Введение к работе
Актуальность темы
Явление интерференции волновых полей известно достаточно давно, но стало фундаментом для многих направлений современной оптики, іких как интерферометрия, голография, оптика спеклов и др. При этом южность описания образующейся интерференционной картины бусловлена во многом характером неоднородности объекта заимодействия.
В общем случае под неоднородными объектами понимается широкий ласе структур из различных материалов. Это могут быть объекты со тучайно неоднородной поверхностью, многослойные и многофазные бъекты, объекты, неоднородные по составу и объекты с акровключениями. В настоящее время наибольшее число исследований освящено объектам с одним типом неоднородности, таким как объекты с еоднородной формой поверхности в пространстве координат, объекты с зменяющейся во времени формой поверхности, объекты неоднородные по оставу в пространстве координат и объекты с изменяющимся во времени оставом. Для объектов, характеризующихся наличием одновременно двух ипов неоднородности, исследования интерференции света проводились ля сравнительно узкого круга задач. Для объектов с тремя и более типами еоднородностей вопросы интерференции волновых полей практически ассмотрены не были. Одновременное существование различных типов ;еоднородностей объекта может значительно усложнить характер ятерференционной картины. При этом оказывается невозможным судить
характере неоднородности объекта по интерференционной картине с [спользованием традиционных представлений.
Анализ исследований, посвященных формированию
нтерференционной картины неоднородных объектов, позволяет сделать ывод о том, что до настоящего времени целенаправленного комплекса еоретических и экспериментальных исследований закономерностей, фоявляющихся при взаимодействии оптических волновых полей с ібьектами, сочетающими несколько типов неоднородностей, проведено не
'ЫЛО.
Цель настоящей диссертационной работы заключалась в проведении :омплекса исследований явления интерференции оптических волновых солей при их взаимодействии с неоднородными материалами и труктурами, направленного на развитие теоретических и кспериментальных основ этого явления, разработку и создание новых штических методов измерения и устройств для их реализации.
В задачи исследования входило следующее:
1. Теоретическое и экспериментальное исследования формирования
изображения колеблющихся объектов с учетом степени пространственной
когерентности освещающего излучения и микроструктуры поверхности
объекта.
2. Анализ формирования пространственной интерференционной
картины колебаний объектов при когерентном освещающем излучении.
Анализ формирования волновых полей в топографической
интерферометрии сложных периодических движений. Вьивление новых
способов повышения контраста и яркости интерференционной картины.
3. Анализ влияния параметров неоднородных объектов на характер
образования интерференционной картины.
-
Анализ формирования спектра интерференционного сигнала в лазерной гомодинной системе с вибрирующим отражателем.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование формирования картины волнового поля при отражении излучения полупроводникового лазера от колеблющегося объекта в отсутствие развязки.
-
Исследование влияния сочетания нескольких типов неоднородности на формирование дифракционной картины при рассеянии света на агломератах магнитной жидкости.
-
Разработка, создание и внедрение на основе решения предьщущих задач новых способов и устройств для контроля и измерения вибрационных характеристик и параметров неоднородных материалов и структур, в том числе при отражении лазерного излучения от биологических объектов.
Научная новизна
1. Впервые проведен комплексный анализ формирования картин
интерференции оптического излучения, отраженного от объектов,
сочетающих несколько типов неоднородностей. Проведен анализ
формирования распределения интенсивности в изображении
колеблющегося объекта с учетом степени пространственной когерентности
освещающего излучения, параметров оптической системы и
микроструктуры поверхности. Показана возможность определения
частоты и амплитуды колебаний по величине размытия изображения
объекта. Установлено, что для повышения чувствительности и точности
измерений амплитуд колебаний предложенным способом необходимо
уменьшать степень пространственной когерентности освещающего
излучения, в то время как для сохранения линейной зависимости радиуса
размытия от амплитуды вибраций необходимо ее повышать.
2. Проведен анализ формирования пространственной
интерференционной картины объектов с изменяющейся во времени и
неоднородной в пространстве координат формой поверхности, основанный
на топографической регистрации распределения интенсивности света.
[оказана возможность решения обратной задачи в топографической нтерферометрии негармонических вибраций путем регистрации набора элограмм, созданных при последовательном возрастании частоты одуляции опорного пучка с использованием построения Фурье-функции мплитуды светового поля для каждой измеряемой точки поверхности бъекта или при фазовой модуляции опорной волны, и вычислении первой второй производных от амплитуды поля по фазе опорной волны на астоте, соответствующей гармонике частоты колебаний объекта, ыявлена новая возможность повышения контраста интерференционной артины в телевизионной схеме регистрации колебаний. Предложен способ овышения яркости интерференционной картины за счет фокусировки гркальной составляющей записываемой и восстанавливаемой волн в олографическом методе усреднения во времени.
3. Проведен анализ влияния неоднородностей в виде включений на
нтерференционную картину колебаний тонких пластин. Выявлен
арактер изменения собственной частоты и интерференционной картины
олебаний при изменении местоположения неоднородности. Установлена
озможность наблюдения в местах отсутствия неоднородности изгибов
нтерференционных полос, характерных для мест нахождения
еоднородности в одномодовом режиме колебаний. Выявлены
акономерности, связанные с вкладом нескольких типов колебаний в
юрмирование интерференционной картины для различных положений
еоднородности. Исследовано влияние параметров материала и
асположения пучностей колебаний объекта в целом на границах
еоднородности на интерференционные картины самих неоднородных
частков.
