Лабораторная работа № 7 Исследование деформационных свойств лазерных элементов (при их нагревании) методами голографической интерферометрии

Цель работы

Приобретение практических навыков при работе с голографическим интерферометром при решении задач оптимизации температурных режимов активных элементов твердотельных лазеров.

Основные теоретические положения

При работе лазера в непрерывном и импульсном режимах необходимо учитывать изменение его энергетических характеристик под воздействием нагрева активной среды.

Увеличение температуры в лазерной активной среде приводит к уменьшению интенсивности люминесценции, уменьшению коэффициента усиления за счет уменьшения поперечного сечения генерационного перехода, а также термического заселения нижнего рабочего уровня.

Особый интерес представляют оценки влияния температуры на работу активных сред в жидкостных и твердотельных лазерах на красителях.

В условиях термодинамического равновесия населённость верхнего энергетического уровня не может быть больше населённостей нижнего энергетического уровня. Для того чтобы распределение атомов (молекул) активной среды отличалось от распределения термодинамически-равновесного, необходимо активную среду накачать от внешнего источника света. Источники накачки могут быть весьма разнообразными, но для лазеров на жидких (твёрдых) растворах красителей наибольшее распространение получили: мощные короткоимпульсные лампы и когерентные источники накачки.

При накачке лампой жидких растворов красителей возбуждение красителей носит неоднородный характер. Лежащие ближе к лампе области красителей получают больше энергии и сильно нагреваются. Эффект нагрева приводит к тому, что активная среда приобретает свойства призмы и отклоняет лазерный пучок от возбуждающей лампы, т.е. деформирует пучок.

Следует также указать, что при возрастании температуры раствора красителя показатель преломления уменьшается. Длительный нагрев раствора красителя, например, в частотном режиме накачки вызывает появление тепловых свилей. Подобные эффекты растворов красителей устраняются за счёт принудительной циркуляции раствора через кювету. Однако даже в этом случае реальные лазеры требуют охлаждения активной среды, что достигается одновременной прокачкой теплоносителя, как, например, в лазерах типа ЛЖИ.

В случае твёрдых растворов красителей, т.е. красителей, внедрённых в полимерные матрицы, нагрев матрицы приходит к аналогичным эффектам. Во-первых, уменьшается квантовый выход люминесценции, что приводит к уменьшению, а при существенном нагреве – к срыву генерации. Полимерные матрицы характеризуются также низкой теплопроводностью, и охлаждение их выливается в самостоятельную сложную проблему.

Во-вторых, нагрев твердотельной полимерной матрицы приводит её к деформации, что обусловливает деформацию как самого пучка фотонов в резонаторе, так и разъюстировку резонатора в процессе работы лазера.

В этой связи вопросы исследования деформационных свойств лазерных элементов являются весьма важными и позволяют оптимизировать температурный режим работы лазерных элементов.

Как известно, деформации в твёрдом теле возникают в случае существования в нём напряжения. Такой случай часто реализуется в активных лазерных элементах, на основе активированных эпоксиполимеров в процессе их полимеризации (образования сетчатого полимера) и в результате механической обработки элементов (шлифовка, полировка и т.п.).

Одним из способов, обеспечивающих релаксацию внутренних напряжений, является отжиг.

Оптимизация технологического режима отжига может быть осуществлена при исследовании деформационных свойств лазерных элементов при их нагревании.

Одним из эффективных методов для исследования деформационных свойств лазерных элементов являются методы интерферометрии.

Применения интерференции очень важны и обширны. Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем. На использовании интерференции света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на интерференции света. Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.

Интерферометры – измерительные приборы, в которых используется интерференция волн.

Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т.е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые.

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины света, доказана независимость скорости света от движения Земли. Перемещая одно из зеркал интерферометра Майкельсона, получают возможность плавно изменять оптическую разность хода А, а зависимость интенсивности центрального пятна от А, в свою очередь, дает возможность анализировать спектральный состав падающего излучения с разрешением 1/А см^-1. На этом принципе построены Фурье-спектрометры, применяющиеся для длинноволновой инфракрасной области спектра (50-1000 мкм) при решении задач физики твердого тела, органической химии и химии полимеров, диагностики плазмы.

Сочетание интерферометра Маикельсона и призменного монохроматора – компаратор интерференционный Кёстерса – применяется для абсолютных и относительных измерений длин концевых мер (измерительных плиток) сравнением их с длиной волны света или между собой с точностью 0,025 мкм, а сочетание его с лазером (при стабилизации частоты ~ 2·10^-9) позволяет с такой же абсолютной точностью измерять длины порядка 1 Юм. При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10^-6 рад. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.

Существуют двухлучевые интерферометры, предназначенные для измерения показателей преломления газов и жидкостей, – интерференционные рефрактометры. Один из них – интерферометр Жамена. Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n, а другая с m, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти A_n = n₁ - n₂ = m/l (l – длина кюветы).

Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха – Цендера и интерферометр Рождественского, где используются две полупрозрачные пластинки P₁ и Р₂ и два зеркала M₁ и М₂. В этих интерферометрах расстояние между пучками S₁ и S₂ может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

В интерферометре Рэлея интерферирующие пучки выделяются с помощью двух щелевых диафрагм. Пройдя кюветы, эти пучки собираются в фокальной плоскости объективом, где образуется интерференционная картина полос равного наклона, которая рассматривается через окуляр. При этом часть пучков, выходящих из диафрагм, проходит ниже кювет и образует свою интерференционную картину, расположенную ниже первой. Если показатели преломления n и m веществ в кюветах, то из-за разности хода в кюветах верхняя картина сместится относительно нижней, измеряя величину смещения по числу полос k, можно найти n.

Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака.

Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона. Свет от звезды, отразившись от зеркал M₁, М₂, М₃, М₄, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину. При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии β, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол β. Изменением D добиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии β = 1/26 = k / 2D, откуда можно определить β.

Многолучевой интерферометр Фабри – Перо состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок, не обращенных друг к другу, и на параллельные между собой поверхности нанесены зеркальные покрытия с высоким (85-98 %) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива, в результате многократных отражений от зеркал образует большое число параллельных, когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости объектива образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри – Перо разлагает сложное излучение в спектр. Применяется интерферометр Фабри – Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометры Фабри – Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью интерферометра Фабри – Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра. К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решетки, которые используются как интерференционные спектральные приборы.

В последнее время эффективно применяются методы голографической интерферометрии.

Сам термин (Holography) образован сочетанием слов «полный, весь» и «рисовать, записывать», так что уже в само это понятие автор заложил особый взгляд на эту технологию, как на способ «наиболее полной записи образа объекта». В наиболее общем виде идея голографии может быть сформулирована так – если мы каким-то способом точно зафиксируем структуру светового поля, исходящего от объекта, запишем ее на какой-либо носитель, а затем восстановим это поле с достаточной точностью, то наблюдатель не сможет различить, наблюдает ли он сам объект или же эту имитацию. В более узком смысле термин «голография» как раз и представляет одну их технологий (точнее пакет технологий, объединенных общей идеей) такой «полной» записи волнового поля.

Основная физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях, может возникать интерференционная картина, т.е., в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн).

Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой какое-то время и ее можно было записать, эти два пучка должны обладать определенными свойствами. Оптики говорят, что они должны быть взаимно когерентными, а для простоты скажем, что у них должна быть одна и та же длина волны и, кроме этого, за время регистрации должна быть одна фаза колебаний, т.е. колебания светового поля должны быть синхронными.

Практически это достигается тем, что два пучка образуются делением пучка одного источника излучения, но и этого оказывается недостаточно – сам источник должен быть специальный, излучающий строго одну длину волны, и такой источник – лазер со специальными параметрами излучения. Так как длина волны света достаточно мала, то расстояние между интерференционными максимумами и минимумами тоже мало – порядка 1 мкм, так что для регистрации нужны специальные мелкозернистые фотоэмульсии.

Если все это есть в наличии – лазер, фотоэмульсия и объект для съемки, все остальное уже предельно просто. Самая простая схема съемки голограммы представлена на рис. 22.

Рис. 22. Схема записи пропускающей голограммы

Лазерный луч расщепляется на два пучка, расширяется их оптикой, чтобы осветить весь объект целиком, один пучок, который называется «объектным», направляют на объект, освещая его так, чтобы отраженное от него излучение попадало на фотопластинку. Второй пучок, который называют «опорным», направляют прямо на фотопластинку. Эти два пучка будут интерферировать на поверхности фотопластинки. При рассмотрении под микроскопом поверхность пластинки будет покрыта множеством интерференционных линий, колец. Это и есть запись структуры волнового поля, отраженного объектом. Описанная технология относится к так называемой «пропускающей» голограмме. Если теперь эту голограмму осветить пучком лазерного света, то можно увидеть восстановленное изображение, которое будет находиться точно в том месте, где ранее, при съемке, находился объект. Объясняется это тем, что лазерный свет, проходя через фотопластинку с записанной ранее структурой светового поля, приобретает все свойства светового потока, который ранее, при записи, отражался объектом, при этом наблюдается объект полностью объемным (рис. 23).

Рис. 23. Схема восстановления изображения, записанного на пропускающей голограмме

Можно записать не пропускающую, а отражающую голограмму, для этого схема записи должна быть несколько иной, опорный и объектный пучки должны падать на фотоэмульсию с разных сторон (рис. 24). Кроме того, чтобы фотопластинка стала работать в режиме отражения света, нужна специальная химическая обработка. В результате обработки поверхность фотоматериала становится рельефной, и этот рельеф покрывается отражающим слоем.

Указанная технология имеет ряд недостатков:

• для просмотра голограммы обязательно нужен лазер;

• изображение будет монохромным, причем строго того цвета, что и цвет излучения лазера, который используется при восстановлении изображения;

• смотреть восстановленное лазером изображение достаточно неприятно – глаза сильно устают от присущих когерентному излучению побочных эффектов, типа спеклов, которые проявляются в виде случайного светового шума по всему полю зрения;

• изображение хотя и объемное, но расположено за плоскостью фотопластинки, в глубине, так что эффект от его объемности не проявляется в полной мере.

