книги из ГПНТБ / Применения лазеров

Ф и г . 13. Голограмма порции капель, которая получена с помощью устройства, показанного на фиг, 12 (из работы [125]).

получен ряд положительных результатов для капель с диа­ метром 25 мкм и более. Автоматизацию процесса изме­ рений для частиц меньшего размера осуществить не уда­ лось, поскольку шумы пленки и несфокусированные изо­ бражения больших капель дают вклад в величину сигнала (интенсивность) того же порядка, что и сфокусированные изображения мелких капель. Неавтоматизированная ви­ зуальная техника позволяет определять размеры частиц диаметром до нескольких микрон.

Конструкция системы считывания была изменена та­ ким образом, чтобы облегчить обработку данных в полевых условиях и обеспечить оператору максимальные удобства в работе. Оптическая система остается довольно простой и допускает любые изменения в узлах будущих анализато-

— 5

Ф и г . 14. Оптическая схема системы считыва­ ния для измерения размеров частиц.

I — ТВ-приемник; 2—ТВ-каме­ ра; 5—линза; 4 —восстановлен­ ное изображение частиц; 5 — го­

8лограмма; 6 —коллимирующая линза (Г =50 см); 7 —диафрагма

(d=20 мкм); 8—Не—N e-лазер.

ров, пригодных для исследования частиц с другими размерами. Механическое сканирование в х-, у- и г-направ- лениях с электрическим приводом позволит использовать полностью автоматизированную схему, как только она будет разработана.

На фиг. 15 показана установка считывания. Специаль­ ная ручка управляет перемещением рамки с пленкой по оси Z. Поскольку система регистрации лазерного анали­ затора дает 5-кратное увеличение, глубина восстанавливае­ мого изображения объема возрастает в 25 раз. Перемещение

рамки в направлении г составляет 168 см. Четырехпозицион­

нели указывает участок голографического кадра, который воспроизводится на экране телеприемника. Оператор на­ бирает диаметры капель с помощью кнопок на панели управления, а печатающее устройство фиксирует на ленте их величину вместе с х-, у- и z-координатами.

Ряд счетчиков на передней консоли выше панели управ­ ления показывает число зарегистрированных частиц с дискретностью по диаметру ~ 5 мкм. По команде опера­ тора печатающее устройство фиксирует эти значения. При обработке данных сначала сканируется сфокусированное изображение голографического кадра и производится поиск голограмм отдельных частиц. Когда частица найдена, опе­ ратор перемещает каретку вдоль оптической оси, чтобы сфокусировать голографическое действительное изображе­

ние частицы. Схема сканирования с фазовой синхрониза­ цией в ^-направлении избавляет оператора от повторных учетов частиц и гарантирует от пропусков.

Предельное разрешение при считывании, определяемое увеличением проецирующей линзы и разрешением растра видикона, составляет около 25 мкм. Размер пятна 25 мкм на экране соответствует предельному разрешению анали­ затора. Это позволяет получить в устройстве считывания максимально возможное поле зрения без ухудшения каче­ ства изображений.

Такую же схему можно использовать и для объектов другого типа. Например, в работе [79] с ее помощью осу­ ществлялось динамическое измерение изменений формы стеклянных волокон в процессе их непрерывного вытяги­ вания. Поскольку волокна прозрачны, дополнительная интерференционная картина, создаваемая прошедшим пуч­ ком, образует модифицированную голограмму. На восста­ новленном изображении волокна (в середине) видны интер­ ференционные полосы, определяющие изменение диамет­ ра волокна.

Камера для быстродвижущихся аэрозолей. Для иссле­ дования быстродвижущихся аэрозолей было разработано и испытано специальное устройство. Очевидно, что воздей­ ствие окружающей среды может создать в этом применении дополнительные проблемы. Схема устройства приведена на фиг. 16.

Регистрация больших частиц. Это устройство можно использовать для исследования частиц диаметром от не­ скольких сотен микрон и выше. (Метод внеосевого опорно­ го пучка принципиально применим всегда, но на практике его использование ограничивается сложностью формирова­ ния опорного пучка.)

Однако для этого надо немного модифицировать устрой­ ство, так как в этом случае сильно увеличивается расстоя­ ние дальней зоны дифракции. Отказ же от использования регистрации в дальней зоне ухудшает качество изображе­ ний из-за наличия вклада расфокусированного мнимого изображения.

