Введение к работе
Актуальность течы
В последние голы в оптике предметом активных исследовании стали когерентные
волны со сложной хчллиту дно-фазовой структурой случайного характера, нменуемые спекл-моду.тироваккыми волнами или спскл-полями. Формируются такне волны при когерентном освешещга случайно неоднородных объектов и пылолняют нсключнтель-до важную роль носителя и преобразователя !шформащпі в современной прикладной оптике, н таких ее разделах как голография н голографичео;ая ннтерферочетрня. оптика спеклоа. включая дзухэкспозигшоннуто спекл-фотографню и корреляционную спекл-гаггерферочгтріео. лазерна!! интерферометрия и доплеровская анемочетрия, волоконно-оптическая интерферометрия и др. Вылелг:ше этих волн в особый класс обусловлено не только их широким распространением в прикладных исследованиях, но и своеобразием их физических, свойств. Наибольший интерес вьпываст явление интерференции с;:ехл-моду лзгрокалных волн, поскольку оно лежит в основе целого ряда полых методов и средст?. оптической обработки информации, формирования изображений, зькскотечных измерений, диагностики и контооля. Спекл-модулягшя золи неизбежным образом сказывается кз параметрах формируемых интерференционных хзр-пш. изоерхтенлй и выходных сигналов оптических систем, определяя физические особенности, функциональные возможности, точность а пределы применимости методов прикладной оптики. Исследования шп'ерферешпш спехл-модулхгрованных волн аройодплнсь з основном ігрігмешітельно к іграктическлм задачам голографнчесхой и. 'Ліекл-интерферочетріш в ра?а:ах характерных особенностей этпх методов и средств нх реализации. Однаїго ряд важных зоїгросов оставались открытыми. В перзузо очередь к цим отноезтеге влияние пространственного смешения объектною поля и ггрострап-. стенной фильтрации зтого поля при формировании голографическнх шггерферо-грамм. законочернестя распределения вгешостк полос в области их докаллзаїзш: формирование полос з лтлхэкспозтщпенной. спекл-фсгографіш, их локализованный характер ч роль Гіростра_чстгетгіой фильтракии з этом методе: влияние і.ттекл-чолулягглн опорного лучка п чіістптлол когерентности восстанпнлпвгчошего пучка з голографн'к-ссэй їпггегфстомсттзні и спскп-фотогтзгоїт, а также спехд-модуляїііпі ocne::;.3iouicro объект -.плт/чепля. Не достаточно тзучгнными были: процесс форшгро-зания !чггерферсиш'^«ных сигналов ч елскл-пнтерферометрах с псполмопашісч іслас-агчеапгх схем ті принципы построения оптических схем таких интерферометров: связь хгонтрзста полос ннтерфереіщігя частично развитых спехд-полен со статистическими параметрами объетста. Вместе с зтим не были проведены обобшлюшне нсследозаиля
явления шггерференшпі спекл-поясц. вапрзазеиныс на разработки, теоретшсо-экспериментальных основ этого явления. Между тем. актуальность таких исследований обусловлена широким распространением этого явлегаїя в разнообразных методах современной прикладной оптики а также физическими оілнчііяміі его прояклеїшя по отношеншо к интерференции часпгчно когерентных волн протяженных тепловых нс-тошшков света. Поэтому исследование интерференции спскл-модулированных войн может рассматриваться в качестве самостоятельного раздела современной физической оптики, а разработка теоретических, и экспериментальных основ этою явления составляет актуальную и фундаментальную научную проблему, решение которой способствует раззнтшо физических основ целого класса новых методов прикладной оптики.
Цель настоещей диссертационной работы заключалась в проведении обстоятельного исследования явления іпггерфереіщии спекл-полей. направленного на развитие теоретических и экспериментальных основ этого явления и разработку базирующихся на нем новых методов ц средств лазерных измерений
В рамках вышеобозиаченноп пели проводились исследования:
- процессов формирования интерференционных, картин в голографической интерфе
рометрии, спекл-фотографіш и класагческон интерферометрии с позшпш шггерферен-
шін идентичных спекл-полей,
-роли пространственной фильтрации в процессах форнітровашія полос в голографической пнтерфсромстріш и спекл-фотографші а ее влияния ва параметры получаемых интерферограмм;
физические аналогий в интерференционных взаимодействиях взаимно когерентных спекл-модудкрованных волн и в интерференции частично когерентных волн протяженных тепловых источников света;
интерференшш частично развитых спекл-полей. несущих информацию о статистических параметрах случайно неоднородных объектов;
ocobcmiocTcft формирования интерференционных картин в голографической шггер-ферометрші и спскл-фотографші с протяженными когерентными или частично когерентными опорным, восстанавливающим ііліі освещающим объект источниками света:
шггсрфсрсншш спскл-модулировашалх волн в поле дифракции пространственно-модушгрованного лазерного пучка на случайном фазовом экране;
процессов форміфования сигналов спекл-тггерферометров малых перемещений и статистических свойств этих сигналов.