Рис. 24. Схема записи отражательной голограммы

Из изложенного выше следует, что толстослойная копия, изготовленная с помощью «красного» лазера, будет формировать при освещении видимым светом изображение красного цвета. Это верное рассуждение, если не учитывать процесс усадки эмульсии толстослойной голограммы, за счет которого расстояние между интерференционными слоями, идущими в глубину слоя эмульсии, уменьшается и «родная» длина волны смещается в синюю область спектра. Технологи отработали процессы проявления с контролируемой усадкой и, таким образом, смещают цветовую гамму в нужную область.

При изготовлении копии можно регулировать положение изображения относительно плоскости толстослойной голограммы. Для этого можно освещать мастер-голограмму лазерным пучком не с плоским волновым фронтом, а расходящимся пучком, тогда восстановленное изображение будет помещаться прямо в апертурной рамке голограммы-копии. Если вы делаете портрет, то очень важно, какая часть носа будет торчать наружу из голограммы. При съемке голографических портретов в ателье обычно настройку положения изображения относительно плоскости портрета проводят в присутствии заказчика и только потом производят окончательное копирование.

В отличие от фотографической съемки, где за время экспонирования объект может смещаться в пространстве (в худшем случае это приведет к размазыванию изображения движущегося объекта), при съемке голограммы поверхность объекта съемки не должна смещаться на расстояние более 1/4 длины волны (0.15 мкм). При больших величинах смещений, например из-за вибраций объекта, изображение на голограмме вообще не записывается. Лицо человека никогда не может быть неподвижным, поэтому съемка портретов и вообще живых объектов стала возможна только с разработкой импульсных лазеров для голографии, имеющих достаточно малую длительность импульса, так чтобы за время этого импульса поверхность объекта не успевала претерпеть значительных смещений. Поэтому говорят о «импульсной голографии». Но практически вся современная голография – импульсная.

Методы голографической интерферометрии

На одну пластинку можно записать несколько волновых фронтов, т.е. несколько голограмм. Если эти волны когерентны (а чаще всего так и бывает), то при совместном восстановлении они интерферируют, а в результирующей интерферограмме останется только то, что в этих волнах было разным.

Этот метод голографической интерферометрии получил название метода двух экспозиций.

Можно сделать и по-другому. Отснятую голограмму объекта после обработки устанавливают с высокой точностью на прежнее место – чаще пластинки обрабатывают прямо на месте съемки. При последующем экспонировании голограммы в схеме, использованной при ее же записи, объектная волна, восстановленная с голограммы опорным пучком, будет интерферировать с новой волной, идущей от объекта. В результате можно в реальном режиме времени отслеживать динамику процессов, происходящих в объекте исследования. 

Такой метод голографической интерферометрии так и называется – метод реального времени.

Необходимо подчеркнуть, что в классической интерферометрии интерферируют волны, которые в один момент времени прошли по разному пути. В голографической интерферометрии интерферируют волны, которые в разные моменты времени прошли по одному и тому же пути.

В частности, этот факт позволяет использовать в экспериментах оптические элементы обычного качества без ухудшения вида получаемой интерференционной картины – все неоднородности оптического тракта, неизменные в обеих экспозициях, будут скомпенсированы.

Уникальная особенность голографической интерферометрии позволяет изучать процессы, происходящие как внутри оптически неоднородных сред, так и с диффузно отражающими объектами. Такое было абсолютно недоступно в классической интерферометрии.

Таким образом, голография – это метод волнового фронта, рассеянного объектом на некотором регистраторе (например, на плоской фотопластинке), и последующего восстановления записанного волнового фронта. Она позволяет получить с помощью одного измерительного прибора одновременно очень большую и, как правило, непрерывную информацию об объекте измерения. В отличие от фотографии на голограмме записывается не изображение объекта, а волновая картина рассеянного объектом света. Голограмма получается в результате интерференции разделенного на две части монохроматического потока электромагнитного излучения, рассеянного голографируемым объектом, и прямого (опорного) пучка, падающего на голограмму, минуя объект.

Интерференционная картина, зарегистрированная на проявленной фотопластинке в результате сложения волновых фронтов, отображается на ней в виде совокупности интерференционных полос с различной плотностью почернения. Наибольшая плотность почернения соответствует волновым фронтам, пришедшим в фазе, где поля складываются, а наименьшая – волновым фронтам, пришедшим в противофазе. Отображаемая на голограмме картина волновых фронтов в общем случае не имеет сходства с реальным объектом и, тем не менее, содержит информацию об объекте.

Голографическая интерферометрия имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной интерферометрией. В голографическом интерферометре благодаря возможности регистрации волновых фронтов в различные моменты времени используется, как правило, один и тот же тракт. Это позволяет производить сравнение волновых фронтов от реальных объектов с волновыми фронтами, восстановленными с заранее полученных голограмм образцовых объектов; либо сравнение волновых фронтов от одного и того же объекта, полученных в различные моменты времени.

Голографическая интерферометрия не только обладает всеми возможностями интерферометрии, но и имеет ряд новых. Так, например, методами голографической интерферометрии можно изучать деформации отражающих трёхмерных объектов сложной формы и объёмные распределения различных физических параметров внутри преломляющих (фазовых) объектов.

