрии на одной фотопластинке последовательно регистрируют две (или несколько) голограммы, соответствующие разным состояниям одного и того же объекта. Одновременно восстанавливаясь, волны, являющиеся копиями объектных волн, существовавших в разное время, интерферируют (метод двойной экспозиции). В этом случае восстановленные волны при отсутствии изменений состояния объекта складываются и дают яркое изображение объекта (рис. 2, 3)

Рисунок 2 – a) Схема получения: 1 – лазер; 2 – светоделительная пластинка; 3 и 6 – линзовые системы; 4 и 5 – зеркала; 7 – объект; 8  ̶  фотопластинка; б) Схема восстановления: 1 – лазер; 2 – линзовая система; 3 – зеркало; 4 – голограмма; в) Схематическое изображение интерференционной картины

Рисунок 3 – Голографическая интерферограмма деформируемой стальной пластинки, полученная методом двойной экспозиции

Предельный случай метода многих экспозиций - метод усреднения во времени, когда голограмма изменяющегося во времени объекта (например, деформируемого, движущегося поступательно или колебательно) экспонируется непрерывно. При этом на голограмме будут зарегистрированы волны, рассеянные объектом во всех промежуточных состояниях, которые он последовательно проходит во время экспозиции. Восстановленные такой голограммой волны образуют интерференционную картину, дающую представление о характере смещения различных точек объекта в течение экспозиции.

Голография позволила исследовать объекты с любым рельефом. Голографический метод оказался удобным, надежным, быстрым и эффективным в работе. Один из главных недостатков метода голографической интерферометрии связан с необходимостью записи интерференционной структуры на высокоразрешающие фотоэмульсионные среды. Сам процесс записи и обработки голограмм довольно сложен и трудоемок: низкая чувствительность фотоматериалов требует экспозиций порядка секунд, мокрая обработка фотопластинок или обслуживание оборудования термопластической записи и визуальное считывание интерферограмм нуждается в специальных навыках операторов.

Рассмотрим схему голографического интерферометра для определения распределения плотности энергии лазерного излучения высокой энергии в его поперечном сечении, которая была применена в экспериментах ННЦ ХФТИ (рис. 4) [2]. Целью данной работы является определение распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка концентрированного потока энергии (КПЭ), который формируется в сверхширокополосном высокочастотном генераторе (СШПВЧГ). Была предложена структурная схема прибора для измерения плотности энергии в поперечном сечении ВЧ-пучка из СШПВЧГ, определен материал-регистратор, который чувствителен к пучку КПЭ, подобраны лазерные излучатели, пригодные для диагностики изменения оптических характеристик этого материала под воздействием пучка КПЭ. Определены приемные лазерные устройства, диагностирующие пучок с последующей обработкой полученной информации при помощи ПК.

 Лазерный пучок высокой  энергии (1) проходит через лавсановую  пленку (2) и попадает на поглотитель (4). Перпендикулярно проходит рабочий пучок (3) диагностического лазера и попадает на фотопластинку (5). Опорный лазерный пучок (6) попадает на ту же фотопластинку (5) под некоторым углом к рабочему пучку (3).

Рисунок 4 – Схема голографического интерферометра для определения распределения плотности энергии пучка лазерного излучения в его поперечном сечении: 1 – лазерный пучок с высокой энергией в импульсе; 2 – лавсановая пленка с механизмом перемотки;  3 – рабочий пучок диагностического лазера;  4 – поглотитель лазерного излучения; 5 – фотопластинка – регистратор голограмм; 6 – опорный пучок диагностического лазера

Для регистрации интерферограмм можно использовать метод двойной экспозиции(рис. 2). Первая экспозиция проводится без включения лазера 1. На фотопластинку попадают лучи (рабочий 3 и опорный 6), импульсного диагностического лазера с длительностью импульса 20 нс, и регистрируется голограмма поверхности прозрачной лавсановой пленки. Вторая экспозиция проводится с включенными лазером длительностью импульса 1 мс и диагностическим лазером одновременно. В этом случае на фотопластинке регистрируется голограмма плазмы, которая образовывается при сжигании лавсановой пленки лазером с высокой энергией излучения. Плазма является фазовым объектом, поэтому суперпозиция первой и второй экспозиций приводит к образованию интерференции на фотопластинке, которая отражает изменения фазы по полю наблюдения. 