В последние годы работа выполнялась в рамках. ШІР по Российским межвузовским программам: "Университеты Россші" ("Фундаментальные исследования по физн-
5 О
кО: "Фундаментальные проблемы современной физической оптики и се применений",
"Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях", "Фундаментальные исследо-
о ваїшя в области приборостроения", а также по научным программам фундаментальных исследований РАН "Повышашс надежности систем", "Маишна-человек-среда'*, "Машиностроение и технология"
ЦЗнa*JШвотяaJйpоты
-
Впервые снстематнчсасн изложена теория интерференции спскл-полей, формирования сигнала спехл-инторферометра переметений с гауссовым и спехл-мояулзгро-ванным опорными ил чкамн и установлена зависимость контраста полос' интерферен-цпи частично развитых спскл-полей от статнепгческях ггараметроа случайного фазово-го объекта. Впервые сделаны оценки статистических параметров выходного сипіала спехл-гаггерферометра перемещегаш с учетом поперечных размеров спеклов и теоретически обоснована целесообразность фокусировки лазерного пучка на поверхность объекта при многослекловом режиме регистрации; предложены новые схемы спекл-штгерферометров конфокального и дифференциального типов.
-
Обнаружены эффекты осцплляшпі видности, обращения контраста и ветвления полос средней интенсивности, эффект амгештудно-фазовон модуляции сигнала спекл-интерферометра я способ пространственной фпльграшт для его устранения.
-
Для двухзкенозіщлочнон спехл-фотографин впервые устанезлены закономерности формирования пространственно локализованных интерференционных полос средней гаггенсізноспі ц определены аналопш в процессах формирования полос По отношению к методу голографігчеогоП интерферометрии; показано равенство чувсгЕПтель-ностей этих методов при соответствуюілем виборе плоскости регистрашпі объектного поля. Предло;кен позьш метод спекд-фотографіга с объемней регистрацией объектной спсет-сгруктуры.
-
На осно.че пространстзеиной филътэагаш объектного поля в гологряфпчепгой :пггерфігрометрии предложен поеый четод вьічиташія юображеїшй и установлгі'.а яо-чая возможность разделешія вкладов рах"згхпых тішоа возмукешія объектного ноля в іштерферогралму при соответствзтешеч чыборе области фіїльтрацнн.
-
Обнаружен эффект декерредятгя восстановленного спекл-поля в годограсМпі с пространствеяно-медулігровавной оперной волной; впервые установлена зависимость видности янтерферапгнонных полос з голографии сфокусированных изображении а сиекл-фотографші от степени когерентности восстанавливающего излучения; предло-жен новый способ измерения предельно малых радиусов пространственной когерентности с использованием двухэкспозианонкых слехлограмы и голограмм сдвига.
6. Обнаружены эффекты корреляции и впервые установлены закономерности іш-терференівш спекл-полсй формігрукжшхся в поле дифракции пространственно-модулированного лазерного пучка на случайном фазовом объекте: разработаны физические основы нового метода диагностики рассеивающих объекюв с использованием лазерного пучка с пространственно-временной модуляцией
Практическая значимость работы Результаты проведенных исследований составляют, физически: основы широкого
класса оптических методов и средств измерения л обработки информации, базирующихся на явлении іштерфереішші спекл-модулігровашшх волн
Результаты нсслсдованш'і интерфереіщші деіаеїтічщ.г спекл-иолей. процессов формирования сигнала спекл-ингерферомстров с гауссовым и сіїскд-медулироваїшьік опорными пучками, результаты оценки статистических свойств сигнала составляют основы для разработки практических схем сиекл-шперферометров Пфемешеїшй. Е работе такие схемы исио.тьзованы для измерения вибрации объектов и температурные смещешп": электродов электронных пушек ЭВП: разработаны способ и установка ні-мерения толщины прозрачных нокрытш'1. нанесенных на шероховатую поверхность разработан способ измерения статистических параметров движущихся оптически неоднородных объектов по контрасту полос шегерфереишш неидентичных' снекл-полен.
Результаты исследований интерференции типичных спекл-полен. эффекты локализации и осцилляции вцдности полос расширяют представления о практических возможностях годоірафнческон шггерферометріш н позволяют извлекать дополкителг--hyio измерительную информацию, а для классических схем шггерферочетров определяют условия построения интерферометров со спекл-модл .тированным освещающие нзлучешіехі.
