XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Голографическая интерферометрия развивалась на базе оптической интерферометрии. Аналоги большинства методов классической оптической интерферометрии в настоящее время успешно применяются в голографической интерферометрии. Приборы, предназначенные для проведения исследований в оптической интерферометрии, носят название интерферометров.

В голографии голограмма представляет собой зарегистрированную интерференционную картину, образованную объектным и опорным пучками. Таким образом, голографическую установку можно рассматривать как интерферометр, в котором производится формирование объектного и опорного пучков. При этом в голографическом эксперименте используют те же методы деления исходной волны по волновому фронту и по амплитуде, как и в оптической интерферометрии.

Содержание метода голографической интерферометрии заключается в том, что бы получить, наблюдать и интерпретировать интерференционные картины, образованные волнами, из которых хотя бы одна записана и восстановлена голограммой. Основной принцип голографической интерферометрии легко понять из рассмотрения схемы, приведенной на рис

Предположим, что после записи и постэкспозиционной обработки голограмма установлена в то же самое место, где она находилась во время регистрации. Не убирая объекта, осветим голограмму опорной волной. В области наблюдения будет одновременно распространяться две волны: одна, сформированная объектом, и вторая, восстановленная голограммой, являющаяся копией той волны, которая формировалась объектом во время экспонирования голограммы. Эти волны когерентны и могут интерферировать.

Метод реального времени.

Если с объектом происходят какие-либо изменения, ведущие к фазовым искажениям сформированной им волны (например, деформация или изменение коэффициента преломления), то это скажется на виде наблюдаемой картины: на изображении объекта появятся интерференционные полосы, форма которых определяется изменениями, происходящими с объектом. Поскольку интерференционную картину наблюдают одновременно с изменениями, происходящими с объектом, этот метод голографической интерферометрии называют методом реального времени.

Метод двух экспозиций.

В этом методе волновое поле исследуемого объекта записывают на одну и ту же голограмму дважды: первый раз – в исходном состоянии, второй раз – в измененном состоянии, после оказания на объект исследуемого воздействия. Например, необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние какой-либо детали. Тогда эту деталь записывают на голограмму первый раз в недеформированном состоянии, затем, не меняя взаимного расположения детали и голограммы (а также прочих элементов оптической схемы), нагружают деталь исследуемой нагрузкой. В результате деталь деформируется. Это деформированное состояние детали вновь регистрируют на голограмму. В итоге на голограмме оказываются зарегистрированными два несколько различающихся предметных волновых поля. Их отличие обусловлено тем, что микроперемещения поверхности детали, вызванные ее деформацией, приводят к изменению длины оптического пути для предметной волны (рис. 34). В результате изменяется и фаза предметной волны.

Поскольку голограмма записывает амплитуду и фазу волнового поля, а затем позволяет это поле восстановить, то при восстановлении предметного поля такой дважды экспонированной голограммой будут одновременно восстановлены оба волновых поля, существовавших во время первой и второй экспозиции. Они пространственно совмещены, поэтому возникнет их интерференция. Наблюдатель, находящийся за голограммой увидит восстановленное изображение детали, промодулированое интерференционными полосами. Эта интерференционная картина отображает разность фаз двух волн, которая, в свою очередь, зависит от микроперемещений поверхности детали под действием деформирующей нагрузки.

Таким образом, метод двух экспозиций позволяет сравнивать интерференционным способом два состояния объекта, существующие в разные моменты времени. Другая замечательная особенность метода заключается в том, что к объекту исследования не предъявляется никаких специальных требований, касающихся оптических свойств его поверхности. В методах классической интерферометрии объект должен был обладать зеркальной поверхностью простой формы (плоской, сферической, параболической), чтобы имелась возможность размещать в плече сравнения образцовый объект такой же формы. Для объекта, обладающего шероховатой диффузной поверхностью, изготовить образцовый объект, повторяющий всю микроструктуру шероховатостей поверхности, невозможно. Поэтому в классических интерферометрах диффузно рассеивающие элементы не используются.