На интерферограммах, полученных во сремя прохождения диагностируемого лазерного пучка через плазму в месте расположения пленки(рис. 5) видно, как формируется плазменное облако, которое образовалось из сгоревшей лавсановой пленки. Сначала интерференция образуется локально по полю наблюдения в виде отдельных темных точек (а). Затем плотность плазмы растет, и в отдельных местах наблюдается ряд интерференционных полос (б).

Рисунок 5 - Интерферограммы, полученные по схеме  измерений на Рис.1 при различных временах  задержки времени запуска диагностического лазера относительно старта излучения лазера с высокой энергией: а – 0,3 мс; б – 0,4 мс; в – 0,6 мс

Далее плазма разогревается в местах большей концентрации энергии лазерного потока и видны островки уплотнений, которые локализуются в виде замкнутых кольцевых полос интерференции. По кольцевым интерференционным полосам можно определить среднюю плотность образующейся плазмы.

 

2. СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

При исследовании прозрачных фазовых объектов спекл-структура не образуется, и проблем с регистрацией голографических интерферограмм не возникает. Голографическая регистрация объектов исследования с шероховатой поверхностью сопровождается спекл-структурой, которая возникает при взаимодействии когерентных лучей, отраженных от поверхности исследуемого объекта. На шероховатостях лазерные лучи отражаются хаотически в пространстве над поверхностью и, встречаясь, взаимодействуют, создавая локальную точечную интерференционную картину у поверхности. При голографировании поверхности спекл-структура является шумом, ухудшающим изображение, но в спекл-интерферометрии это носитель информации. Для разделения спекл-структуры от голографического изображения достаточно провести регистрацию голограммы методом сфокусированного изображения объекта на регистраторе [3]. Запись и сопоставление двух спекл-структур выявляют изменения в положении или геометрии тела в виде такой же системы линий, как и в голографии, т.е. интерферограммы, причем, с той же чувствительностью.

Спекл-картины обычно формируются при отражении когерентного света от случайно рассеивающей среды. В результате интерференции световых лучей, пришедших от случайно распределенных рассеивателей, на экране создается случайная структура распределения интенсивности света в виде ярких и темных пятен – спекл-картина. Если в среде происходит изменение движения рассеивателей или изменение их физико-химического состояния, то эти изменения обязательно найдут отражение и на спекл-картине.

В качестве оптического динамического метода для наблюдения за изменением структуры поверхности в отраженном свете или структуры рассеивателей в объеме в прошедшем рассеянном свете может быть выбран метод спекл-интерферометрии. Обычно спекл-структура имеет вид хаотически расположенных мелкоструктурных темных и светлых пятен размером порядка микрометра, которые видны при сильном увеличении (Рис. 6). 

Рисунок 6 – Спекл-картина в поле дифракции лазерного пучка на шероховатой поверхности

3. Спекл-структура, фиксируемая на всех видах голограмм и присутствующая на восстановленных голографических изображениях, обусловлена микроструктурой поверхности объекта и однозначно с ней связана в том смысле, что смещению поверхности между двумя экспозициями соответствует смещение спекл-структуры на голограмме, спекл-голограмме и восстанавливаемом голографическом изображении. Эта зависимость позволяет рассмотреть существующие методы расшифровки голограмм двойной экспозиции с единых позиций спекл-интерферометрического подхода [4], согласно которому образование голографических интерферограмм, формирующих идентичные (соответствующие) спекл-пятна, обусловлено интерференцией излучения. 
   ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ                                ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