Обработка голографических интерферограмм и спеклограмм с использованием двухчастотного лазера

1

ПРОБЛЕМЫ ЛАЗЕРНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ОБРАБОТКА ГОЛОГГРАФИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОГРАММ И СПЕКЛОГРАММ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРА

О.П. Большаков, И.Р. Котов, Е.Е. Майоров, В.В. Хопов

В работе рассмотрено применение метода гетеродинной интерферометрии для исследования напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов. Рассмотрено устройство, в котором для реализации принципа гетеродинирования предложено использовать двухчастотный лазер. Показано, что с помощью интерферометра сдвига можно производить расшифровку спеклограмм с использованием двухчастотного излучения.

При исследовании напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов широко используются методы голографической и спекл-интерферометрии [1]. Реализация принципа гетеродинирования в интерферометрии позволяет сформировать электрический сигнал и, таким образом, производить измерения с помощью электронной техники. Метод гетеродинной голографической интерферометрии известен как наиболее точный метод измерения смещений диффузной поверхности. Однако сложность регистрации и расшифровки интерферограмм, повышенные требования к виброустойчивости оптической схемы делают применение указанного метода достаточно сложным и не всегда возможным. Метод спекл-фотографии отличается своей прстотой и свободен от этих недостатков. Поэтому развитие принципа гетеродинирования на область спекл-фотографии позволяет совместить высокую точность гетеродинной интерферометрии и простоту регистрации интерферограмм. Однако эксплуатация известных систем связана с высокими требованиями к термостабилизации [2] и к юстировке оптических элементов

[3].

Гетеродинная схема расшифровки предполагает наличие разностной частоты интерферирующих световых пучков. В настоящей работе для реализации принципа гетеродинирования в спекл-фотографии исследована возможность использования двухчастотного лазера [4, 5], в котором сдвиг частот осуществляется за счет зсемановского расщепления линии генерации. Излучение такого лазера характеризуется наличием света с двумя различными частотами и поляризациями: левая круговая и правая круговая.

На рис. 1 изображена принципиальная схема устройства. Излучение лазера 1 содержит два циркулярно поляризованных колебания и Е^ с различными

частотами VI и Уг, электрические векторы которых вращаются в противоположных направлениях. За выходным окном лазера расположена четвертьволновая пластинка 2, которая преобразует циркулярно поляризованные колебания в линейно поляризованные, причем плоскости этих колебаний взаимно перпендикулярны (рис. 2а).

Пучок света, пройдя плоскопараллельную пластинку 3 (и частично отразившись от нее для формирования сигнала опорного канала), освещает спекл-фотографию 4, на которой зарегистрирована спекл-структура двух положений исследуемого объекта: до и после смещения. Свет, дифрагированный на спекл-структуре фотопластинки, распространяется через интерферометр сдвига 5, в одном из плеч которого установлена полуволновая пластинка 6. Последняя ориентирована таким образом, что

ее ось ММ" (рис. 26) параллельна оси ОСУ четвертьволновой пластинки 2. Поэтому плоскости колебаний Е\i и Е\2 светового пучка I, пройдя полуволновую пластинку, поворачиваются на 90 . Плоскости колебаний £,IIv] и Е\г светового пучка II не изменяются. Ось NN поляроида 7 ориентирована под углом 45° к оси четвертьволновой пластинки (рис. 2в). Поляроид пропускает лишь те колебания, плоскости которых параллельны его оси. Поэтому на выходе поляроида остаются только Е\2 и Е\ь которые интерферируют. Сигнал на выходе фотоприемника 9 U ~ cos (coi + Ф*) изменяется с частотой со = Vi - v2. В фазе сигнала Фк содержится информация о величине вектора смещения.

Рис.1. Принципиальная схема устройства. 1 - лазер; 2 - пластина Л/4; 3 -светоделитель; 4 - спеклограмма; 5 - интерферометр сдвига; 6 - пластина Л/2;

7,10- поляроиды; 8 - объектив; 9, 11 - фотоприемники, 12 - фазометр.

Поляроид 10, расположенный в опорном канале за плоскопараллельной пластиной 3, установлен таким образом, что его ось РР' (рис. 2г) параллельна оси четвертьволновой пластинки. На выходе поляроида присутствуют лишь компоненты колебаний Е\\ и Е'\2, параллельные его оси, которые интерферируют, и фотоприемник опорного канала 11 регистрирует изменяющуюся во времени с частотой со = VI - мг интенсивность светового потока опорного канала. Фаза сигнала Ф0 на выходе фотоприемника 11 постоянна.

