СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОГРАММ ФАЗОВОГО ОБЪЕКТА
METHOD OF OBTAINING TOPOGRAPHIC INTERFERENCE PATTERNS OF PHASE OBJECT

Изобретение относится к способам получения голографических интерферограмм и может быть использовано при измерении малых разностей хода слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах (разность хода лучей менее 0,1λ длины световой волны).
-5
-7
Слабые оптические неоднородности имеют место при изучении обтекания тел в потоках малой плотности (давление равно 10-10 мм рт.ст.), распыливании топлив из форсунок в разреженное пространство, изучении процессов смешения, воспламенения и горения топлив, обнаружении диффузных пограничных слоев и других задач экспериментальной газовой динамики, физики горения и плазмы.
Известен способ получения голографических интерферограмм фазового объекта (см. В.Т.Черных, И.Н.Зелинский. Способ получения многочастотного голограммного элемента и его использование в голографической интерферометрии трехмерных фазовых объектов. - Оптика и спектроскопия, т.46, в.4, с.795-799, 1979 г.), реализованный в голографическом интерферометре, путем последовательной регистрации объектного пучка, сформированного в виде набора дискретных когерентных световых пучков, прошедших сквозь фазовый объект, и опорного пучка.
Основным недостатком известного способа получения голографических интерферограмм фазового объекта является низкий коэффициент чувствительности измерения. Для увеличения коэффициента чувствительности необходимо проводить пространственную фильтрацию объектных пучков, формирование специального когерентного опорного пучка, а также учитывать погрешность измерений за счет поперечного смещения объектного светового пучка.
Известен способ получения голографических интерферограмм фазового объекта (см. В.Т.Черных «Голографическая интерферометрия фазовых объектов». - Л.: «Наука», Ленинград, отд-ие, 1979 г. / А.К.Бекетова, А.Ф.Белозеров, А.Н.Березкин и др., с.34-37) путем последовательной записи на регистрирующей среде объектной волны, прошедшей сквозь исследуемый фазовый объект, и опорной волны.
Известен также способ получения голографических интерферограмм (см. В.Т.Черных «Голографическая интерферометрия фазовых объектов». - Л.: «Наука», Ленинград, отд-ие, 1979 г. / А.К.Бекетова, А.Ф.Белозеров, А.Н.Березкин и др., с.87-88), в котором последовательная регистрация объектной и опорной волн производится при выполнении нелинейных условий регистрации голограммы.
Наиболее близким техническим решением является способ получения голографических интерферограмм фазового объекта, реализованный в голографическом интерферометре (см. В.Т.Черных, А.Ф.Белозеров. Авторское свидетельство SU №469882, МПК G01B 9/02, 05.05.1975), содержащем источник когерентного излучения, светоделительную пластину, оптическую систему для формирования опорного и объектного пучков, дифракционный элемент перед объектом и узел регистрации голограммы.
Согласно известному способу голографическую интерферограмму получают путем последовательной записи на регистрирующей среде опорного пучка и объектного пучка, прошедшего сквозь фазовый объект, при этом объектный пучок перед записью формируют с помощью дифракционного элемента.
Основным недостатком известных способов получения голографических интерферограмм фазового объекта является то, что их невозможно использовать при измерении слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах (разность хода лучей менее 0,1 λ длины световой волны) из-за низкого коэффициента чувствительности измерения.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа получения голографических интерферограмм фазового объекта, позволяющего его использовать при измерении слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах за счет повышения коэффициента чувствительности измерения.
