Сайт студентов физиков для студентов физиков!
Главная Учебные материалы по физике Определение деформации поверхности тела с помощью метода голографической интерферометрии

Определение деформации поверхности тела с помощью метода голографической интерферометрии

4.  По формуле (4) вычислить показатель преломления призмы.

5.  Оценить погрешность проведенных измерений по формуле для малых углов j

Dn » Dj (6)

6.  Сравнить результаты, полученные двумя различными методами и сделать вывод.

Контрольные вопросы.

1.  Чем отличается естественный свет от поляризованного?

2.  Как можно получить поляризованный свет из неполяризованного?

3.  Что такое плоскополяризованный свет?

4.  Что такое поляризатор?

5.  Что такое анализатор поляризованного излучения?

6.  Что происходит при отражении света от границы раздела двух диэлектриков?

7.  Сформулируйте закон Брюстера.

8.  При каких условиях происходит полное внутреннее отражение света?

9.  Как должен быть поляризован свет, падающий на призму, чтобы можно было добиться полного гашения отраженного луча?

10.  Связано ли явление полного внутреннего отражения с поляризацией света?

11.  Выведите формулу (4) в качестве упражнения.

12.  Какой из способов определения значения показателя преломления дает более точные результаты и почему?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

Определение деформации поверхности тела с помощью метода голографической интерферометрии

Цель работы. Ознакомление с методом голографической интерферометрии и его использование для определения смещений и деформации поверхности тела.

Оборудование. Лазер, полупрозрачное стекло, стальная пластина, голограмма поверхности нагружаемой пластины в недеформированном состоянии, экран, коллиматор.

Описание метода измерения и установки.

В 1962 г. Лейт и Упатниекс, используя принципы радиолокации и техники связи, впервые записали пространственно-частотный спектр предмета на голограмму. Исследователи предложили использовать в голографии такую же несущую (опорную) волну, как и в радиотехнике. В отличие от радиотехнической несущей волны, которая зависит от времени, голографическая несущая волна наносится непосредственно на фотопластинку. Экспериментаторы назвали ее пространственной несущей, потому что она колеблется не во времени, а в пространстве, меняя амплитуду от точки к точке. Несмотря на такое различие, радиотехническая несущая волна и пространственная несущая волна в голографии обладают одинаковыми свойствами в отношении передачи информации.

Итак, голографией называется метод записи и последующего восстановления световых волн, идущих от объекта. В основе метода лежат явления интерференции и дифракции когерентных световых пучков. Принципиальное отличие голографии от обычной фотографии состоит в том, что при голографической записи на фотоматериале фиксируется не только интенсивность, но и фаза световой волны, идущей от предмета. Достигается это за счет того, что отражаемая предметом волна интерферирует с когерентной ей вспомогательной волной, называемой опорной. Возникающая при этом интерференционная картина, записанная на фотоматериале, называется голограммой.

Голограмма содержит информацию о предмете, хотя на ней и не видны контуры записываемого предмета. Так как почернение фотоматериала пропорционально интенсивности света, то участки проявления позитивной голограммы, имеющие максимальное пропускание, соответствуют тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с опорной фазой волны, т. е. происходит усиление света. Наименее прозрачные участки голограммы соответствуют участкам фронта предметной волны с фазами, противоположными фазе опорной волны. Если голограмму осветить только опорной волной, то в результате дифракции света на интерференционной структуре образуется такое же пространственное распределение амплитуд и фаз, как у предметной волны, т. е. возникает восстановленная волна, отражающая пространственный образ предмета. Одна из схем получения голограммы (схема получения и восстановления голограммы Лейта – Упатниекса) приведена на рис.1.

 

Голография широко используется в самых различных областях науки и техники. В настоящей работе рассматривается метод исследования смещений и деформаций тел, получивший название голографической интерферометрии. Суть этого метода легче всего пояснить на примере двухэкспозиционной интерферометрии. На одной и той же фотопластинке вначале регистрируется голограмма предмета, находящаяся в исходном состоянии, а затем голограмма предмета, деформированного под действием нагрузки. При восстановлении оба изображения восстанавливаются одновременно и соответствующие им световые волны интерферируют. В результате деформация предмета проявляется на восстановленном изображении в виде интерференционных полос.