Сигналы фотоприемников 9 и 11 поступают на входы измерителя разности фаз

12.

Evi

а)

О4

О

Ev2

б)

В)

F

Ev, E?vl

E?V2 EV2

Г)

M

Рис. 2. Векторные диаграммы поляризации интерферирующих лучей

Предлагаемое устройство позволяет измерять относительную величину смещения исследуемых точек поверхности объекта Ad, а при выборе начала отсчета от точки, не претерпевшей смещение, - абсолютную величину. С этой целью осуществляется перемещение фотопластинки относительно лазерного луча в плоскости, в которой она установлена. При этом фаза сигнала измерительного канала Ф^ (на выходе фотоприемника 9) изменяется в соответствии с изменением величины вектора смещения d, фаза сигнала опорного канала Ф0 остается постоянной. Для каждого положения фотопластинки измеритель разности фаз дает показание

ДФк = Ф^. - Ф0, где к = 1, 2, 3, ...

Изменение величины вектора смещения Ad между &-ой точкой и (&-1)-ой точкой определяется из следующей формулы (частный случай уравнения Александрова и Бонч-Бруевича [6] ): 2 п

АФк -ДФЫ =—Adsina, А

где X - длина волны лазерного излучения; Ad - изменение вектора смещения при перемещении фотопластинки из к-ой точки в (к- 1)-ую точку, a - угол дифракции луча света на спекл-структуре фотопластинки.

В качестве интерферометра сдвига в устройстве используется интерферометр Жамена, образованный из двух идентичных плоскопараллельных пластин.

Поскольку свет, рассеянный спеклограммой, распространяется в апертурном угле порядка 0.1 - 015 рад, настроить полуволновую пластину 6 (рис. 1) для всех лучей из этого апертурного угла невозможно. Поэтому основная погрешность измерения связана с отличием толщины h полуволновой пластинки 6 от величины ho, необходимой для поворота плоскости поляризации без изменения вида поляризации, т.е. сохранения при этом колебания линейно поляризованным. Толщина пластинки Но, удовлетворяющая этому требованию, определяется следующим выражением: X 1 тк

h0 =

2 п0-пе п0-п

где ш - целое число, 1 - длина волны излучения, по и пс - показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

В случае отличия реальной толщины пластинки к от Но колебание на выходе полуволновой пластинки становится эллиптически поляризованным. При этом к интерферирующим колебаниям Е\2 и Е\ 1 добавляется В^! (рис. 2 д).

Наличие составляющей В\\ приводит к ошибке 6Ф в определении фазы сигнала Ф. В худшем случае, когда сигнал В\\ сдвинут по фазе относительно Е\\ на л/2, ошибка будет равна

5Ф =

VI

Так как Е\ и В\i - полуоси эллипса и Е\i = Е\ь то i tg

~Ък{щ-пе)

BV1

Е" 2

И

где бh = h- ho. Так, при bh = 41 (п0-пе = 0,005 для слюды) 5Ф = 0,01-2л.

Таким образом, при указанных параметрах предлагаемое устройство позволяет производить измерения с погрешностью не более 0,01 -2л рад.

Результаты, приведенные в статье, могут быть использованы при разработке автоматизированных систем для исследования напряженно-деформированного состояния диффузно отражающих объектов, расшифровки интерферограмм. Следует отметить, что рассмотренное в работе устройство может быть также использовано и при оптической обработке голографических интерферограмм.

Литература

1. Ч.Вест. Голографическая интерферометрия М.: Мир, 1982.

2. Smith G.B., Stetson К.A. Heterodyne readout of specie-grain halo interference fringes // Appl. Opt. 1984. V.23. №6. P.920.

3. Хопов B.B. Гетеродинная спекл-интерферометрия// Опт. и спектр. 1983. Т. 55. №4. С.762.

4. Котов И.Р. и др. Устройство для измерения вектора смещения. A.c. № 1342180.

5. Коронкевич В.П., Соболев B.C. Лазерная интерферометрия. Новосибирск: Наука, 1983.

6. Александров Е.Б., Бонч-Бруевич А.Н. Исследование поверхностных деформаций тел с помощью голограммной техники. //ЖТФ. 1967. Т.37. №2. С.360-367.