Развитая в работе теория формирования интерффсншюнцы-ч полос в спекл-фоіоірафші и установленные аналоппі с процессами фюрмігрования полос в гологра-фнческон интерферометрии позволяют проводить корректное сравнение метрологпч;-скіїх возможностей этих методов. В работе установлена одинаковая чувствительность методов прн соотвеїствуюшем выборе плоскости регистрашш объектного ПОЛЯ II предложен способ измерения продольных смещений объекта с голофафігческой чув-ствнгельносгью путем объемной записи объектной спсклчлруктуры.
Разработанные принципы пространственной фильтрации в голографической нн-тфффометріиі позволяют разделять измерительную информацию о различных видах возмущения объектного поля, что может быть использовано прн анализе сложных смещений объекта. Этот способ использован в работе при шггфпрсташш голографи-
чеааїх ннтерферограмм температурных деформаций отектродов ЭВП и при разработке способа измерения температурного коэффициента расширения тел; метод вычитания голографнческих изображений использован для выявления изменений микрорельефа шероховатой поверхности.
Результаты исследований дифракции просгранственно-модулігрованного лазерного пучка на случайном фазовом экране и интерференции частично развитых спекл-полей '-оставляют физические основы для разработка нового класса лазерных систем контроля статистических параметров рассеїгваюгшіх объектов, использующих зондирующий лазерный илчок с пространстйешіо-зременной модуляцией, и закладывают, основы нового направленім а лазерных измерениях - лазерной интерферометрии случайно неоднородных объектов.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Систематическое ихюжекие теоршг интерференции разшггых и частично развитых (неидентичных и идентичных) сгіекл-мрдулігрозанньїх воли с учетом корреляционных свойств спекл-полей; детерминированных пространственных фазовых распределений и разрешающей способности фотопрнемниха. .
-
Результаты экспериментов по (ШТерференшш спгкя-подш п их интерпретацяя, впервые демонстрирующих: эффекты осшхлляпиіі аидностя и ветвления полос средней интенсивности: зависим ость ппдностя полос ннтерферограмм от статистических параметров случайного фазового обьяепк эффект вьякггания изображейшї при пространственной фіільтрании: эффект дскорреляции восстановленяОта поля в голографии с пространственно-моду'.тііроваяной опорной водной; влияние тгространсгвенвой п временной когерентности восстанавливающего излучения на.видность и протяженность области локалшашгя полос в голечтзафической интерферометрии и спекл-фотографгш: влнчкне ігространстзеїіной фнльтрашт на форму и параметры топографических ин-терферограмч; амплитудно-фазовую модуляцию сигнала спекя-иптерферомстра и возможность ее исключекч*' способом пространственней фильтрации; равенство чувстви-тельностей методов голографнческой іпгтерфгрометрия и спекл-фотографии.
-
Тебрепгческие и экспериментальные Х'езуїДіТатьі псследивакнй пропессоз про-странегвегаїон фпльтрацпи з голографнческой интерферометрии и спекл-фотографни. Пространственная фпльтраши суперпозгегаонного объектного поля в голографи-' ческой интерферометрия и спекл-фотографии преобразует корредяциошгые параметры интерферирующих полей н, как следствие* в совокупности со взаимным едзигом спекл-полей определяет область локализации іштерференшіогпіьгх полос средней нн-теясявности, характер распределения их яидвостя а области локализации, а также ока-
зывает влияние на параметры наблюдаемых полос. Статистическая совокупность импульсных откликов оптической системы состаБ.'іяет іоккую амплитудно-фазовую структуру спскл-палк, которая проявляется в эффектах осцилляции и обращения контраста полос средней интенсивности при интерференшш взаимно смешенных спекл-полей и служит наглядным образом для объяснения этих іффеїдов При ігровсденіш пространственной фильтрации в области локализации шпфффешшонных полос, обусловленных влиянием возмущения объектного ноля ilth совокупности ВОЗМуЩеїШЙ, на выходе системы пространстьснноі; фильтрации формируется иигерферограмма свободная от вклада этих возмущений.
-
Теория формирования полос средней интенсивности в дн\хзкспозішиошіон спекл-фотофафии, согласно которой полосы формируются в результате шггерферен-шш взаимно смещенных идентичных спекл-полси н имеют локализованный характф. Одинаковая чувствительность методов спгкл-фоюграфип и юлоірафпческоіі интерферометрии обеспечивается соответствующим выбором области регистрации и про-странствгщюй фильтрации объектного поля,
-
Закономерности влиянии параметров излучения протяженные опорного, вос-станааливаюшего и освещающего объект источников света на параметры шггерфгро-грамм, получаемых методами голографическог. интерферометрии и спекл-фотографип. Ъ голографии с іфостршісттіенно-модуліфованноі: опорной волной имеет место эффект декорре.тяши! восстановленного поля, вызывающий падение контраста полос в голографическоіі иитерферомстрип реального времени и двух экспошшіїі. Просіран-ствешіая и временная когфентностъ восстанавливающего пучка света проявляется в протяженности области локализации полог в голографнчгсісон шперфчюметрии сфокусированного изображения и спекл-фотографип сдвига, ігри условии, когда наолю-дасмая оптическая система не Ііафещает область пространственной когерентности восстанавливающего поля. В противном случае область локализации полос определяется размфами и формой апертуры наблюдательной системы.