Как было показано, для получения голографических интерферограмм используется, в основном, два метода: метод двойной экспозиции и метод наблюдения интерферограмм в реальном масштабе времени.

В методе двойной экспозиции на одной фотопластинке при неизменном опорном пучке регистрируются две голограммы объекта: одна до приложения возмущающих сил или до начала процесса и вторая через некоторый интервал времени после приложения сил или начала процесса. Метод двойной экспозиции в основном используется при изучении быстро протекающих процессов.

Метод наблюдения интерферограмм в реальном масштабе времени используется в большинстве случаев при наблюдении сравнительно медленных процессов либо при контроле с помощью одной голограммы серии стационарных объектов.

Наибольшее распространение в настоящие время получили две схемы голографирования: двулучевая схема (по Лейту и Упатниексу) и однолучевая схема (по Ю. Денисюку).

В однолучевой схеме опорной волны как таковой нет. Она формируется из волны, не претерпевшей рассеяние при прохождении через объект.

В двулучевой схеме объектные и опорные пучки разделены в пространстве и падают на регистратор под разными углами. Эти схемы различны тем, что в двулучевой схеме интерферирующие волны падают на регистратор с одной стороны, а в схеме во встречных пучках – с двух сторон.

Оптические схемы голографической интерферометрии

При использовании для голографической двулучевой схемы (рис. 25) выходящий пучок света при помощи системы отражающих зеркал разделяется на четыре пучка – два опорных, направляемых зеркалами 1 на узлы расширения 2₀ и два объективных, направляемых зеркалами 6 на узлы расширения 2_П.

Объектные пучки при помощи коллимирующих линз 3 снова трансформируются в параллельные с апертурой, достаточной для освещения всей поверхности исследуемого объекта, помещённого в термоблок 5.

Запись голограммы может производиться методом двух экспозиций – до и после прогрева образца, причём каждое из двух состояний поверхности регистрируется дважды при замене опорного пучка 2₀ на пучок и, соответственно, объектного пучка 2_П на пучок _. Таким образом, при восстановлении изображения разными опорными пучками получаем две разные интерферограммы, соответствующие двум направлениям объекта. Тогда совместный анализ двух интерферограмм позволяет определить компоненты деформации в любых направлениях, параллельных плоскости стола.

4

7

Рис. 25. Оптическая схема для снятия интерферограмм в сходящихся пучках: 1 – отражательные зеркала; 2 – узлы расширения; 3 – коллимирующие линзы; 4 – голограмма; 5 – термоблок; 6 – светоделительные зеркала; 7 – объектив; 7′ - другое положение объетива; 8 – фотокассета; ОКГ – оптический квантовый генератор (Не-лазер)

На установке может быть реализован другой метод записи, когда объект при каждой экспозиции освещается одновременно двумя пучками, а из опорных пучков используется только один (один и тот же для обеих экспозиций). Тогда при восстановлении изображения получим картину муаровых полос в результате наложения двух слоёв интерференционных полос, созданных двумя объектными пучками на поверхности образца.

Этот метод является менее точным, чем предыдущий, но позволяет быстрее произвести качественную оценку характера деформации. Голограмма 4 может записывать световой поток, рассеянный поверхностью объекта, как непосредственно, так и через объектив 7.

В последнем случае осуществляется запись голограмм сфокусированных изображений. Таким образом, метод записи сочетает достоинства плоских голограмм – меньшие требования к разрешающей способности фотоматериала, меньшие искажения вследствие усадки эмульсии – со способностью восстанавливать изображение в белом свете, подобно трёхмерным голограммам. Запись интерферограмм с изменением направления освещения при одном направлении наблюдения позволяет устранить проблему идентификации точек поверхности на различных проекциях. Объектив 7, переставленный в положение 7′ на стадии восстановления изображения, может быть использован для регистрации интерферограмм на плёнке или пластинках, помещаемых в кассету 8.

Расчёт поля деформации производится вручную по фотоснимкам с проектированной на поверхность объекта координатной сеткой и может быть автоматизирован при наличии устройства ввода чёрно-белых изображений в ЭВМ.

При использовании схемы во встречных пучках (рис. 26) источником света также является гелий-неоновый лазер ЛГН-222. Выходящий пучок света при помощи системы отражающих зеркал 1 направляется на узел расширения 2. Далее пучок света при помощи коллимирующей линзы 3 трансформируется в параллельный с апертурой, достаточной для освещения поверхности исследуемого объекта, установленного в камере термоблока 5. В схеме во встречных пучках голограмма 4 регистрирует интерферирующие волны с двух сторон. Для появления у голограммы трёхмерных свойств необходимо, чтобы на толщине эмульсии голограммы укладывалось, по крайней мере, несколько отражающих слоёв. Указанное требование выполняется при использовании фотопластинок типа ЛОИ-2.

Голографический интерферометр зарекомендовал себя как эффективный прибор при исследовании деформации поверхностей лазерных элементов, возникающих при накачке за счёт нагревания.