В некоторых случаях желательно наблюдать за реакцией объекта на изменение условий напряжения в реальном времени. Осуществить такое наблюдение можно с помощью голографической интерферометрии в реальном времени. В этом случае предварительно записывается голограмма предмета, а затем световая волна, рассеянная объектом, интерферирует со световой волной, восстановленной голограммой.

Интерферометрическое исследование в реальном времени в настоящей работе осуществлено по схеме, изображенной на рис.2. Волна от лазера 1, расширенная с помощью коллиматора 2, и волна, отраженная назад от предмета 4, записывают голограмму на пластине 3. Полученная таким образом голограмма устанавливается на то же место. Поскольку фронт волны, отраженной от предмета, совпадает с фронтом волны, восстановленной на голограмме, то на экране 5 будет наблюдаться только изображение предмета 4. При нагружении предмета 4 фронт отраженной от него волны отличается от фронта волны, восстановленной от голограммы. В результате эти две волны будут приходить в различные точки экрана с разными фазами. Таким образом, на экране возникает система чередующихся темных и светлых полос (рис.3), которая будет меняться с течением времени. По количеству полос, прошедших через данную точку, можно судить о реакции предмета на нагружение. Следует отметить, что при изготовлении голограммы происходит ее деформация, поэтому до нагружения пластины на экране практически всегда наблюдается «нулевая» система интерференционных полос.

 

В настоящей работе в качестве исследуемого образца используется стальная плоскопараллельная пластина, нагружаемая стальным винтом, как показано на рис.3. Поскольку прикладываемая нагрузка вызывает в данном случае лишь малые деформации, то изменение оптического пути света в данной точке можно считать равным удвоенной величине смещения поверхности образца. В этом случае условие максимума интерференционной картины на экране будет выглядеть следующим образом:

ml = 2D (1)

где D — смещение поверхности пластины из недеформированного состояния, l — длина волны лазерного излучения, m = 0,1,2,3 … — целое число. Таким образом по количеству полос, прошедших через заданную точку на экране, можно определить смещение поверхности наружного образца с из исходного состояния.

Порядок выполнения работы.

1.  Выбрать на экране 8-10 точек на оси х (или у), в которых будет определяться смещение пластины, определить их координаты, занести в таблицу.

№ точки

х(у), мм

Число полос m

Смещение пластины D

1

2

10

2.  Подвести микрометрический винт к пластине до соприкосновения, момент соприкосновения определяется по «вздрагиванию» на экране «нулевой» интерференционной картины. Зафиксировать число делений микрометра N0 . Повторить процедуру несколько раз, определив среднее значение .

3.  Медленно вращая микрометрический винт на заданное преподавателем число делений, определить количество полос, прошедших через первую точку. Занести данные в таблицу.

4.  Разгрузить пластину, вернув микрометрический винт в исходное положение.

5.  Повторить 3 и 4 для всех остальных точек.

6.  В каждой точке по формуле (1) определить значение D и построить график зависимости D(х) или D(у).

7.  Сделать вывод.

Контрольные вопросы.

1.  Что такое голография?

2.  Как регистрируется голографическое изображение?

3.  В чем состоит отличие голографии от обычной фотографии?

4.  Что такое опорная и объектная волны?

5.  Что такое голографическая интерферометрия в реальном времени? Чем этот метод отличается от двухэкспозиционной интерферометрии?

6.  Сформулируйте условие максимума интерференционной картины при малых смещениях поверхности пластины из исходного состояния.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

Определение показателя преломления вещества с помощью явления интерференции

Цель работы: ознакомление с некоторыми возможностями использования законов геометрической оптики при описании интерференционных явлений и с практическим методом определения показателя преломления плоскопараллельной пластины.