Технический результат достигается в способе получения голографических интерферограмм фазового объекта путем последовательной записи на регистрирующей среде опорного пучка и объектного пучка, прошедшего сквозь фазовый объект, при этом объектный пучок перед записью формируют посредством дифракционного элемента, согласно заявляемому изобретению при формировании объектного пучка посредством дифракционного элемента, объектный пучок разлагают на дифрагированные пучки нулевого и высших порядков дифракции, используют нулевой порядок дифракции, причем нулевой порядок дифракции пропускают сквозь фазовый объект как в прямом, так и в обратном ходе дифрагированных световых пучков на дифракционном элементе, при этом пучки N-х порядков дифракции, образованные в обратном ходе лучей через дифракционный элемент, возвращают одновременно в плоскость дифракционного элемента, а для регистрации объектного и опорного пучков регистрирующую среду устанавливают в одном из N сопряженных обратных пучков N-го порядка дифракции противоположного знака обратного хода лучей, при этом коэффициент чувствительности измерения определяют по формуле Ч=(N+1)·2, где N - (0, +1; +2; +3, +4…) - порядок дифракции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема голографического интерферометра, реализующего предлагаемый способ получения голографических интерферограмм фазового объекта, на фиг.2 приведена голографическая интерферограмма неоднородностей факела пламени, полученная способом-прототипом, на фиг.3 приведена голографическая интерферограмма неоднородностей факела пламени, полученная предлагаемым способом.
Цифрами на чертеже (фиг.1) обозначены:
1 - источник когерентного излучения (лазер),
2 - коллиматор,
3 - светоделительная пластина,
4 - дифракционный элемент,
5 - фазовый объект,
6 - зеркало объектного пучка,
7, 8, 9, 10, … N - зеркала, выполненные с возможностью одновременного возврата объектных пучков в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента и образования объектных дифрагированных пучков,
11, 12 - зеркала опорного пучка,
13 - узел регистрации голограммы с регистрирующей средой в плоскости регистрации голограммы.
Голографический интерферометр содержит источник 1 когерентного излучения, коллиматор 2, светоделительную пластину 3, оптическую систему для формирования опорного пучка, которая имеет зеркала 11, 12, и объектного пучка, дифракционный элемент 4, установленный перед фазовым объектом 5, и узел 13 регистрации голограммы.
В оптической системе голографического интерферометра для формирования объектного пучка дополнительно установлены зеркало 6 объектного пучка и зеркала 7, 8, 9, 10, … N.
Зеркало 6 объектного пучка установлено после фазового объекта 5, перпендикулярно оптической оси дифракционного элемента 4.
<mrow><msup><mn>0</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>…</mo><mo>±</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Зеркало 6 выполнено с возможностью возврата объектного пучка в обратном ходе и формирования, совместно с дифракционным элементом 4, на его выходе дифрагированных пучков
;
;
;
порядков дифракции.
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>3</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Зеркала 7, 8, 9, 10, … N установлены в пучках
;
;
;
порядков дифракции перпендикулярно оптической оси.
Зеркала 7, 8, 9, 10, … N выполнены с возможностью одновременного возврата объектных пучков в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента 4 и образования объектных дифрагированных пучков, проходящих через фазовый объект 5 в направлении зеркала 6 объектного пучка.
<mrow><mo>−</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mn>3</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Узел 13 регистрации голограммы установлен в одном из N сопряженных пучков
;
;
;
порядков дифракции обратного хода лучей.
Способ получения голографических интерферограмм фазового объекта осуществляют следующим образом.
ОП
ОБ
На регистрирующей среде узла 13 регистрации последовательно записывают опорный пучок W и объектный пучок W, прошедший сквозь фазовый объект 5.
ОБ
Объектный пучок W перед записью формируют посредством дифракционного элемента 4.
ОБ
ОБ
<mrow><msup><mn>0</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>о</mi><mi>й</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>й</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>о</mi><mi>й</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>…</mo><mo>±</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>й</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Отличием предлагаемого способа получения голографических интерферограмм фазового объекта является то, что при формировании объектного пучка W посредством дифракционного элемента 4 объектный пучок W разлагают на дифрагированные пучки нулевого (
) и высших (
;
;
) порядков дифракции.
Далее используют только нулевой порядок дифракции.
Нулевой порядок дифракции пропускают сквозь фазовый объект 5, как в прямом, так и в обратном ходе дифрагированных световых пучков на дифракционном элементе 4.