Рис. 26. Оптическая схема для снятия интерферограмм во встречных пучках: 1- отражательные зеркала; 2 – узел расширения; 3 – коллимирующая линза; 4 голограмма; 5 – термоблок; ОКГ – оптический квантовый генератор (Не-Ne-лазер)

Метод расшифровки голографических интерферограмм

Интерферограммы снимались при нагревании лазерных элементов в термоблоке установки. Для расшифровки интерферогамм, позволяющей определить деформации поверхностей при помощи одной или нескольких голограмм, был использован метод, согласно которому разность оптических путей, проходящих через пару соответствующих точек к приёмнику, определялась из уравнения

7.1

где и – единичные векторы направлений наблюдения; – вектор перемещения поверхности;  – длина волны укладывающихся в разность оптических путей. Выражая векторы через их компоненты, можно получить выражение в виде

7.2

где , β_s, γ_s и , β_i, γ_i – углы между и осями координат x, y, z.

Система позволяет определить , но для составления такой системы необходимы данные о N при изменениях направлений наблюдения и освещения, что можно получить при помощи голограмм.

Способ расшифровки позволяет обходиться без определения полосы нулевого порядка.

При этом требуется, плавно изменяя направление наблюдения, следить за прохождением полос через фиксированную точку поверхности и подсчитать их количество.

Перемещение всех точек поверхности можно определить по трём неподвижным интерференционным картинам, зафиксированным с различных направлений. Однако в этом случае необходимо идентифицировать на трёх интерферограммах полосы нулевого порядка.

При исследовании деформаций поверхности лазерных элементов был предложен способ расшифровки, основанной на анализе неподвижных полос, наблюдаемых с четырёх специально выбранных направлений, позволяет обходиться без определения полос нулевого порядка, при этом не требуется производить подсчёт движущихся полос. Ещё одним преимуществом является отсутствие необходимости решать систему для каждой точки в отдельности.

Если , тогда уравнение (7.1) можно представить как

7.3

где r и n – модули векторов и ; δ – угол между векторами; – проекции вектора на направление .

Если , то совпадает с биссектрисой φ между и , а модуль равен . Отсюда следует

7.4

и по одной неподвижной интерференционной картине определяют величину проекций векторов перемещения на биссектрису угла φ между направлениями освещения и наблюдения. Тогда для определения векторов перемещения в координатах x, y, z ось z выбирается совпадающей с направлением освещения.

а

б

Рис. 27. К способу расшифровки голографических интерферограмм

Если зафиксировать две интерференционные картины с направлений и в плоскости xz, то проекции r₁ и r₂ вектора на направления и связаны с r_x и r_y уравнениями:

7.5

где векторы и указывают направления биссектрис углов φ₁ и φ₂, образуемых векторами и с осью z.

Подставляя r₁ и r₂ в (7.4) и решая (7.5) находим r_x и r_z. Аналогичным образом составляется система для определения r_y и r_z при помощи двух интерферограмм, наблюдаемых с и

Поэтому схема эксперимента должна обеспечивать фотографирование восстановленного изображения с четырёх направлений, лежащих попарно в плоскостях xz и yz.

Если выбрать все четыре угла равными φ, то общие решения системы (7.5) для плоскости xz и yz могут быть описаны уравнениями:

7.6

7.7

7.8

Таким образом, для определения каждой компоненты векторов перемещения достаточно иметь одну пару неподвижных интерференционных картин.

Для определения величины деформаций измеряют относительные взаимные смещения точек поверхности, равные разностям перемещений r_A и r₀ рассматриваемых точек поверхности A и точки 0, взятые за начало отсчёта.

Если освещение и наблюдение производить в коллимированных пучках, то для всех точек поверхности коэффициенты в уравнениях (7.6)-(7.8) будут одинаковыми.

Вычитая попарно уравнения (7.6), (7.8), можно для точек A и 0 получить:

7.9

7.10

7.11

где r_x, r_y, r_z – компоненты вектора смещения точки A относительно произвольно выбранного начала отсчёта; N₁…N₄ – разность порядка полос, проходящих через точки A и 0. Разности порядка полос определяются по интерферограммам путём подсчёта неподвижных полос.

Компоненты тензора деформаций определяются путём дифференцирования уравнений (7.9)-(7.11) по координатам. Знаки приращения функций N_K(x, y, z) определяются за счет того, что проекция r_z измеряется по двум парам интерферограмм и выбираются исходя из уравнения

7.12

Отсюда возможна единственная комбинация вида

или

Эта пара комбинаций определяет два вектора, равных по модулю и направленных вдоль одной прямой в разные стороны.

Векторы выбирают исходя из типа деформации – растяжение, сжатие и т.п.

Описание лабораторной установки

Для решения задач исследования деформаций поверхности лазерных элементов была разработана голографическая установка, позволяющая воздействовать на исследуемый объект температурным полем и определять величину деформаций в зависимости от температуры и следить за релаксацией внутренних напряжений в лазерных элементах при их отжиге.

При конструировании установки решались задачи защиты её элементов от температурных воздействий и увеличения степени помехозащищённости установки от механических воздействий низких и высоких частот.