-
Решение задачи дифракции пространственно-модулированною лазерного пучка на случайном фазовом -экране. При освещении случайного фазового экрана лазер-ным пучком с пространственной модуляцией в виде регулярных ннтфффенцнанных полос изменение контраста полос федией интенсивности, формируют ?\ся в рассеянном излучении, обусловлено нарастающим в продольном наиравлсишг взаимным сдвш ом и сопутствующей декорреляцией интерффнрующнх идентичных спекл-полеп: xapainqi изменение контраста полое определяется статистическими параметрами эк-
рана, периодом полос модуляции, влиянием расходимости ч размером апертуры освещающего лучка.
Личиый_вк.1ад автооа
Ряд задач настоящей диссертационной рабогы выпо.'шен при научном консультировании или непосредственном гворчеасоч участии профессора И.С Клименко. Инициатором постановки задачи установления аналогий в интерференции спекл-полеи и интерференции частично когерентного света был профессор Г.В.Скронкий. Задачи исследования температурных деформаций поставлены к.т.н. З.Б.Рабкииым. Исследования бномедшпшекнх диагностических возможностей спекл-ннтерферо-метров выполнены rrpif паутом консультировании профессора В.В.Тучина.
Ишщиатором постановки и основным нспо.пштелем большинства исследовании, выполненных з рачк.т; диссертации, является автор рабогы. ряд экспериментальных и теоретических работ выполнен автором при творческом участи Б.В.Федулеева, С.Н.Малова. Б.В.Горбатенко. Т.В.Кривко, П.Р.СатаеЕа, С.С.Ульянова, Ю.А.Лветися-на, Д.Л.Знмнякова, с помощью аспирантов и сотрудников Л.Е.Грнневича, В.Л.7"ому-гоза, Л.Л.Чаусского, П.Ф.Териггьевой, работающих под его научным руководством.
Автор выражает благодарность и признательность всем упомянутым выше липам.
Аптмншция раоогы
Результаты работы представлялись на:
Всесоюзных школах по голографии и когерентной оптике: XII (Пассанаури. 19801; XIII (Сочи. 1981); X2V (Долгопрудный. 1982); XV (Минск. 1983); XVI (Куйбышев, 1935); ХГХ (Гродно. 19881: XX (Черновцы. І989»: XXI (Тольятти 1990): XXII (Переславль-Іалеспсий. 1991); XXIII (Долгоігрудньш. 1994).
Всесоюзных конференциях по голография: (V (Ереван. 1982): VCPura, 1985).
» Научно-техническом семинаре проф.Ю.И.Островского по голографичгсяон ннтер-ферометрии при ЛДНТП (Ленинград, г984),
Hav4Hi>-Texmi4ecKOM .емішаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики." (Волгоград, 1489).
Всесоюзной и.-т. конф. "Оптические, радиойоП'свые и тепловые методы ;; средства,-неразру.азюцего контроля качества промышленной ігродутшіш." (Саратов. 1991).
» Семннаре-г.ыставке "Лазеры и современное ігоиборостроешге" (С-Петербург, 1991).
На международных конференциях SPIE:
"Laser Micrciechnoiogy and Diagnosncs of Surfaces" (Украина. Черновцы. І991).
"Taser imerteromerry [V: Computcr-iSided Intevferoraciry" (USA. San-Diego, 1992).
- "Biomedical Optics'92" "Holography, Interferometry and Optical Pattern Recognition in
Biomedirir.c II"(USA. Los-Angeles. 1992)
- "Holography^Correlation Optics" (Черновцы. 1993. 1995).
- "Optical Tools for Manufacturing and Advanced Automation", "Inriusiria! Ornuv.! >>enstr.:
and Metrology: Applications and Integration" (USA. Boston. 1993).
- "Interferometry Techniques and Analysis" (USA. San-Diego. 1993. 1995).
Межд. конф. "Education in Optics".. (С-ПстерЬург. 1991, USA. San-Diego. 1995).
15-й Мсжд. конф. no когер. її неліш. огггшсе (С-Петсрбург. 19951
Научных семинарах Саратовского Политехнического института. Сгратонского Госушіверснтета и Саратовского филиала Института Маїшшовслешіа РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ. Список основных публикаций приведен к конце автореферата.
Структуца и объем диссертации. Диссертаций состоігт из Введения. 7 глав и Заключе- ння. Работа включает 247 стр. текста. 1!9 рисунков н 419 наименований цитируемых источников, нз которых SO - публикации автера диссертации.
