3.4. Голографическая интерферометрия

Прежде, чем перейти к голографическим методам измерений, сравним классическую интерферограмму и голограмму.

В классической интерферограмме информация об исследуемом объекте регистрируется за счет точной фиксации фазы световой волны. Фазовые сдвиги, вносимые объектом, кодируются на интерферограмме в виде числа и местоположения полос. Однако классические интерферограммы не пригодны для изучения объектов, содержащих светорассеивающие объемы или поверхности. Изменение фазы оказывается столь сложным, что зафиксировать и расшифровать его не представляется возможным. На помощь приходят голографические методы, суть которых состоит в том, что на этапе записи фиксируется изменение хорошо известной фазы опорного сигнала, промодулированное изменением фазы предметной волны, а на этапе восстановления той же опорной волной восстанавливается изображение предмета. Появилось направление, сочетающее в себе основные особенности классической интерферометрии и голографии – голографическая интерферометрия.

Голографическая интерферометрия позволяет осуществлять интерференционное сравнение двух или нескольких волновых фронтов, соответствующих различным состояниям исследуемого объекта. Позволяет зримо наблюдать малые деформации изделий при изменении нагрузки и распределение этих деформаций по поверхности тела, также используется для измерения протяженности объектов и исследования вибраций.

Посмотрим, как с помощью голографического метода осуществить интерферометрическое исследование.

Пусть на голограмме зафиксирована интерференционная картина, соответствующая начальному состоянию объекта. Прервем экспонирование и, не убирая голограмму из голографической схемы, изменим исследуемый объект (например, произойдет тепловая деформация в результате локального нагрева). Вторично экспонируем голограмму. На одной голограмме фиксируются две интерференционные картины, существовавшие в различные моменты времени и соответствующие двум состояниям объекта.

Осветим голограмму опорным пучком. Обе предметные волны наблюдаются одновременно и, интерферируя, усиливают яркость изображения, а в участках, где произошли изменения с объектом, образуют интерференционные полосы. В этой интерференционной картине опорной волной служит волна, рассеянная самим объектом в его начальном состоянии и имеющая ту же самую микроструктуру. Поэтому контраст интерференционных полос близок к единице.

Проведенное упрощенное рассмотрение процесса голографической регистрации малых изменений, происходящих со светорассеивающими объектами, показывает, что интерференция используется дважды и, соответственно, регистрируются два типа интерференционных картин.

Интерференционная картина, вид которой определяется формой предметной волны и типом голографической схемы, имеет весьма малый период, обычно 1…100. Контраст полос зависит от светорассеивающих свойств объекта и соотношения интенсивностей опорного и предметного пучков. Другая картина полос наблюдается в области восстановления изображения объекта. Зависит от характера изменений, произошедших с объектом, а контраст определяется соотношением яркостей двух одновременно восстановленных изображений объекта. Область пространства, где достигается максимальный контраст интерференционных полос такого типа, называется объемом локализации полос. Подобное явление не наблюдается в классической интерферометрии, где полосы формируются во всей зоне пересечения двух пучков.

Методы получения голографических интерферограмм. В голографической интерферометрии наибольшее применение находят лазеры видимого диапазона. В первую очередь, это He/Ne-лазеры и Ar-лазеры. Существует несколько способов получения голографических интерферограмм.

Метод реального времени. Голограмма объекта в его начальном состоянии записывается на регистрирующем материале и проявляется. Наблюдая сквозь голограмму, освещенную опорной волной также освещенный объект, мы одновременно регистрируем две волны: волну восстановленного изображения и ослабленную за счет оптической плотности голограммы предметную волну. Применяется для медленно изменяющихся процессов

Метод двух экспозиций. Удобен для исследования быстропротекающих процессов, если начальные и конечные состояния четко выделены. Записывая на голограмме две, существующие в различное время предметные волны, и восстанавливая их одновременно с помощью опорной волны, получаем на фоне изображения объекта локализованную интерференционную картину, контраст которой не зависит от величины смещения.

Стробоголографический метод. Если состояние объекта меняется во времени непрерывно, то для получения достаточного контраста рекомендуется использовать стробоголографический метод. Например, при исследовании вибраций необходимо осуществлять механическое или электрооптическое стробирование излучения непрерывного лазера (стробирование - прерывание излучения с заданной частотой). Причем световые импульсы должны быть синхронизированы с моментами нахождения объекта в крайних положениях. В этом случае полосы имеют постоянный контраст.

Метод усреднения по времени. Если поведение объекта подчиняется гармонической закономерности, можно записывать голограмму при непрерывном освещении объекта в течение времени, которое много больше периода изменений. Этот метод часто используется в голографической виброметрии благодаря своей простоте. Не требуется ни проявлять голограмму непосредственно в схеме, ни стробировать лазерное излучение. На рис. 3.6. приведены полученные методом усреднения голографические интерферограммы вибрирующей лопатки компрессора газотурбинного авиационного двигателя. Показаны две формы колебаний на резонансных частотах. Получение их традиционным способом - сканированием вибрирующей поверхности датчиком со щупом – сопряжено с большими временными затратами и часто сопровождается ошибками и промахами.

Рис. 3.6. Интерферограммы вибрирующей лопатки компрессора на

резонансных частотах: две формы колебаний.

Расшифровка голографических интерферограмм. Расшифровка интерферограммы, покрывающей восстановленное с голограммы изображение исследуемого объекта, является тем более сложной задачей, чем меньше объем начальных сведений об изучаемом процессе. Наиболее простой в реализации является задача голографической дефектоскопии. Несимметричность концентрации интерференционных полос в отдельных областях свидетельствует о неадекватности условий закрепления, нарушении соединений слоев и т.п.