Голографический интерферометр позволяет голографировать отражающие и прозрачные объекты. Наиболее важным применением является голографическая интерферометрия, позволяющая фиксировать изменения состояния объекта под воздействием температуры в промежутке между двумя экспозициями.

На основе зарегистрированных интерференционных картин производится определение картин деформаций в виде линий равных значений ε_хх, ε_yy, ε_ху – компонентов тензора деформаций на поверхности. Могут быть построены также другие системы линий – например, аналогичные изохромам, изоклинам, изоникам, полученным поляризационно-оптическим методом для прозрачных деталей. Установка может быть использована при голографировании объектов в статическом и динамическом режимах. Позволяет собирать различные оптические схемы записи и восстановления голографируемых объектов как в проходящем, так и отражённом свете. Кроме этого, установку можно использовать для макетирования двумерных оптических систем и проведения экспериментов в области температурной интерферометрии лазерных элементов.

Таким образом, установка предназначена для проведения широкого круга голографических исследований при использовании лазера He–Ne непрерывного действия. Функциональная схема голографической установки приведена на рис. 28.

Установка содержит гелий – неоновый лазер и комплект приспособлений, позволяющих проводить следующие голографические исследования: получение голограмм стационарных объектов; голографических интерферограмм фазовых и отражающих объектов методом двойной экспозиции и в реальном масштабе времени, голографических интерферограмм фазовых микрообъектов.

Для каждого случая исследования может быть применена своя оптическая схема. Вариант оптико-механических приспособлений, используемый в установке, является общим и может быть применён для любой схемы исследования.

Все оптические узлы установки располагаются на массивном основании из кварцевого стекла рис. 29 и 31. Оптические схемы, которые могут быть использованы на установке, весьма различны. В данном случае рассматриваются две основных схемы – двулучевая и во «встречных» пучках.

Голографический интерферометр выполнен как устройство, состоящее из жёсткой конструкции, установленной на специальных гидроцилиндрах. Гидроцилиндры устанавливаются дополнительно на плиту монолит рамной конструкции, которая опирается через резиновый коврик на фундаментные столбики («развязанный» фундамент). Назначение фундаментных столбиков, резиновых ковриков, плиты-монолита – не допускать имеющие место помехи высококачественных и низкочастотных колебаний на основание голографа. Для предохранения основания голографа от действия низкочастотных колебаний служат специальные гидроцилиндры (рис. 30). Конструкция гидроцилиндра

Рис. 28. Функциональные схемы установок

представляет собой корпус, в который установлена пружина, на которую, в свою очередь, опирается шток с фланцем. Фланец служит опорой для плиты из кварцевого стекла.

В гидроцилиндрах рассчитывались пружины и оценивалась степень демпфирования установки от низкочастотных колебаний.

Для предохранения установки от высокочастотных колебаний служат амортизаторы (резиновые коврики, прокладки и втулки). Амортизаторы установлены между частями системы установки: плита-монолит – гидроцилиндр – основание установки (рис. 31).

Рис. 29. Общий вид голографического интерферометра: 1 – юстировочный столик термоблока; 2 – термоблок со светопрозрачными окнами; 3 – фотокассета, содержащая голографическую пластину; 4 – оптический элемент (зеркало, линза) в оправе; 5 – расширительный узел, содержащий микрообъектив и микродиафрагму; 6 – оправа в рейтере, предназначена для размещения прямоугольных оптических элементов (зеркал, линз и т.п.); 7 – рейтер, обеспечивающий крепление оптических элементов на основании голографической установки; 8 – рейтер для крепления лазера; 9 – основание установки, изготовленное из плавленого кварцевого стекла; 10 – система гидроцилиндров, обеспечивающих помехозащищённость установки от механических воздействий на низких частотах

Рис. 30. Конструкция гидроцилиндра: 1 – корпус гидроцилиндра; 2 – пружина; 3 – поршень; 4– крышка; 5 – шток; 6 – рукоятка; 7 – резиновая прокладка; 8 – гайка; 9 – резиновый амортизатор; 10 – платформа опорная; 11 – пружина; 12 – винт перепускной; 13 – шарик

7

8

9

10

6

5

4

А

3

2

1

11

13

12

А (М2:1)

130

160

300

4

1

2

5

6

8

10

11

7

3

9

Рис. 31. Общий вид основания интерферометра:

1 – гидроцилиндр; 2 – устройство для измерения устойчивости к фундаменту; 3 – резиновая прокладка; 4 – кварцевое стеклянное основание; 5 – кварцевое стекло; 6 – система крепления кварцевого основания с гидроцилиндром; 9 – узел крепления гидроцилиндра к основанию, 7, 8, 10, 11 – переходной узел, обеспечивающий крепление гидроцилиндра с «развязанным» фундаментом

Резиновые амортизаторы рассчитывались для защиты установки от воздействия на неё высококачественных помех, которые могут быть переданы или от работающего рядом оборудования, имеющего несбалансированные подвижные части, или в результате использования прибора в сложных динамических условиях, когда непосредственно на него передаются внешние нестационарные нагрузки.