4. Проведен анализ формирования спектра интерференционного
игнала в гомодинной лазерной системе при виброударном нагружении
ходящего в его состав отражателя. Обнаружены закономерности
[введения спектра интерференционного сигнала от амплитуды и степени
іегармоничности колебаний объекта. Показано, что при изменении
тационарного набега фазы между интерферирующими лучами в лазерной
омодинной системе частота гармоники с максимальной амплитудой в
пектре интерференционного сигнала негармонических вибраций
ітражателя изменяется на величину большую удвоенного значения частоты
:олебаний объекта. Впервые показана возможность восстановления формы
гегармонических колебаний объекта в гомодинной интерференционной
истеме.
5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования
характера отклонения картины волнового поля при отражении излучения
полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью от
колеблющегося объекта от картины волнового поля системы без обратной
связи. Показана возможность восстановления параметров вибраций
отражателя из сигнала автодинной системы. Исследована структура
фазового портрета движения внешнего отражателя автодинной системы в
зависимости от величины тока накачки полупроводникового лазера.
-
Исследована интерференция волновых полей, взаимодействующих с магнитной жидкостью, сочетающей такие типы неоднородности, как изменяющаяся во времени и неоднородная в пространстве координат форма поверхности и изменяющийся во времени и неоднородный в пространстве координат состав. Обнаружен и описан эффект возникновения дифракционных максимумов при рассеянии света на прозрачном слое магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле ориентированное вдоль границ плоского слоя. Исследован характер дифракционной картины в зависимости от ориентации плоскости поляризации излучения лазера и направления приложенного магнитного поля. Обнаружено влияние поляризации падающего излучения на величину рассеяния света слоем магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Впервые исследовано отличие в формировании дифракционной картины при воздействии механических колебаний на слой магнитной жидкости для случаев ориентации направления магнитного поля параллельно и перпендикулярно плоскости слоя.
-
Для объектов с неоднородной формой поверхности и неоднородных по составу в пространстве координат выявлены особенности формирования интерференционной картины, связанные с конечностью глубины проникновения волны в неоднородный объект. Проведен анализ влияния параметров неоднородных структур на картину интерференціш оптического излучения. Обнаружен немонотонной характер зависимости смещения интерференционных полос с ростом толщины металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку. Показано, что для определенной толщины металлических пленок может отсутствовать искривление интерференционных полос на границе тонкой пленки.
8. Показана возможность использования автодинных
интерференционных систем для диагностики биологических объектов. В
частности, проведены исследования тремора и саккадических движений
глаза человека. Показана перспективность применения метода,
основанного на использовании эффекта автодинного детектирования в
полупроводниковом лазере, для анализа динамического состояния
биообъектов, как средства экологического мониторинга.
Практическая значимость работы
На основе проведенных теоретических и экспериментальных сследований предложены новые способы получения топографического зображення объекта улучшенного качества [35], измерения амплитуд ірмонических [36] и негармонических вибраций [39,50], распределения мплитуд колебаний по поверхности объекта [40], определения толщины онких металлических пленок на готовых изделиях [37] и в процессе апыления [47], определения толщины прозрачных и полупрозрачных слоев I], измерения рельефа поверхности [43], радиуса кривизны сферических оверхностей [45] и глубины дефектов на поверхности объекта [44], пределение геометрических размеров микропроволки [48] и размера ерромагнитных частиц магнитной жидкости [38], измерение мощности азерного излучения [49], защищенные авторскими свидетельствами и атентами РФ. Созданы устройства на основе вышеперечисленных юсобов, а также устройства наблюдения трехмерного изображения [42] и зделие с уменьшенным уровнем амплитуды паразитной модуляции [46].
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Яркость и контраст восстановленного голографического зображення с системой интерференционных полос повышаются при свещении голограммы сопряженной опорной волной и фокусировке еркальной составляющей записывающей и восстанавливаемой волн.
Направление смещения интерференционных полос на границе :еталлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку, зависит т соотношения толщины пленки и глубины проникновения в нее волны.
Изгибы интерференционных полос на изображении объекта, арактерные для мест нахождения неоднородности, представляющей собой ключение из другого материала, в одномодовом режиме колебаний, могут аблюдаться в местах отсутствия неоднородности при возбуждении ысших типов механических колебаний объекта.
Интерференционные картины самих неоднородных участков в этом лучае зависят как от параметров материала, входящего в их состав, так и т расположения пучностей колебаний объекта в целом на границах «однородности.
-
Задача восстановления формы негармонических колебаний в голографии с усреднением во времени (обратная задача) может быть решена путем регистрации набора голограмм, созданных при последовательном возрастании частоты модуляции опорного пучка с использованием построения Фурье-функции амплитуды светового поля для каждой измеряемой точки поверхности объекта или при фазовой модуляции опорной волны, и вычислении первой и второй производных от амплитуды поля по фазе опорной волны на частоте, соответствующей гармонике частоты колебаний объекта. Форма негармонических колебаний объекта может быть восстановлена по величине интерференционного сигнала, его производной по времени и Фурье-спектру при изменении стационарного набега фаз.