Голографическая интерферометрия предоставляет нам возможность иметь объект сравнения, совершенно идентичный по микроструктуре поверхности с рабочим объектом. Роль такого объекта сравнения выполняет исходное состояние исследуемого объекта, зарегистрированное во время первой экспозиции. Рассеянное им волновое поле, содержащее информацию о его микроструктуре, записано на голограмму. Волновое поле, рассеянное объектом в измененном состоянии (во время второй экспозиции), отличается от первого поля на некоторую детерминированную (не случайную) величину, отображающую деформацию объекта. Эта ситуация поясняется на рис. 35, где изображены два волновых фронта предметной волны, соответствующие первой и второй экспозиции. Случайные составляющие обоих фронтов (микронеровности) оказываются коррелированными, то есть подобными друг другу, так как возникли в результате отражения от одной и той же поверхности объекта. Средние же линии фронтов различаются, так как форма отражающей поверхности объекта несколько изменилась вследствие его деформации. Голографическая интерферограмма отображает разность положений двух фронтов. Поскольку случайная составляющая у них одинакова, разность оказывается гладкой детерминированной функцией.

Итак, метод голографической интерферометрии позволяет определять детерминированную разность фаз двух случайных (по пространственным координатам), но взаимно коррелированных полей. В результате методом голографической интерферометрии можно исследовать объекты с диффузно-рассеивающей поверхностью, к каковым относятся почти все окружающие нас предметы. На рис. 36 для примера показана голографическая интерферограмма, отображающая деформации блока двигателя в области крышки коренного подшипника. Интерференционные полосы отображают распределение перемещений в элементах блока при имитации рабочей нагрузки на вал двигателя.

Метод двух длин волн.

Если на одной регистрирующей среде в течение одной экспозиции регистрируется интерференционная картина, образованная волнами разной частоты (использование источника излучения двух или более длин волн), то такая голограмма будет состоять из двух наложенных голограмм, соответствующих разным длинам волн. Такая голограмма называется двухдлинноволновой голограммой. При ее освещении монохроматическим излучением восстановленные волны образуют интерференционную картину, (соответствующую различию их фазового рельефа), обусловленную как различием длин волн, так и дисперсией исследуемого объекта. Фактически, при освещении двухдлинноволновой голограммы наблюдается картина интерференции восстановленных волн одинаковой частоты, хотя они и являются копиями волн разных частот. Двухдлинноволновые методы голографической интерферометрии используются для исследования дисперсии плазмы, а также для изучения рельефа поверхностей.

Преимущества голографической интерферометрии при сравнении с методами классической оптической интерферометрии:

• широкие возможности исследования прозрачных и отражающих объектов любой формы и качества поверхности;

• снижение требований к качеству оптики за счет дифференциального характера метода;

• возможность сравнения световых волн, рассеянных объектом в разные моменты времени;

• возможность исследования интерференции волн, рассеянных объектом в разных направлениях в пределах телесного угла, который охватывает голограмма;

• возможность получать картину интерференции световых волн различной частоты.

К недостаткам голографической интерферометрии следует отнести:

• значительную длительность экспозиции за счет низкой чувствительности высокоразрешающих сред для регистрации голограмм;

• высокие требования к используемым источникам излучения (пространственная и временная когерентность, мощность излучения и т.д.)

Голографическая интерферометрия получила широкое применение при исследовании фазовых неоднородностей прозрачных объектов, при диагностике плазмы, в газодинамических исследованиях. Голографические методы исследования смещений и рельефа поверхности широко используются для неразрушающего контроля и диагностики состояния различных деталей и механизмов. Стробоголографический метод исследования колебательных процессов, предложенный в 1967 году, до настоящего времени не потерял своей актуальности.

Голографическая интерферометрия используется в тех случаях, когда традиционные методы оказываются малоэффективными, например, для получения информации о поведении и состоянии упругих элементов, которые широко используются в современном приборостроении. В этом случае голографическая интерферометрия дает возможность проводить качественную, количественную, а также интегральную и дифференциальную оценку качества изготовления упругих элементов.

Список литературы

1. http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom4/ch6/texthtml/ch6_4_text.htm

2. https://www.sgu.ru/archive/old.sgu.ru/files/izvestia/full/Dikov.pdf

3. https://cyberleninka.ru/article/n/golograficheskaya-interferometriya-kak-sposob-nerazrushayuschego-kontrolya

4. https://studylib.ru/doc/2719784/metody-golograficheskoj-interferometrii

5. https://old.bigenc.ru/physics/text/2367533

6. https://studfile.net/preview/7165232/page:9/

Код для цитирования: Скопировать