Возможность визуализации фазовых оптических неоднородностей в объеме

Визуализация и количественный анализ оптических неоднородностей методами голографической интерферометрии основаны на внесении объектом в световую волну изменения фазы и амплитуды, проявляющиеся в интерференционной картине. Амплитудные изменения приводят к изменению контраста интерференционных полос, а фазовые изменяют их форму и взаимное расположение. В режиме голографической интерферометрии информация об исследуемом процессе извлекается из интерферограмм, являющихся результатом сложения двух когерентных световых волн — волны, восстановленной с голограммы начального состояния объекта, и волны, идущей от объекта в момент наблюдения или регистрации. Измеряемым параметром является изменение показателя преломления среды, зависящее от температуры, давления, концентрации и состава.

Голографическая интерферометрия давно используется для решения научных и прикладных задач [1–3], однако устройства для исследования фазовых объектов не имеют аппаратной реализации. Так, в Институте механики сплошных сред УрО РАН разработан малогабаритный интерферометр "Физо" для исследования процессов тепломассообмена в жидкостях. В Институте физики прочности и материаловедения СО РАН разработан автоматизированный телевизионный лазерный комплекс. В Сибирской государственной геодезической академии разработан малогабаритный фазовый интерферометр высокой помехоустойчивости для измерения малых возмущений. Республиканский центр трансфера технологий, Минск, представляет комплекс методик "Высокочувствительная интерференционно-муаровая дефектоскопия" и предлагает методики создания аппаратуры. В литературе описана портативная голографическая камера с фоторефрактивным кристаллом [4]. Широко представлены мобильные портретные голографические камеры, см., например, [5].

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ

В Лаборатории оптоэлектроники и голографии ФТИ им. А.Ф. Иоффе на протяжении многих лет велись работы по созданию малогабаритной голографической интерференционной аппаратуры. В 1980 г. на станции "Салют-6" успешно работала компактная голографическая аппаратура КГА-1, подтвердившая возможность функционирования голографической установки в условиях космического полета [6]. Были проведены исследования процесса растворения кристаллов солей. Прибор представлял собой каркасную голографическую установку с трехмерно-пространственной компоновкой элементов оптической схемы, располагаемых на несущих элементах (рамах), жестко связанных между собой стержнями и светозащитным экраном, помещаемую на виброизоляторах в защитный кожух.

Модификация прибора привела к созданию КГА-2 для исследования процессов в прозрачных средах методами голографической интерферометрии двойной экспозиции. Осуществлено изучение процессов роста и растворения кристаллов, процесса электрофореза белков, тепломассопереноса. Принципиальное техническое решение — как в предыдущем приборе. Аппаратура участвовала в эксперименте "Таврия" на космической станции "Салют-7" в 1983 г. [7] Комплекты кассет для регистрации голограмм доставлялись на борт также в 1984 и 1985 гг. Для регистрации матрицы голограмм использовалось специальное устройство — регистратор голографических интерферограмм.

Следующей значимой разработкой был регистратор голографический интерференционный [8, 9]. Проводилось исследование процессов тепломас-сопереноса, диффузии, оценка растворимости газа в жидкости, визуализация потоков. Прибор представляет собой автономную оптическую систему, обладающую жесткой конструкцией и обеспечи- вающую получение интерференционной картины в условиях внешних вибраций. Конструкция прибора позволяет менять схему освещения объекта в зависимости от требований методики эксперимента. На базе этого прибора создан голографический интерферометр-коррелятор [10] и голографический интерференционный микроскоп [11].

При проведении ряда экспериментов вставала задача визуализации оптических неоднородностей и конвективных потоков в исследуемых объектах по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Для этого был разработан двухкоординатный голографический интерферометр с трехмернопространственной компоновкой элементов оптической схемы, располагаемых на рамах, жестко связанных между собой стержнями. Наблюдение за объектом и визуализация процессов происходит по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет извлекать полную информацию об объекте.

ОПИСАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Интерферометр обеспечивает визуализацию оптических неоднородностей и конвективных потоков в исследуемых объектах по взаимно перпендикулярным направлениям, их видеорегистрацию и после соответствующей обработки получение пространственного распределения показателя преломления в исследуемом объекте. Интерферометр работает в режиме голографической интерферометрии двойной экспозиции и в режиме голографической интерферометрии реального времени.

Оптическая схема интерферометра.

1, 3–6, 11, 14–18 —- зеркала; 2 — полупрозрачное зеркало; 7 — микролинза;

8 — голограмма; 9 — микрообъектив; 10 — плоскопараллельная пластинка;

12 — линза; 13 — светоделитель; 19 — рассеиватель

Специальная конструкция интерферометра, состоящая из рамок, соединенных стяжками, обеспечивает надежность его работы. Габариты прибора — 500 × 500 × 130 мм, масса менее 10 кг. На каркасе закреплены поворотные зеркала, светоделитель, корректор пространственных частот. Для защиты от внешних помех и удобства использования интерферометр имеет защитный кожух.

Интерферометр состоит из узла излучателя с блоком питания, оптической системы, включающей зону 200 × 200 × 130 мм для установки кюветы, пульта управления, системы регистрации, видеокамеры. Узлы выполнены в виде отдельных функциональных блоков. В качестве источника когерентного излучения используется гелий-неоновый лазер с длиной волны 0.63 мкм. Максимальный объем объекта исследования 60 × 60 × 60 мм. Максимальный формат голограмм 40 × 40 мм. Исследуемые среды — вода, спирт, глицерин, органические кристаллы и другие, прозрачные в диапазоне 638 нм среды.

ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Оптическая схема (см. рисунок) представляет собой схему получения голограмм с просвечиванием объекта во взаимно перпендикулярных направлениях. Свет от лазера отражается зеркалом 1 и падает на поверхность полупрозрачного зеркала 2. Часть светового потока, отраженного от передней поверхности зеркала 2, зеркал 3–6 используется для формирования опорного пучка с помощью микролинзы 7. Взаимное расположение зеркал 3–6 служит для выравнивания длины оптических путей опорного и объектного пучков. Для того чтобы распределение света в объектном пучке было равномерным, использован микрообъектив 9 с фокусным расстоянием 2.5 см. Плоскопараллельная пластинка 10 компенсирует разность хода. Вторая линза 12 формирует параллельный пучок. Параллельный пучок делится светоделителем 13 на два, которые с помощью зеркал 14 и 16 просвечивают объект по двум взаимно перпендикулярных направлениям. За объектом исследования установлен рассеиватель 19, обеспечивающий локализацию наблюдаемой интерференционной картины в его плоскости, на которую с помощью зеркал 15, 17, 18 направляются пучки света, прошедшие через объект. Рассеиватель выполнен в виде матового стекла с односторонней шероховатостью. Объектный и опорный пучки сходятся в плоскости регистрации 8 и образуют интерференционную картину. Зарегистрированная на светочувствительном материале, она представляет собой голограмму объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан голографический интерферометр для получения интерферограмм двух проекций объекта. Интерферометр предназначен для визуализации оптических неоднородностей и конвективных потоков в исследуемых объектах в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Компактное устройство интерферометра позволяет использовать его не только в лаборатории, но и в условиях натурных экспериментов.

Научная часть работы была в ыполнена под руководство м Константинова В.Б. при технической помощи Левушкина В.М.