Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел ИССЛЕДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЙ Тема МЕТОДЫ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ 1 2 История голографии Изобретена в 1948 году Деннисом Габором для усовершенствования электронного микроскопа (задолго до изобретения лазеров) Д. Габор - лауреат Нобелевской премии по физике 1971 г. «за изобретение и развитие голографического метода» В 1962 году для получения голограмм впервые использовали лазер 3 Голография и фотография Фотография: 2-х мерная версия 3-х мерного объекта Отсутствует глубина изображения Регистрируются только амплитуды и частоты волн Теряется информация о фазах волн 4 Голография и фотография Голография: Записывается информация о всех деталях волнового фронта (в том числе и о фазе волны) При наблюдении голограммы полностью восстанавливается волновой фронт В изображении содержится вся информация о 3-х мерных характеристиках объекта Изображение является точной копией объекта в момент регистрации голограммы 5 Голография и фотография Голограмма: Преобразует фазовую информацию в амплитудную информацию (совпадение фаз – максимум амплитуды, противофазы – минимум амплитуды) Происходит интерференция световой волны от объекта с опорной волной Голограмма - сложная интерференционная картина, образованная множеством микроскопических полос “Голос” – греческое слово, обозначающее полное сообщение 6 E A Cos(t ) ФОТОГРАФИЯ – запись сведений только об АМПЛИТУДЕ и ЧАСТОТЕ волны ГОЛОГРАФИЯ – дополнительная запись сведений о ФАЗЕ волны Для этого осуществляют интерференцию волны от объекта с «опорной» волной ( волной с известными характеристиками ) 7 ГОЛОГРАММА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ КАРТИНА ВОССТАНОВЛЕННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ 8 Голограмма точечного источника Любой объект – система точечных источников света Фотопленка Опорная На фотопленке фиксируетс я результат наложения двух волн волна (плоская) x z y Волна от источника (сферическая) 9 Голограмма точечного источника 2 2 I ( x, y, z ) A1 A2 2 A1A2 cos( ) Максимумы (кольца почернения) для =2k ( s=OM-LM=k ) ГОЛОГРАММА ФОТО 10 Любой объект – - система точечных источников света Кольцевые интерференционные картины от различных точек перекрываются Результирующая голограмма – сложная система перекрывающихся интерференционных полос 11 12 Восстановление голограммы Голограмму освещают опорной волной Опорная волна рассевается на непрозрачных участках (максимумах) голограммы Опорная волна и волна, рассеянная от голограммы интерферируют и образуют действительное изображение и мнимое изображение 13 Восстановление голографического изображения Опорная волна Мнимое изображение Волна от голограммы Действительное изображение 14 Технические приложения голографии Голографическая «микроскопия» Увеличение достигается путем восстановления (наблюдения) голограмм волнами с длиной волны большей, чем при записи голограмм : M = r/s Например, запись производят, используя рентгеновский лазер, а наблюдают – в видимом свете. При этом увеличение M ~ 106 Таким образом получают увеличенные 3-х мерные изображения микроскопических объектов – молекул ДНК, вирусов 15 Технические приложения голографии Голографическая интерферометрия В методе двойной экспозиции на одну голограмму записывают два последовательных изображения объекта Если изменений объекта не происходило, то фазы совпадают и изображения сливаются Если объект изменялся, то в некоторых местах появляется разность фаз и возникает интерференционная картина Изменение разности фаз определяется изменениями разности хода (деформация) и изменениями показателя преломления (плотность, температура) 16 Стенд голографической интерферометрии 17 Стенд голографической интерферометрии M1 BS-5% Лазер L1 L2 PH M2 Питание лазера ДЕТАЛЬ НАГРУЗКА 18 Исследование механических деформаций методом двойной экспозиции Нагрузка (по нормали к рисунку) X n=4 Полосы интерференции n=3 n=2 n=1 Изображение при двойной экспозиции 19 Расшифровка голографических изображений = 633 x10-6 mm Первая темная полоса соответствует деформации d=/2 Вторая полоса - деформации d= /2 + d Полоса с номером n соответствует деформации d=(n-1/2) по отношению к неподвижному основанию 20 Распределение напряжений в подвергнутой давлению круглой мембране ( крышке резервуара ) 21 Форма колебаний кузова автомобиля Картина интерференционных полос указывает на наличие резонансных колебаний обшивки двери 22 Механические напряжения в дефектной лопатке турбины компрессора 23 Голографическая интерферометрия деформаций колеблющихся деталей Распределение деформаций в звучащей гитаре 24 Голографическая интерферометрия деформаций в медицине и биологии Запись движений лица оперной певицы. Расстояние между соседними интерференционными полосами соответствует смещению на 30 микрон 25 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции 26 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Изменение плотности вдоль линии A-B 27 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Распределение плотности газа между лопатками вращающейся турбины ( 4460 об. в минуту) 28 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Голографическое изображение летящей пули 29 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Тепловые потоки в пламени свечи 30 Шкала скорости проседания ( миллиметры в день ) Космическая радарная интерферометрия скорости проседания нефтяного месторождения Lost Hills ( США ) в октябре 2002 г. 31 КОНЕЦ ЛЕКЦИИ 32