Решение проблемы состоит в том, что до регистрации голограммы производят уменьшение изображения частиц. Положение дальней зоны определяется тогда этим умень-

шенным размером. Метод может найти применение в таких важных областях, как анализ размеров дождевых капель, где за одну экспозицию можно зарегистрировать капли в объеме глубиной до нескольких метров.

23

□'Ң}— [1—~1Ьу—--— ДИ—Г ~ 0

-к __ u 1 l—ir*

Фотографирование в пузырьковой камере. В 1966 г.

Велфорд [150] предложил использовать голографию для увеличения глубины изображений в фотографиях пузырь­ ковых камер. Экспериментальные исследования примени­ мости голографической техники к пузырьковым камерам были проведены также в работах [129, 149].

Обычно пузырьки имеют диаметр около 400 мкм, а размер камеры достигает 132 см, а иногда и 200 см. При этом ярмо магнита не позволяет проводить наблюдения прямо сквозь камеру. Необходимо наблюдать камеру с той же стороны, с которой в нее вводится излучение цветового ис­ точника. Для этого была предложена схема с зеркалом на задней поверхности моделируемой камеры. При конт­ рольных испытаниях этой схемы в камеру помещались неподвижные проволочки и инжектировались аэрозольные частицы. Высокое разрешение по диаметру частиц (+3%) легко получалось в объеме глубиной, превышающей тре­ буемую. Точность же положения частиц по глубине объе­

ма была значительно ниже и приблизительно в 20 раз пре­ вышала диаметр частицы. Точность определения углового положения треков достигала ±4°.

Пузырьки моделировались с помощью стеклянных ша­ риков диаметром 150 мкм, свободно падающих через ячей­ ку, заполненную полигликолем. Показатель преломления шариков равнялся 1,52, а показатель преломления жид­ кости 1,45. При реконструкции голограмм этих шариков получались изображения с весьма хорошим разрешением. Относительная точность определения диаметров частиц составляла ~3% . Точность определения положения рав­ нялась 10—20 диаметрам частицы, что хуже точности, достигаемой в распространенном методе триангуляции, в котором используется пара фотографий пузырьковой ка­ меры. Это ограничение для данной голографической схемы носит фундаментальный характер и зависит от эффективной апертуры схемы голографической регистрации, которая определяется диаметром голограммы, создаваемой отдель­ ной частицей. Значение эффективной апертуры рассчи­ тывается просто и хорошо согласуется с результатами эк­ спериментов, упоминавшихся выше. Увеличение точности определения положений частиц потребовало бы исполь­ зования пленок с более высоким разрешением, что неже­ лательно при регистрации изображений пузырьковой ка­ меры.

В дальнейших экспериментальных исследованиях для подавления изображений лишних треков была применена оптическая пространственная фильтрация [93].

Частицы очень малых размеров. Ряд успехов был дос­ тигнут в этой области сравнительно недавно. Хиклинг [52] получил голограммы Фраунгофера с помощью ЭВМ. Го­ лограммы давали хорошие реконструкции. Для синтеза голограмм сферических жидких капель, освещаемых плос­ кой волной монохроматического линейно поляризованно­ го света, Хиклинг использовал электронно-лучевую труб­ ку, соединенную с ЭВМ.

Определение картины дальнего поля излучения, рас­ сеянного каплями, проводилось на основе классической теории Ми. Наиболее ярко выраженные максимумы и ми­ нимумы в картине рассеянного излучения имеют место недалеко от переднего лепестка диаграммы рассеяния,

46 Брайен Дж. Томпсон

если частица наблюдается в плоскости, перпендикулярной направлению поляризации падающей волны. Характерные максимумы и минимумы регистрировались на голограмме. При расчете в качестве источника опорного пучка был взят электрический диполь с осью поляризации, параллельной поляризации излучения, освещающего частицы. Изобра­ жения с голограмм, полученных в результате расчета, восстанавливались с помощью Не—Ne-лазера небольшой мощности. Восстановленные изображения обнаруживали все соответствующие максимумы и минимумы картины рас­ сеянного излучения.

Хиклинг предложил использовать голографию для оп­ ределения размеров сферических жидких капель диамет­ ром 0,5—20 мкм. Метод основан на технике получения голограмм, синтезированных на ЭВМ. Его эффективность зависит от соотношения угловых положений максимумов и минимумов, от длины волны излучения и от размеров частиц.

