Курсовая работа: Практичне застосування фоторефрактивного ефекту

2.ГОЛОГРАФІЧНА ІНТЕРФЕРОМЕТРІЯ

Голографічнаінтерферометрія (див. монографії [4—7] вданийчасєоднимзнайважливішихметодівдистанційногонеруйнівноготестуваннявнайрізноманітнішихобластяхпромисловості, науки, вмедициніітакдалі. Вона заснована на порівнянні двох або декількох хвильових фронтів, зяких принаймні один євідновленим з голограми. Відзначимо, що саме застосуванняголографічних методів запису дозволяє інтерферометрувати складні хвильові фронти, у тому числі і відбиті від реальних (не модельних) дифузно розсіюючих об'єктів.

Максимальна точність вимірювань, які виконуються методами голографічної інтерферометрії, може досягати субмікронного рівня. Вона великою мірою визначається використовуваним методом інтерпретації інтерферограми [5], а також точністю визначення положення інтерференційних смуг. Так, при стандартній погрішності таких вимірювань в 0.5—0.1 ширини смуги і при урахуванні того, що зсувсмуги на свою ширину відбуваєтьсяпри зсувівідбивючої тестованої поверхні на відстань приблизно λ/4, характерна точність методу при λ = 633 нм складає приблизно 0.1÷0.02мкм.

Перші успішні спроби використання ФРК для цілей голографічної інтерферометрії послідували відразу за виявленням високочутливого запису в Bi₁₂ SiO₂₀ (BSO) [8]. Даний кристал і по теперішній час залишається одним з найбільш перспективних для таких застосувань. Застосування ФРК в системах голографічної інтерферметрії найдоцільніше в тих випадках. коли проводиться швидкий якісний контроль виробів при поточному виробництві, безперервному спостереженні за об'єктами або процесами, а також при необхідності контролю їх поведінки під дією низки зовнішніх чинників (температури, навантажень, частоти збудження і т. д.) з метою виявлення екстремальних ситуацій. Саме у подібних завданнях такі найважливіші особливості ФРК, як можливість роботи в безперервному режимі або в циклічному режимі з високою швидкістю повторення за відсутності яких-небудь процедур обробки і скільки-небудь помітної деградації самого ФРК, можуть виявитися вирішальними.

2.1 Двохекспозиційна голографічна інтерферометрія

Суть даної методики полягає в послідовній імпульсній реєстрації на одній і тій же ділянці фоточутливого середовища двох голограм одного і того ж об'єкту (рис. 2.1, а). В результаті освітлення подібної складної суперпозиційної голограми початковим опорним пучком відновлюється зображення об'єкту, покрите мережею інтерференційних смуг. У їх розташуванні, орієнтації, частоті полягає інформація про зміни, що відбулися з об'єктом за час Δt між експозиціями, отримання якої і є основною метою даного експерименту.

Дешифровка результуючої ітерферограми, тобто виявлення реальних змін, що відбулися з об'єктом, є окремим і часто вельми складним завданням. Дещо спрощуючи, можна говорити, що у випадку відбиваючого об'єкту, світлі смуги на відновленому зображенні локалізовані на тих його ділянках, які або зовсім не змістилися, або змістилися на величини, кратні λ/2, вздовж так званих напрямків максимальної чутливості (рис. 2.1). Темні ж смуги при. цьому відповідають ділянкам, що змістилися на відстань λ/4 (2L + 1) (L— будь-яке ціле число), де спостерігається когерентне віднімання амплітуд хвильових полів, відновлених з двох послідовно записаних голограм.

Двохекспозиційні ітерферограми теплових потоків над працюючою радіоелектронною схемою і прозорих пластмасових; моделей під навантаженням (рис. 2.1, б, в) були отримані в [9,10] при використанні кристала BSO.

Рис.2.1. Схема установки для двохекспозиційної голографічної інтерферометрії прозорих об'єктів (а) і типові двохекспозиційні голографічні-ітерферограми прозорих об'єктів, отримані в [9,10] при запису в кристалах BSО (б,в).1- лазер, 2- світоподільник, 3- спостережуваний об'єкт, 4 — зразок взірець ФРК, 5 — проектуюча лінза, 6 — видікон, 7 — монітор.

Найважливішою особливістю ФРК, яку необхідно враховувати в подібних експериментах, є динамічний характер записуваних голограм. Прочитування подібної двохекспозиційної голограми опорним пучком на тій же довжині хвилі неминуче призведе до її оптичного стирання. Тому для подовженнячасу спостереження відновленого зображення потрібне або ослаблення інтенсивності зчитуючого пучка, або використання запису телевізійного зображення.

Стираюча дія позначається не тільки в процесі зчитування, але і протягом запису другої з голограм. Стиранню в даному випадку піддається перша раніше записана голограма. Тому для досягнення максимального контрасту інтерференційних смуг перша голограма повинна записуватися до амплітуди, близько в два рази більшої, ніж друга. При роботі на початковій ділянці запису, де амплітуда голограми у ФРК пропорційна часу запису, це фактично означає приблизно подвоєну величину експозиції при запису першої голограми [9,10].

