Голографический способ исследования фазовых объектов
ГОЛОГРАСЙЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ, заключающийся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы , записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешения и спектрального диапазона при исследовании протяженных объектов, восстановленный голограммой пучок первого или одного из высших порядков направi ляют на ту же голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза. ел
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР (21) 3385149/18-25 (22) 25.01.82 (46) 30.08.85. Бюл. У 32 (72) И.И.Комиссарова, Г.В.Островская, В.Н.Филиппов и Е.Н.Шедова (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (53) 772.99(088.8) (56) 1. Neigf. F., Friedrich О.M., DougaE, А.А. МиИдр1еразз nondiffuse
ЬоEographic interfегоmetry ЕЕЕЕ
J. Quent EEectr. QE-6.41, 1970.
2. Белозеров А.Ф. и др. Об использовании многоходового голографического интерферометра для визуализации газовых потоков низкой плотности.
Письма в ЖТФ У 4, 522, 1978.
3. Островский Ю.И., Бутусов M.М., Островская Г.В. Голографическая ин-. терферометрия. М., "Наука", 1977, с. 155 (прототип).
„„SU„„1028152 А (sl)4 G 01 В 9/021 G 03 Н 1 22 (54)(57) ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ, заключающийся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешения и спектрального диапазона при исследовании протяженных объектов, восстановленный голограммой пучок первого или одного из высших порядков направляют на ту же голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза.
1028152
Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано при исследовании слабых оптических неоднородностей в газовых течениях, жидкостях, для диагностики плазмы и для контроля качества оптических деталей.
Известны способы интерференционно-голографического исследования фа10 зовьгх объектов 1, 2), в которых с
1 целью увеличения чувствительности предметный пучок на стадии регистрации голограммы N раз проходит через исследуемый объект, приобретая фазо15 вый сдвиг 1 < (х, у ) .
В способе 11) предметные пучки„ прошедшие через объект 1, 3, 5 и т.д. раз, накладываются друг на друга и, хотя в силу ограниченной длииы когерентности с опорным пучком интерферирует только один из предметных пучков, остальные пучки создают сильную некогерентную засветку, увеличивая шумы и снижая дифракционную
25 эффективность и тем самым ухудшая качество восстановленных интерферограмм.
Этого недостатка лишен спо- L2, 1 в котором объект помещают между двумя зеркалами, наклоненными друг З11 относительно друга на угол o! . При этом предметные пучки, прошедшие через объект 1, 3, 5 г т.д. раз, составляют друг с другом угол 2 К,и один из пучков может быть отделен от 35 остальных с помощью диафрагмы, помещенной в фокусе линзы. При этом, однако, происходит ухудшение пространственного разрешения за счет смещения пучка при последовательных 4О прохождениях через объект. Для пучка, прошедшего через объект Ч раз, это смещение равно где 3 — расстояние между зеркалами.
Ухудшение пространственного разрешения особенно велико при исследо- 5Ñ ванин протяженных объектов с большими продольными размерами, определяющими величину
При исследовании способами (1, 2J протяженных объектов, параметры ко- 55 торых быстро изменяются во времени, имеет место ухудшение временного разрешения, так как в этом случае разным проходам зондирующего пучка, через объект соответствуют разные значения фазового сдвига.
К числу других недостатков, общих для способов (1, 2), относится также то, что они не могут быть эффективно использованы для увеличения чувствительности в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спек тра, где имеются существенные трудности с высококачественными зеркалами, имеющими малые потери и достаточно высокие коэффициенты отражения.
Потери света при многократном прохождении зеркал приводят к снижению светосилы и необходимости увеличения мощности используемых лазеров, особенно в ИК-области, где светочувствительность регистрирующих сред низкая.
