Главная > Оптика > Введение в когерентную оптику и голографию
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

5. Интерферометрия

Благодаря изобретению голографии область применения интерферометрии расширяется настолько, что становится возможным исследование не только простых идеализированных поверхностей, но и диффузно отражающих предметов произвольной формы. До сих пор интерферометрический метод применялся лишь для исследования качества зеркальных поверхностей, линз и полированных предметов правильной формы. В голографическом интерферометре не требуется зеркального отражения. Для опорного волнового фронта не нужно иметь аналитического выражения, а помехи на оптическом пути могут быть довольно существенными. Более того, оказывается возможным создавать

интерферограмму изображений, либо существующих в разное время, либо записываемых с помощью излучения разной длины волны. Анализ проблем голографической интерферометрии наиболее подробно изложен в работах [1, 50—52, 112].

Направления голографической интерферометрии можно классифицировать как по типу используемой методики, так и по характеру применения. В методическом отношении различают интерферометрию с двойной экспозицией, с многократной экспозицией, мгновенную интерферометрию поверхностей, импульсную интерферометрию динамических фазовых объектов и интерферометрическое измерение восстановленных трехмерных изображений.

Прежде чем перейти к рассмотрению применений, остановимся на основных интерферометрических схемах. Наиболее прост для эксперимента метод двойной экспозиции. Имея лазер и мелкозернистую фотопластинку, можно дважды заснять на голограмму любую поверхность, если, конечно, она не абсолютно черная. Если в промежутке между экспозициями поверхность в отдельных местах немного деформировалась, то на восстановленном изображении в этих местах возникнут интерференционные полосы). Преимущества этого метода в том, что он не требует совершенной оптики и точной юстировки; кроме того, если экспонировать пленку в два разных момента времени, он позволит изучать как стационарные, так и нестационарные процессы. В этом методе также привлекает легкость изготовления дифференциальных интерферограмм, регистрирующих малые изменения оптического пути лучей или положения предметов сложной формы.

Если поверхность вибрирует, голограмма как бы многократно экспонируется, запечатлевая множество изображений в определенном диапазоне позиций. При этом волновые фронты, отраженные вибрирующей поверхностью, усредняются на голограмме по времени. В восстановленном изображении возникает система интерференционных полос, определяющая узлы и контуры мест с постоянной амплитудой вибраций.

Эти два метода дают возможность изучать происходящие явления, не позволяя управлять ходом событий. Мгновенная интерферометрия сразу дает сведения об изменениях. Если проявленную голограмму поместить на прежнее место и осветить, а также подсветить лазером предмет, возникнет интерференция восстановленных и предметных волновых фронтов. Например, в схеме, изображенной на рис. 5, в направлении призмы пойдут

две плоские волны: одна прямая, прошедшая призму, а другая — восстановленная с голограммы. Эти волны в точности совпадают. Если теперь слегка изменить угол призмы, то наблюдатель увидит систему параллельных интерференционных полос.

Необходимо отметить, что качество оптики как в этом методе, так и в остальных не играет роли, поскольку она одинакова на обоих этапах. Однако здесь требуется точная юстировка, поскольку голограмма после проявления должна быть помещена в исходную позицию, так как в противном случае полосы будут обусловлены не изменениями в предмете, а несовмещением предмета и его изображения.

Рис. 5. Схема интерференции восстановленного и предметного волновых фотонов. 1 — лазер; 2 — призма; 3 — голограмма, на которой «записано» изображение призмы; 4 — совпадающие предметный и восстановленный волновые фронты; 5 — наблюдатель.

Конечно, визуальный контроль дает меньше деталей исследуемого предмета, чем фотографический (например, с двойной экспозицией), но зато достигается выигрыш во времени.

Применения голографической интерферометрии можно разделить на четыре основных направления: исследование вибраций, деформаций, фазовых предметов (т. е. таких предметов, которые меняют лишь фазу прошедшей волны, оставляя неизменной ее интенсивность) и интерферометрические измерения.