2.2 Голографічна інтерферометія в реальному часі

При використанні даної методики проводиться імпульсний запис одної єдиної голограми спостережуваного об'єкту в деякий початковий момент часу t_о . Далі проводиться спостереження об'єкту, що освітлюється початковим світловим пучком, через голограму, що освітлюється опорною хвилею (рис. 2.2). В результаті за площиною голограми відбувається інтерференція реальної об'єктної хвилі, що відбилася або пройшла через об'єкт в даний момент часу t, і відновленої з голограми хвилі, відповідаючої стану об'єкту у момент часу t_о . Аналогічно випадку двохекспозиційної голограми, спостерігач бачить об'єкт, покритий мережею інтерференційних смуг, які відображають різницю між станами об'єкту в моменти часу t_о і t. Очевидно, що за наявності стійкої голограми і незмінних умовїї (а також об'єкту) освітлення є можливість спостерігати безперервні зміни стану об'єкту в часі, з чим зв'язана назва методу.

Рис. 2.2. Схема установки для отримання голографічних інтерферограмм прозорих об'єктів в реальному часі».

1 — спостережуваний об'єкт, 2 — зразок ФРК, 3 — вихідна площина;пунктирі лінії показують світловий пучок, відновлений з голограми

Використання ФРК як фото чутливого середовища не дозволяє реалізувати дану методику голографічної інтерферометії в чистому вигляді. Дійсно, безперервне відновлення голограми, записаної у ФРК, рано чи пізно приведе до стирання її початкового стану, що, природно, накладає обмеження на максимально можливу тривалість спостереження за об'єктом. Більш того, при одночасному розповсюдженні через ФРК об'єктної хвилі в його об'ємі за відсутності спеціальних засобів застереження додатково записуватимуться голограми всього набору станів за час спостереження об'єкту через голограму. Проте ця методика простіша і швидша, ніж двохекспозиційна.

2.3 Голографічна інтерферометія за допомогою двох довжин хвиль

На відміну від розглянутих вище дана методика призначена для контролю рельєфу поверхні і точності позиціонування спостережуваних об'єктів. Інтерферограмма тут також двохекспозиційна, проте голограми записуються не в різні моменти часу, а на різних довжинах хвиль λ₁ і λ₂ , близьких по величині |λ₁ - λ₂ | << λ_{1 , 2} (рис. 2.3, а). Відновлення інтерферограмм здійснюється на одній з довжин хвиль λ₁ або λ₂ . В результаті інтерференції двох хвильових фронтів, відновлюваних з двох вказаних голограм, відбувається порівняння фазових рельєфів одного і того ж об'єкту, але взятих в різному масштабі. Відновлене зображення буде покрито системою смуг, що відповідають рельєфу поверхні: центр кожної світлої або темної смуги відповідає точкам, що залягають на однаковій глибині щодо плоского хвильового фронту, освітлюючого об'єкт. Перехід з однієї темної смуги на поряд лежачу означає зсув по глибині об'єкту на величину:

(2.1)

Рис. 2.3. Схема установки для голографічної інтерферометії з двома довжинами хвиль, дифузно розсіюючих об'єктів (а) і приклад інтерферограмми рельєфу монети (б, в).А₁ (λ₁ , λ₂ — освітлюючий світловий пучок 1 — спостережуваний об'єкт, 2 — зразок ФРК. 3 — світлодільник, 4 — вихідна площина.

Основні особливості використання ФРК в даній методиці не відрізняються від перерахованих вище для двохекспозиційної голографічної інтерферометії. На рис. 2.3, б приведений результат відновлення двоххвилевої голографічної інтерферограмми поверхні монети.

2.4 Голографічна інтерферометія з усередненняму часі

Дана методика застосовується для контролю просторового розподілу амплітуди коливання вібруючих об'єктів. Голограма в цьому випадку записується протягом достатньо тривалого відрізку часу Δt >> f^-1 де f — частота вібрації тестованого об'єкту. При відтворенні подібної «усередненої» за часом голограми відновлюється зображення початкового об'єкту, покрите системою смуг різної яскравості. Найбільш яскраві смуги на відновленому зображенні відповідають лініям нульових коливань (вузловим лініям) на картині розподілу коливань по об'єкту. Очевидно, що для цих областей голографічний запис протікає оптимальним чином, оскільки інтерференційні структури, записувані на голограмі в протягом часу Δt, виявляються нерухомими.

Використання ФРК всхемі голографічної інтерферометії з усередненням в часі для цілей голографічної віброметрії виявляється найбільш природним. В даному випадку можливість безпосереднього відновлення голограми в процесі її запису у ФРК являється найважливішою перевагою. Воно дозволяє безперервним чином візуально (або на екрані монітора) контролювати зміну просторового розподілу амплітуди коливань по об'єкту при зміні частоти збудження f її інтенсивності, а також інших чинників: температури, зовнішнього навантаження, змін в конструкці і так далі Відзначимо, що характерним часом усереднювання Δt при подібній безперервній методиці є час запису-стирання голограми у ФРК τ_sc .

Розглянемо один з методів відновлення усереднених в часі голограм, що формуються у ФРК неперервним чином. Перший з них полягає у використанні додаткової світлової хвилі R₂ , що зчитує голограму. Вона розповсюджується строго назустріч плоскій опорній хвилі R₁ , що бере участь в записі голограми (рис. 2.4, а) [13, 14], що фактично означає перехід до геометрії 4-хвильової взаємодії. Відновлена світлова хвиля S₂ є комплексно-зв'язаною по відношенню до записуваної сигнальної хвилі S₁ і тому формує дійсне зображення об'єкту. Для просторового рознесення об'єкту і його відновленого зображення використовується напівпрозоре дзеркало, поміщене між голографіруємим об'єктом і фоторефрактивным зразком.