-
Характер отклонения картины волнового поля при отражении излучения полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью от колеблющегося объекта от картины волнового поля системы без обратной связи зависит от уровня обратной связи, амплитуды вибраций объекта, значений стационарного набега фаз и при определенном наборе отмеченных параметров может совпадать с последней даже при не малом уровне обратной связи.
-
Интерференции волновых полей, взаимодействующих с магнитной жидкостью, характерно сочетание таких типов неоднородности, как изменяющаяся во времени и неоднородная в пространстве координат форма поверхности и изменяющийся во времени и неоднородный в пространстве координат состав. При рассеянии света на прозрачном слое магнитной жидкости в магнитном поле возникает картина чередующихся максимумов и минимумов, характерная для дифракции на квазипериодической решетке агломератов из феррочастиц. В зависимости от ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей при рассеянии света в слое магнитной жидкости наблюдается изменение интенсивности анизотропного рассеяния света, а возбуждение в магнитной жидкости механических колебаний приводит к появлению порогового характера рассеяния света, вызванного разрушением агломератов ферромагнитных частиц.
На защиту выносится также группа новых способов измерений и устройств, созданных на основе выявленных физических закономерностей.
Личный вклад автора
Постановка задач, выбор методов их решения, разработка алгоритмов г программ расчета, обоснование методик эксперимента, получение жспериментальных данных, анализ полученных теоретических и ікспериментальньїх результатов большинства работ принадлежит лично івтору диссертации. Ряд экспериментальных и теоретических исследований іьіполпєн автором при творческом участии Куренковой О.Н., с помощью :отрудников и аспирантов Ермолаева С.А., Вагарина А.Ю., Калинкина VI.Ю., Гангнуса СВ., Котельного А.А., работающих под его научным )уководством. Диссертационная работа выполнена при научном сонсультировании профессора Д.А.Усанова.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой
акустики", Саратов, 1983
» Всесоюзном научном семинаре "Методы синтеза и применение
многослойных интерференционных систем", Москва, 1984 » X Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие
физические методы и средства контроля", Львов, 1984 » Научно-технических совещаниях "Состояние и тенденции развития
метрики полупроводниковых и диэлектрических структур", Саратов,
II, III и VI Всесоюзных научно-технических семинарах "Применение
лазеров в науке и технике", Тольятти, 1989, Иркутск, 1990, 1994
» Нижне-Волжских региональных научных семинарах "Диагностические
применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве",
Волгоград, 1988, 1989 » XX, XXI, XXIII, XXV Международных, Всесоюзных и Российских
школах по когерентной оптике и голографии, Черновцы, 1989,
Тольятти, 1990, Москва, 1994, Ярославль, 1997 » Всесоюзном семинаре "Волновые и вибрационные процессы в
машиностроении", Горький, 1989 » Всесоюзных семинарах "Метрология в прецизионном машиностроении",
Саратов, 1990 » Международном симпозиуме по измерению и контролю в
промышленности с помощью компьютерной лазерной метрологии,
Венгрия, 1990
1-ой Всесоюзной конференции "Проблемы измерительной техники в
волоконной оптике", Н.Новгород, 1991
IV, V, VI и VII Международных, Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях "Оптические, радиоволновые тепловые методы и средства неразрушающего контроля", Саратов, 1991, 1995, Ульяновск, 1993, Череповец,1997
XIII Научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", С.Петербург, 1993
III Научной конференции "Нелинейные колебания механических систем", Н.Новгород, 1993
Российской научно-технической конференции "Вибрации машин и технология", Курск, 1993
Российской с международным участие научно-технической конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии", Москва, 1994
2-ом годичном собрании инновационной межвузовской программы "Трансферные технологии, комплексы и оборудование", Саратов, 1993
Рижской Международной конференции по магнитогидродинамике, Юрмала, 1995
II Международной конференции по голографии и когерентной оптике, Черновцы, 1995
2-й Международной летней школе по проблемам механики сплошной среды, Саратов, 1996
2-й Международной Зимней школе по механике сплошных сред, Пермь, 1997
7-й Международной конференции по магнитным жидкостям, Плес, 1997
III Международной конференции "Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление", Воронеж, 1997
Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении", Саратов, 1997
Региональной научно-технической конференции " Состояние и проблемы развития эко лого-экономической системы Саратовской области", Саратов, 1997
Школе по оптике, лазерной физике и оптоэлектронике (ФЦП
"Интеграция"), Саратов, 1997.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 83 работы, из них одна монография, 24 статьи, 10 авторских свидетельств, б Патентов РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Работа изложена на 279 страницах, содержит 87 рисунков и список литературы из 487 наименований цитируемых источников, из которых 85 публикации автора диссертации.
Похожие диссертации на Интерференция оптических волновых полей при их взаимодействии с объектами, сочетающими несколько типов неоднородностей