В работе [130] показана возможность обнаружения суб­ микронных частиц, определения их концентрации и про­ странственного положения в исследуемом объеме. Частицы диаметром менее 1 мкм ведут себя подобно точечным рассе­ ивателям. Голограмма образуется сложением сферической волны от точечного рассеивателя и фона нерассеянной плоской волны. Когда голограмма субмикронных объектов освещается восстанавливающим пучком, распределение ин­ тенсивности в изображении совпадает с импульсным от­ кликом всей системы, помещенной в местоположение исход­ ного точечного объекта. Приведены результаты, полученные с мелкодиспергированным гидрозолем латекса, сферичес­ кие капли которого со средним диаметром 0,365 мкм поме­ щались на покровном стекле микроскопа.

Исследование размеров частиц методом электронно­ лучевой голографии. Один из самых интересных результа­ тов был получен в работе [135] по оптическому восстанов­ лению изображений из электронных голограмм Фраунго­ фера. Непрозрачные частицы золота диаметром 100 Â освещались коллимированным квазимонохроматическим пуч­ ком электронов с длиной волны Хе= 0,037 Â, а восстанов­ ление осуществлялось светом Не—Ne-лазера.

3.3. Определение размеров частиц методом голографирования

свнеосевым опорным пучком

Определение размеров микрочастиц очень сложно с эк­ спериментальной точки зрения. Поэтому не удивитель­ но, что здесь были испробованы и другие подходы. Брукс и др. [12] сконструировали и построили ряд различных «го­ локамер» для анализа размеров частиц и, в частности, для исследования аэрозолей в ракетных двигателях. В качестве источника излучения они использовали импульсный руби­ новый лазер по тем же причинам, что и в ранее описанных голографических камерах.

фикации рубинового лазера с целью увеличения его временной и пространственной когерентности. Использова­ ние отдельного опорного пучка ставит также задачу тща­ тельного согласования оптических путей, проходимых объектным и опорным пучками.

Схема голокамеры, предназначенной для исследования процессов в камере сгорания двигателя диаметром 450 мм и силой тяги 11,2 т, приведена на фиг. 17. Лазерный пу­ чок расширяется и коллимируется посредством галиле­ евского телескопа (/, 2, 3), после чего расщепитель луча 10 разделяет его на опорный 11 и на объектный пучки 13. Пучок, освещающий объект, проходит через расщепитель и отражается зеркалом с передней отражающей поверхно­ стью 14 и уголковым отражателем (с углом 90°) 15 на приз­ матическую пластинку и диффузный рассеиватель из ма­ тового стекла 17. Призматическая пластинка направляет луч параллельно оси двух фокусирующих линз 19, соби­ рающих свет от диффузного рассеивателя на плоскость голограммы 22. Опорный пучок отражается от расщепи­ теля, проходит через трубу диаметром 15 см и отражается двумя зеркалами 21 на плоскость голограммы. Угол между двумя пучками на голограмме равен 45°. Он определяется характеристиками фотоэмульсии Agfa 10Е75. В системе имеется два затвора (электрический колпачковый и меха­ нический шторного типа), которые инициируют гене­ рацию лазера. Использование узкополосных светофильт-

I1LI - Se

о°=5 u

s I

3--SiS! ^ 5ж-©*

S в cf’Ö' о

3 c I

"’S C S S*

aagj s

I а ? і сй

* I I «8 Я0"!1§ О ^ Üs я; a. . . .Ё^S 4 P Ug\0

кЯОтЖ£ о S«я °

■з а >. со^а

" >» 5

излучения пламени в камере сгорания и рассеянный сол­ нечный свет.

На фиг. 18 показан общий вид системы. Получаемые голограммы восстанавливаются излучением Не—Ne-ла­ зера. Разрешение изображения исследуемой области луч­ ше 100 мкм.

3.4. Фотография

3.4.1.Импульсная лазерная фотография

Голографическими методами можно усовершенствовать фотографию процессов, изменяющихся во времени, или быстропротекающих событий, особенно если точно не известно, где в заданном объеме может произойти это собы­ тие/ Поэтому можно попытаться применить голографичес­ кую технику исследования размеров частиц в микрофото-