Кроме того, с помощью этих способов практически невозможно получить голограмму сфокусированного изображения, поскольку сечения объекта при первом, втором, третьем и т.д. проходе отстоят на расстоянии 1 друг от друга и не могут быть одновременно сфокусированы на голограмму. В то же время, как известно, в ряде случаев (например, при использовании высших порядков дифракции для увеличения чувствительности голографической интерферометрии) только голограмма сфокусированного изображения обеспечивает получение неискаженной интерференционной картины.
Всех этих недостатков лишен голо-! графический способ исследования фазовых объектов (3), являющийся прототипом, заключающийся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы„ записи ее, восстановлении предметной волны по голограмме.
При однократном прохождении пучка через объект предметный пучок приобретает при этом фазовый сдвиг Cp(Х, ), характеризующий распределение показателя преломления или рельеф поверхности исследуемого объекта, и регистрируется на голограмме с помощью когерентного ему опорного пучка.
Затем голограмму освещают восстанавливающим пучком. При этом восстанавливается копия предметного пучка.
Этот восстановленный пучок, интерферируя с пучком сравнения, образует интерферограмму, сдвиги полос на ко1028152 торой равны k = (, ) 2 ° Чув ствительность этого метода, характеризуемая минимальным измеримым фазовым сдвигом (ц„„ (y,)), равна
@мин 91 " y где h k — точность измерения сдвига полос, и при Qk =0,1 (f м,,н =0,2 н
Такая чувствительность недостаточна 10 для исследования слабых фазовых неоднородностей, для которых((x,)) cs 2Я .
Целью изобретения является увеличение чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешения, спектрального диапазона при исследовании протяженных объектов.
Для достижения поставленной цели в голографическом способе исследования фазовых объектов, заключающемся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, причем вос- 2S становленный голограммой пучок первого или одного из высших порядков направляют на ту же.голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза. 30
Увеличение чувствительности в описываемом способе осуществляется на стадии восстановления за счет испальзования одного из восстановленных голограммой пучков в качестве восста35 навливающего.
Голограмма исследуемого объекта регистрируется обычным способом с помощью предметного и опорного пучков, направляемых на голограмму пад углом (друг к другу. Затем голограмму .освещают восстанавливающим световым пучком. При этом восстанавливаются световые пучки "+" и "-" — первого порядка, а при нелинейной регистрации голограммы также пучки высших порядков. Один из этих пучков, например пучок +1-го порядка, характеризу,емый фазовым множителем с; { х, }, Ы, i При этом в +1-ом порядке восстанавливается световой пучок с фазовым множителем " -1 . Этот пучок также, в свою очередь, может быть использован в качестве восстанавливающего. При этом в +1-ом порядке восстановится пучок с фазовым множитег 3l q (,1) Таким образом, повторяя эту проце дуру N раз, можно в Ч раз увеличить фазовый сдвиг восстановленного пучка и соответственно чувствительность из. мерений. Поскольку в данном способе многократно просвечивается не протяженный фазовый объект, а тонкая голограмма, практически полностью исключается ухудшение пространственного разрешения за счет смещения предметного пуч" ° ка (см.формулу (1)). Полностью ис-.. ключается также ухудшение временного разрешения, поскольку в данном способе многократно просвечивается стационарная голограмма, а не изменяющийся во времени объект. . Поскольку на стадии восстановления можно использовать излучение видимого диапазона, независимо от длины волны излучения, в свете которого была зарегистрирована голограмма, то предлагаемый способ может быть использован для увеличения чувствит тельности голографической интерферометрии в любом диапазоне длин волн. Если голограмма была получена по . схеме сфокусированных изображений, то изображения, соответствующие разным проходам пучка через голограмму, расположены на малых расстояниях друг относительно друга и с дос- таточной точностью могут быть одно-. временно сфокусированы в плоскость интерферограммы, что позволяет в значительной степени избежать искажений, связанных с расфокусировкой изображения объекта. Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема устройства, реализующего описываемый способ. На чертеже обозначены: голограмма 1, полупрозрачные зеркала 2, 3, диафрагма 4, -линза 5, полупрозрачное зеркало 6, фотослой 7. Голограмму 1 помещают между двумя полупрозрачными зеркалами 2, 3, угол между которыми 8 приблизительно равен углу у под которым дифрагирует восстановлен h ный пучок +1-го порядка (— (, 1 где %, и — длины волн излучения, использованного при съемке голограммы и на стадии восстановления. Голограмму освещают восстанавливающим пучком, перпендикулярным зеркалу 2. При этом восстановленный пучок +1-го порядка, отражаясь от зеркала 3, про+ свечивает голограмму и восстанавлива 1028152 30 ют пучок с удвоенным фазовым рельефом. Этот пучок, отражаясь от зеркала 2, снова проходит через голограм1 му и восстанавливает пучок с утроенным фазовым рельефом и т.д. Если ! угол 9 равен (1, то восстановленные пучки, соответствующие 1-, 3-, 5- и т.д. кратному прохождению через голограмму, идут по одному и тому же пути.10 Если же угол g = g + с, где М вЂ” угол. определяющийся расхождением пучков в фокусе линзы, то соответствующие пучки наклонены друг относительно друга на. угол 20с и пучок, соответствующий данному числу проходов К, выделяется с помощью диафрагмы 4, помещенной в фокусе линзы 5. Плоская волна сравнения может быть введена в схему с помощью полупрозрачного зеркала 6 или 20 сформирована в этой же схеме, если голограмма получена методом двух экспозиций. Интерферограмма образуется в плоскости фотослоя 7. о Поскольку среднее расстояние между зеркалами в данном случае определяется не размерами объекта, а только размерами самих зеркал а и углом между ними (O - O y ), то размытие интерференционной картины эа счет смещения последовательных пучков, определяемое формулой (1), в 3 ) 8 раз меньше, чем в случае непосредственного помещения объекта между зеркалами, что позволяет с по- 35 мощью данного способа исследовать объекты сколь угодйо больших размеров без потери пространственного разрешения. В данном конкретном случае размеры плазменной установки таковы, 40 что при использовании метода (2) зеркала должны были бы быть установлены на расстоянии 8 =2м друг относительно друга, что в соответствии с формулой (1) ведет к недопустимому . 45 ухудшению пространственного разрешения. Использование же предлагаемого способа при размерах голограммы а = ! . 2см и угле 1 . между зеркалами около 5 позволяет расположить их на рас- s0 стоянии 61 1-2 мм, что ведет к улучшению пространственного разрешения по сравнению со способом (2j на 3 порядка. Кроме того, применение способов |1, 2J. в ИК-диапазоне, например для излучения СО, †лазе, требует использования дорогостоящих германиевых зеркал больших размеров. К тому же падение интенсивности ИК-излучения при многократном прохождении через эти зеркала потребовало бы увеличения мощности лазера более чем на порядок, что связано с большими техническими трудностями и резким возрастанием его стоимости. При применении же предлагаемого способа на стадии восстановления используется непрерывный газовый лазер видимого диапазона, а падение интенсивности ,пучков при их последовательном восстановлении, обусловленное в данном способе не только потерями при отражении и прохождении зеркал, как в способах (1, 2), но и дифракционной эффективностью голограммы (которая входит в выражение для интенсивности восстановленных пучков в качестве множителя ) ), может быть легко 9 скомпенсировано увеличением времени экспозиции. При достаточно высокой дифракционной эффективности голограммы, которая для случая фазовых голограмм может достигать 90Х можно осуществить, по крайней мере, 5-кратное прохождение излучения через голограмму и таким образом увеличить чувствительность в 5 раз. С другой стороны, можно для повторного восстановления голограммы использовать востановленные пучки высших порядков. При этом уже при однократном использовании восстановленного пучка 5-ro порядка в качестве восстанавливающего можно получить увеличение чувствительности в !О раз. Описываемый способ можно применить для увеличения чувствительности интерференционно-голографической диагностики плазмы в инфракрасном диапазоне при исследованиях на больших плазменных установках типа токамак.