Пучки N-х порядков дифракции, образованные в обратном ходе лучей через дифракционный элемент 4, возвращают одновременно в плоскость дифракционного элемента 4.
Для регистрации объектного и опорного пучков регистрирующую среду узла 13 регистрации устанавливают в одном из N сопряженных обратных пучков N-го порядка дифракции противоположного знака обратного хода лучей.
Коэффициент чувствительности измерения определяют по формуле:
Ч=(N+1)·2, где N - (0, +1; +2; +3, +4…) - порядок дифракции.
Таким образом, предлагаемый способ получения голографических интерферограмм фазового объекта осуществляют следующим образом.
ОБ
ОП
Излучение от лазера 1 поступает в коллиматор 2, на выходе которого формируется коллимированный пучок световых лучей. Далее с помощью светоделительной пластины 3 коллимированный пучок делится на два пучка. Прошедший пучок является объектным пучком W, а отраженный - опорным пучком W.
ОБ
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mn>0</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><munder accentunder="true"><mo>,</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>е</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>ы</mi><mi>е</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Объектный пучок W, распространяясь в прямом направлении, поступает на дифракционный элемент 4, на выходе которого образуются дифрагированные пучки нулевого
и высших порядков (
;
; …).
ОБ
В качестве объектного пучка W далее выбирают пучок нулевого порядка, который пропускают сквозь исследуемый фазовый объект 5.
ОБ
Затем объектный пучок W′ посредством зеркала 6 возвращают в обратном ходе.
ОБ
Пройдя при этом сквозь фазовый объект 5, пучок W′ поступает в плоскость дифракционного элемента 4.
ОБ
Пучок W′, дифрагируя на дифракционном элементе 4, формирует в обратном ходе набор объектных пучков, как изображено на фиг.1.
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>о</mi><mi>й</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>3</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
При этом пучки, в данном конкретном примере дифрагированные в положительные порядки (
;
;
…), вновь возвращают в плоскость дифракционного элемента 4. Каждый из этих объектных пучков, дифрагируя на элементе 4, посылает в прямом направлении объектный пучок, по направлению совпадающий с нулевым порядком. За счет этого получают увеличение разности хода объектного светового пучка, определяемого формулой:
К=(N+1)·2, где
К - коэффициент чувствительности измерений,
N - порядок дифракции (0, +1; +2; +3, +4…).
Объектный пучок записывают на регистрирующей среде узла 13 в порядке дифракции противоположного знака, например в -4-м, соответствующего дифракции в обратном ходе световых лучей.
ОБ
ОБ
ОП
На голографическом интерферометре голограмму регистрируют по методу двух экспозиций. При первой экспозиции в объектном пучке Wприсутствует фазовый объект 5. При второй экспозиции в плоскости регистрации голограммы интерферируют два плоских пучка W и W.
Пример конкретного осуществления предлагаемого способа получения голографических интерферограмм фазового объекта.
ОП
Когерентное излучение от лазера 1 (источника когерентного излучения) поступает в коллиматор 2. На выходе коллиматора формируется пучок параллельных световых лучей. Далее коллимированный пучок поступает на светоделительную пластину 3, посредством которой делится на два пучка. Отраженный от светоделителя опорный пучок W поступает в опорную ветвь, образованную элементами 3, 11, 12 и 13.
Оптические элементы 3, 4, 5, 6, и 7, 8, 9, 10, … N образуют объектную ветвь голографического интерферометра.
ОБ
<mrow><msup><mn>0</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>…</mo><mo>±</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Прошедший сквозь светоделительную пластину 3 пучок - объектный пучок W - далее поступает в прямом ходе на дифракционный элемент 4. Дифракционный элемент 4 разлагает этот пучок на ряд дифрагированных пучков: нулевой и высшие порядки дифракции (
;
;
;
).
ОБ
Далее используют только объектный пучок W нулевого порядка, который, распространяясь в прямом направлении, просвечивает фазовый объект 5 и попадает на зеркало 6 объектного пучка.