Защиту приборов от внешних воздействий разделяют два вида:

• активную амортизацию, когда источник возмущающих воздействий изолирующих от опорного основания;

• пассивную амортизацию, когда сам прибор изолирует от основания, к которому приложены динамические нагрузки.

В данном случае была использована пассивная амортизация, которая обеспечивалась резиновыми элементами (резина, армированная рупорами, звуковыми «ловушками») в системе «развязанный» фундамент – гидроцилиндр – основание установки. При расчёте резиновых амортизаторов проверялась прочность резины на сжатие от воздействия нагрузки и обеспечивались условия сохранения демпфирующих свойств резины.

При расчёте электронагревательного элемента термоблока исходили из необходимости нагревания заданного количества материала известной теплоёмкости от начальной температуры до конечной температуры в заданное время.

Установка комплектуется оптическим квантовым генератором ЛГН-222. Так как голография предъявляет качественно новое требования к источникам излучения (длина когерентности, стабильность излучения во время экспозиции) то для голографических схем необходимым требованиям по когерентности и стабильности удовлетворяют только лазеры. Для голографирования стационарных объектов, как правило, применяют лазеры, работающие в непрерывном режиме. Наиболее широкое применение получили гелий – неоновые лазеры (_ген  628,3 Нм).

Основные параметры используемого лазера (ЛГН-222):

• длина активного элемента – 2000 мм;

• мощность излучения – 50 мВт;

• длина когерентности – 0,45 м.

Лазер устанавливается в направляющих, закреплённых на основании.

Для трансформации луча лазера в нужном направлении используются зеркала со световым диаметром 20 мм, а для деления пучка – светоделительные зеркала с соотношениями коэффициентов отражения и пропускания R/ = 1:1; 2:3; 1:9; 1:10. Деление на опорный и объектный пучок производится так, что отражённый пучок является опорным, а прошедший – объектным.

Существующий набор светоделителей позволяет подбирать оптимальное соотношение интенсивностей пучков в соответствии с отражающей способностью поверхности исследуемого объекта. Всего в двулучевой оптической схеме используется 7 отражающих и светоделительных зеркал. Зеркала крепятся в оправы резьбовым кольцом. Такие же конструкции оправ используются для двух зеркал данного диаметра, направляющих расширенные коллимированные пучки на объект. Все зеркала, как отражающие, так и светоделительные, устанавливаются на стойках, закреплённых в основании установки.

Для расширения световых пучков в установке используются расширительные узлы, (рис. 32) укреплённые на стойках, установленных на основании. Расширительный узел имеет подвижную часть, в которой крепится микродиафрагма – пластинка из фольги с отверстием диаметров от 10 до 50 мкм. Для расширения пучков используются микрообъективы 10^х, 20^х и 40^х. При помощи подвижек вдоль оптической оси объекта и перпендикулярно ей отверстие микродиафрагмы может быть совмещено с пятном Эйри в фокусе микрообъектива. Этим осуществляется пространственная оптическая фильтрация светового пучка с устранением высокочастотных помех, являющихся следствием дифракции на дефектах и загрязнения в объективе. Это означает, что на освещённой поверхности не будут наблюдаться дифракционные кольца от различных препятствий.

К остальным оптическим конструктивным узлам относятся кассеты для фотопластинок (голограмм), обеспечивающие жесткость крепления фотопластинок и оправы для нейтральных светофильтров, позволяющих при необходимости ослабить световой поток с целью выравнивания освещённостей.

В схеме используется также объектив для получения голограммы сфокусированного изображения. В принципе, для этого может быть применён любой стандартный фотообъектив с фокусным расстоянием от 100 до 2 мм.

Установка обеспечивает снятие интерферограмм при изменении температуры объекта от 20 до 150 С. Для этой цели в голографическом интерферометре используется новый конструктивный элемент – термоблок.

Термоблок представляет собой закрытую камеру, в которую устанавливается объект. При проведении исследований в термоблоке происходит нагревание объекта до определённой температуры.

Рис. 32. Конструкция расширительного узла: 4 – микродиафрагма с механическим узлом, 14 – микрообъектив с механическим узлом; остальные позиции – конструктивные элементы расширительного узла

Одновременно снимают голограмму, по которой судят об изменениях объекта в процессе его нагревания или остывания. Так же, как и все конструктивные элементы оптической схемы, термоблок устанавливается на предметный столик, закреплённый на основании установки.

Основание голографического интерферометра выполнено таким образом, что возможен свободный доступ к любому конструктивному элементу оптической схемы. Все детали и узлы установки, чернёные во избежание «бликов». Верх установки задрапирован бархатом чёрного цвета во избежание попадания света и пыли на оптические устройства и оптику.

Порядок выполнения работы

1. Включите лазер ЛГН-222. После трехминутного прогрева автоматически включается режим «поджиг». При появлении генерации установите ток, соответствующий максимуму генерации.

2. Установите детали голографической системы согласно выполняемому пункту задания и приведенным выше оптическим схемам. Установите с помощью объективов необходимое расширение лучей. Следите, чтобы лучи попадали только на соответствующие им элементы схемы.

3. Проверьте жесткость закрепления деталей голографической установки.

4. Установите и закрепите на предметном столике (или в термостате) исследуемый предмет. Установите нагрузки (или температуру).

5. Получите фотоматериал у преподавателя и узнайте время экспозиции. Проверьте схему.

6. Установите фотопластинку в кассете, предварительно закрыв луч лазера черной фотобумагой. Уберите фотобумагу на время экспозиции. Экспонированную пластинку не вынимайте из кассеты.

7. Измените величину нагрузки (или температуру) на исследуемый предмет. Уберите черную фотобумагу на время второй экспозиции. Экспонированную фотопластинку выньте из фотокассеты.

8. После выполнения всех съемок проявите и зафиксируйте фотопластинку. Узнайте особенности проявления данного фотоматериала у преподавателя.

9. Высушите голографическую интерферограмму.

10. Подготовьте установку для восстановления интерферограммы.

11. Восстановите интерферограмму в опорном пучке лазера. Наблюдая интерферограмму, убедитесь в трехмерности полученного голографического изображения.

12. Установите фотоаппарат на предметный столик и переснимите интерферограмму на фотопленку. Проявите и зафиксируйте фотопленку. Сделайте отпечатки полученных интерферограмм на фотобумаге.

Содержание отчета

1. Оптическая схема установки и описание ее основных узлов.

2. Графики по результатам расшифровки интерферограммы.

Литература: [19], [20], [21].

Вопросы для самопроверки

1. Объясните, в чем заключается принцип записи перемещений с использованием метода голографической интерферометрии.

2. В чем отличие голографической схемы Ю. Н. Денисюка от схемы Д. Габора? Схема Е. Лейта и И. Упатниекса как частный случай схемы Ю. Н. Денисюка.

3. Каковы особенности голограммы?

4. Как получить и восстановить голограммы плоских и объемных объектов?

5. Объясните, в чем заключается физическая сущность процессов, лежащих в основе получения и записи голограмм?

6. Запишите уравнения голограммы и покажите, в каком из слагаемых заложена информация о фазе волны, идущей от объекта.

7. В чем отличие голограммы от интерферограммы? Как математически расшифровать голографическую интерферограмму?

Библиографический список

1. Температурная зависимость энергетических параметров лазеров на основе неодинсодержащих кристаллов / В.А. Алексеев, А.В. Лукин, С.В. Гагарский и др. в сб.: // Квантовая электроника: Межвуз.сб. – СПб.: ИТМП, 2002. – вып.1. – С.5-15.

2. Аналитическая лазерная спектроскопия / Под ред. Н. Оменетто. – М.: Мир, 1982. – 606 с.

3. Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин М.С. Перестраиваемые лазеры/ Под. ред. М.С. Соскина.– М.: Радио и связь, 1982. – 360 с.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1973. – 856 с.

5. Воеводин А.А., Казак В.А., Нагабина И.М. Расшифровка галографических интерферограмм при измерении деформаций поверхностей //НСТФ. – 1982. – № 4. – С.280-293.

6. Голография, методы и аппаратура / Под. ред. В.М. Гинзбург, Б.М. Степанова. – М.: Сов.радио, 1974. – 373 с.

7. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М. Таблица спектральных линий. – М.; Л.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1952. – 560 с.

8. Звелто О. Физика лазеров / Под. ред. Т.А. Шмаонова. – М.: Мир, 1979. – 369 с.

9. Квантовая электроника: Маленькая энциклопедия/ Под. ред. С.А. Ахматова, М.Е. Жаботинского, Д.Н. Клышко и др. – М.: Сов. энцикл., 1969. – 431 с.

10. Коули Дж. Физика дифракции. – М.; 1979. – 311 с.

11. Кухлинг Х. Справочник по физике / Под ред. Е.М. Лейкина. – М.: Мир, 1982. – 519 с.

12. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. Под ред. Ф.П. Королева. – М.: Московский университет, 1977. – 383 с.

13. Лукьяненко С.Ф., Макачон М.М., Синица Л.Н. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия. – Новосибирск: Наука, 1985. – 120 с.

14. О´шин Д., Колен Р., Родс Р. Лазерная техника. – М.: Атомиздат, 1980. – 254 с.

15. Оптическая голография / Под. ред. Г.Колфилда, С.Б. Гуревича. – М.: Мир, 1982. – 374 с.

16. Поляков В.Е., Потапов А.И. Лазеры на красителях: Учеб. пособие. –Л.: СЗПИ, 1993. – 121 с.

17. Поляков Е.В., Потапов А.И. Внутрирезонаторная спектроскопия в проблеме исследования фазовых превращений вещества. – СПб.: Изд-во международного фонда истории науки, 1988. – 43 с.

18. Потапов А.И., Черкасов В.Н. Лазерные методы дистанционного контроля атмосферы: Учеб. пособие. – Л.: СЗПИ, 1992. – 75 с.

19. Прикладная оптика / Под ред. Н.П. Заказнова. – М.: Машиностроение, 1988. – 308 с.

20. Справочник по лазерам: В 2 т./Под ред. А.М. Прохорова. – М.: Советское радио, 1978. – Т.1. – 503 с.; Т.2. – 400 с.

21. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. – М.: Радио и связь, 1981. – 439 с.