Голографическая интерферометрия

Принципы голографической интерферометрии

Голографическая интерферометрия представляет собой мощный оптический метод исследования малых деформаций, вибраций, перемещений, изменений показателя преломления и других физических явлений. В отличие от классической интерферометрии, где интерференционная картина формируется путем наложения волн от двух когерентных источников, в голографической интерферометрии используется голограмма — оптическая запись волнового фронта, отражённого от объекта. После реконструкции изображения голограмма способна воспроизводить интерференционную картину между текущим состоянием объекта и его состоянием, зафиксированным при записи.

Основы метода

Суть метода заключается в сравнении двух волновых фронтов: одного, зафиксированного на голограмме, и другого, отражённого от объекта в новом состоянии. Результирующая интерференционная картина несёт информацию о разностях фаз между двумя состояниями, которые могут быть вызваны деформациями, механическими напряжениями, изменением температурного поля, давлением или вибрацией объекта.

Голографическая интерферометрия может быть реализована в нескольких конфигурациях:

  • Однократная экспозиция (одноэкспозиционная) — используется для регистрации мгновенных изменений.
  • Двойная экспозиция (двухэкспозиционная) — сравниваются два состояния объекта до и после воздействия.
  • Множественная экспозиция (многоэкспозиционная) — позволяет анализировать многократные циклы колебаний или изменений.
  • Реального времени — интерференционная картина наблюдается непосредственно во время действия возмущающего фактора.

Оптическая схема установки

Типичная голографическая интерферометрическая установка включает следующие элементы:

  1. Лазерный источник излучения, обеспечивающий когерентное освещение.
  2. Система деления луча, образующая опорный и объектный пучки.
  3. Голографическая среда (пластинка или фотополимер), на которой записывается интерференционная картина.
  4. Оптические элементы (зеркала, линзы, диафрагмы) для формирования и управления пучками.
  5. Объект исследования, подвергаемый внешнему воздействию.
  6. Система наблюдения: либо фотопластинки, либо цифровые камеры для фиксации картины.

Голографическая регистрация и реконструкция изображения проводятся с высокой точностью, что позволяет выявлять смещения порядка долей длины волны.

Интерпретация интерференционных полос

Формируемые в процессе интерференции полосы представляют собой линии равных разностей оптических путей между двумя состояниями объекта. Расстояние между соседними полосами соответствует изменению фазы на 2π, что соответствует смещению на половину длины волны лазера.

Интерференционная картина может интерпретироваться следующим образом:

  • Прямые или симметричные полосы указывают на равномерное смещение или деформацию.
  • Искажения, изгибы и разрывы полос сигнализируют о локальных нарушениях симметрии, напряжениях, трещинах и других дефектах.
  • Плотность полос прямо пропорциональна величине изменения (например, смещения поверхности).

Типы голографической интерферометрии

  1. Голографическая интерферометрия деформаций Применяется для анализа упругих и пластических деформаций конструкций. Позволяет регистрировать микроскопические смещения поверхности при приложении внешних нагрузок.

  2. Вибрационная голографическая интерферометрия Используется для анализа колебаний. При этом получаются характерные полосы, соответствующие амплитуде и модам вибраций. Это позволяет оценивать динамические характеристики объектов.

  3. Тепловая голографическая интерферометрия Изменения температуры вызывают изменение размеров объекта и показателя преломления среды, что фиксируется в виде изменения интерференционной картины. Метод широко применяется в тепловой диагностике.

  4. Голографическая интерферометрия в прозрачных средах Позволяет исследовать изменения плотности, температуры или давления в газах, жидкостях и плазме за счёт изменения показателя преломления. Часто используется в аэродинамике, газодинамике и исследованиях плазменных потоков.

Лазеры для голографической интерферометрии

Выбор источника излучения играет ключевую роль. Требования:

  • высокая степень пространственной и временной когерентности;
  • стабильность длины волны;
  • малый расходимость пучка.

Часто применяются:

  • Гелий-неоновые лазеры (λ ≈ 632.8 нм) — наиболее распространённые в стационарных лабораторных установках;
  • Nd:YAG-лазеры (λ ≈ 1064 нм и 532 нм при удвоении частоты) — для более высокой мощности и глубины проникновения;
  • Полупроводниковые лазеры — используются в компактных и цифровых системах;
  • Фемтосекундные лазеры — для сверхвысокого временного разрешения при регистрации быстрых процессов.

Преимущества и ограничения метода

Преимущества:

  • Высочайшая чувствительность — смещения порядка λ/10 могут быть зарегистрированы;
  • Бесконтактность — оптический, ненарушающий объект метод;
  • Полноценное поле изображения — данные получаются по всей поверхности объекта;
  • Универсальность — применяется к твёрдым телам, жидкостям, газам.

Ограничения:

  • Необходимость когерентного источника;
  • Высокая чувствительность к внешним вибрациям;
  • Сложность интерпретации интерференционной картины без математической обработки;
  • Ограничение на размер и форму объектов (в классической оптической схеме);
  • Требования к стабильности среды (температура, вибрации, пыль и т.п.).

Цифровая голографическая интерферометрия

Развитие цифровых технологий привело к появлению цифровой голографической интерферометрии (CGI или DHI). В этой методике голограмма регистрируется с помощью ПЗС-камеры и обрабатывается на компьютере. Преимущества:

  • Ускорение анализа и обработка в реальном времени;
  • Возможность численного восстановления фазы волнового фронта;
  • Удобство хранения, архивации и передачи данных;
  • Простота интеграции с другими измерительными системами.

Цифровая голографическая интерферометрия позволяет автоматизировать количественные измерения деформаций, смещений, колебаний и изменений показателя преломления.

Применения

Голографическая интерферометрия применяется в широком спектре фундаментальных и прикладных задач:

  • Механика и материаловедение — изучение напряжений, микротрещин, усталостных явлений;
  • Аэрокосмическая техника — контроль обшивок, конструкций, двигательных элементов;
  • Медицина — диагностика микродвижений тканей, биомеханики, исследование роговицы глаза;
  • Оптика — юстировка компонентов, контроль качества зеркал и линз;
  • Микроэлектроника — контроль деформаций кристаллов, температурных напряжений;
  • Лазерная диагностика в плазме и потоках — определение распределений плотности и температуры.

Теоретическая основа фазовых изменений

Фазовый сдвиг между двумя состояниями объекта может быть выражен как:

$$ \Delta \varphi = \frac{2\pi}{\lambda} \cdot 2 \cdot \Delta d \cdot \cos \theta $$

где

  • Δd — изменение положения поверхности объекта,
  • λ — длина волны лазерного излучения,
  • θ — угол между падающим и наблюдаемым пучками.

Этот сдвиг определяет положение интерференционных полос. Анализ их плотности и формы позволяет количественно оценивать параметры исследуемых изменений.

Развитие метода и перспективы

Современные направления развития включают:

  • объединение голографии с методами машинного зрения;
  • интеграцию с компьютерной томографией;
  • создание миниатюрных портативных голографических сенсоров;
  • голография в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах;
  • применение адаптивной оптики и лазеров с управляемыми характеристиками.

Голографическая интерферометрия остаётся одним из самых точных и универсальных методов бесконтактной диагностики и исследования физических процессов в самых различных областях науки и техники.

Оглавление