ОБ
<mrow><msup><mn>0</mn><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>…</mo><mo>±</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mi>й</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Зеркало 6 объектного пучка установлено после фазового объекта 5 перпендикулярно оптической оси и выполнено с возможностью возврата объектного пучка W′ в обратном ходе в плоскость дифракционного элемента 4. Объектный пучок, дифрагируя на элементе 4, в обратном ходе также образует нулевой и высшие порядки дифракции (
; ±1; ±2;
).
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>1</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>+</mo><msup><mn>3</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
7
8
9
10
N
В данном конкретном примере в пучках положительных порядков дифракции
;
;
…+N объектного пучка перпендикулярно оптической оси дополнительно установлены зеркала 7, 8, 9, 10, … N, которые выполнены с возможностью одновременного возврата пучков W, W, W, W, … W в прямом ходе в плоскость дифракционного элемента 4.
Далее каждый из этих пучков, дифрагируя на элементе 4, формирует объектный пучок, идущий в прямом ходе к зеркалу 6, просвечивая при этом фазовый объект 5.
Отраженный от зеркала 6 объектный пучок, вновь просвечивает в обратном ходе фазовый объект 5 и поступает в плоскость дифракционного элемента 4. Дифрагированные объектные пучки в обратном ходе распространяются в направлениях как положительных, так и отрицательных порядков.
<mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><none /><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></mmultiscripts></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mn>2</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mn>3</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mi>N</mi><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msup><mn>4</mn><mrow><munder accentunder="true"><mrow><mi>г</mi><mi>о</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow></msup></mrow>
Для регистрации объектного и опорного пучков регистрирующая среда узла 13 установлена в одном из N сопряженных пучков противоположного знака обратного хода лучей (в данном конкретном примере
;
;
;
порядков дифракции обратного хода лучей), а более конкретно в пучке
порядка обратного хода лучей.
Коэффициент Ч чувствительности измерений определяется по формуле: Ч=(N+1)·2, где N - (0, +1; +2; +3, +4…) - порядок дифракции.
Так, например, при использовании только нулевого порядка дифракции (N=0) коэффициент чувствительности измерения будет равен 2, а при N, равном +4, коэффициент чувствительности измерения будет равен 10, т.е. на порядок больше измеряемой величины (в сравнении с 0,1λ).
ОБ
ОБ
ОП
ОП
На голографическом интерферометре голограмму регистрируют по методу двух экспозиций. При первой экспозиции в объектном пучке W присутствует фазовый объект 5. При второй экспозиции в плоскости регистрации голограммы интерферируют два плоских пучка W и W. Опорный пучок W с помощью системы зеркал 11 и 12 вводят в плоскость регистрации голограммы под некоторым углом 9.
Работоспособность предлагаемого способа получения голографических интерферограмм фазового объекта экспериментально подтверждена на макете голографического интерферометра. В эксперименте использовался дифракционный элемент (решетка), формирующий нулевой и «±» 4-е порядки дифракции.
На фиг.2 изображена голографическая интерферограмма неоднородностей факела пламени, полученная способом-прототипом (коэффициент чувствительности способа не превышает 0,1λ длины световой волны).
На фиг.3 изображена голографическая интерферограмма, полученная согласно предлагаемому способу.
Из снимка (фиг.3) видно, что деформация полос в области границы неоднородности в десять раз больше, чем на снимке, показанном на фиг.2, т.е. при использовании четвертого порядка дифракции достигнуто десятикратное увеличение коэффициента чувствительности измерений.
Из снимка (фиг.3) также видно, что полосы настройки вне возмущенной зоны сохраняют строгую прямолинейность (при достигнутом увеличении чувствительности), что позволяет проводить количественную расшифровку интерферограммы, показанной на фиг.3.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит повысить коэффициент чувствительности измерений, что обеспечит количественное измерение слабых оптических неоднородностей.