Определение деформации поверхности тела с помощью метода голографической интерферометрии

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.