Интерферометрический анализ вибраций диффузно отражающих предметов рассмотрен в работах [105, 111]. Наблюдение проводилось как по методу многократной экспозиции, так и путем мгновенной интерферометрии. В последнем случае изготавливалась голограмма неподвижного предмета, а затем через нее наблюдался вибрирующий предмет.

Применение голографии для анализа вибраций позволило приступить к исследованию ряда проблем, которые ранее не поддавались решению. Например, предполагается [78] изучать колебания мембран в микрофонах и громкоговорителях, поверхностные волны на различных материалах. Открывается

возможность обнаружения вибраций объектов в вакууме, когда нет среды, передающей звук. Предлагается оригинальный метод обнаружения дефектов в толстых и тонких металлических изделиях сложной формы, которые не удается изучать рентгеновскими методами. Мощным импульсом ИК-лазера предполагается вызывать звуковые волны в металле, а затем детектировать их с поверхности голографическим методом.

Продемонстрирована [81] высокая эффективность голографического вибрационного анализа при его использовании для ультразвукового неразрущающего контроля: для обнаружения и изучения трещин, несоверщенств и щелей в твердых телах. Были изготовлены две пластины холоднокатаной стали, причем на одной была трещина. Затем с помощью соленоида в пластинках возбуждались вибрации частотой от 110 до 617 гц. Интерференционные картины для этих пластинок сильно отличались между собой и по-разному менялись с частотой. В месте трещины всегда возникали пучности, так как там металл ослаб, и колебания происходили с наибольщей амплитудой.

Голографический контроль необработанных поверхностей можно применить в большом числе случаев. Все эти применения опираются на интерференционный метод сопоставления нескольких состояний при помощи экспозиции на голограмму. Перечислим здесь лишь некоторые применения. Так, можно исследовать все изменения в твердых телах, отражающиеся на форме и качестве их поверхности [96]. Изменения могут вызываться действием нагрева, давления или набухания. Например, можно исследовать пузыри и непровары в стенках полых сосудов [98]. Нагрев воздуха внутри сосуда вызывает расширение стенки, причем участки с лучшей теплопроводностью расширяются больше, чем нормальные участки. Картина интерференционных полос позволит выявить эти места. Аналогично можно испытывать сосуды под давлением. Ослабленным местам будут соответствовать частые интерференционные полосы. Предлагается изучать ползучесть материала [28]. (Конечно, за время экспозиции смещение не должно превышать длину волны.) Путем подсчета интерференционных полос проведено измерение напряжений в швеллере, находящемся под нагрузкой [24].

Во всех перечисленных применениях производилось сравнение разных состояний одного и того же предмета. Большой интерес для промышленности представляет сравнение разных предметов, например контролируемой детали с эталонной. Сравнение производится [23] с использованием наклонной подсветки. В этом случае на расшифровке интерференционной картины сказывается не только отклонение детали от стандарта, но и неточность ее установки в заданное положение относительно голограммы.

Голографическая интерферометрия динамических фазовых предметов в гидро- и аэродинамике жидких струй, газовых потоков и т. д. требует применения специальной методики, близкой к обычной интерферометрии этих предметов [12, 118—120]. Она отличается от рассмотренной методики отсутствием фокусировки на фотопластинке. Благодаря этому количество фиксируемой информации на фотопластинке увеличивается. Схема эксперимента может быть такой же, как и в методе двойной экспозиции. Возникновение интерференционных полос связано с тем, что свет, прошедший более плотные участки, например фронт ударной Волны, отстает и задерживается по фазе в сравнении со светом, прошедшим тот же путь в однородной среде.

В работах [9, 15, 61] было получено и исследовано восстановленное изображение контура другого фазового предмета — плазмы. С целью получения плазмы излучение рубинового лазера с модуляцией добротности фокусировалось в некоторой точке воздушного объема. Несфокусировавшееся излучение лазера использовалось [15] для получения голограмм габоровского типа. Затем [61] удалось сфотографировать лазерную искру на трех стадиях ее развития по двухлучевой схеме Лейта — Упатниекса. По измерению голограммы удалось подсчитать плотность электронов на различных этапах пробоя. Для наблюдения восстановленного изображения искры использовались шлирен-метод и гелий-неоновый лазер на [9].

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление