Введение к работе
Настоящая работа тематически относится к лазерной интерферометрии случайно неоднородных объектов, в рамках которой в отличие от классических методов в качестве измерительного сигнала используется не форма интерференционных полос или динамика их изменения, а контраст полос, несущий информацию о статистических параметрах объекта.
В силу того, что лазерная интерферометрия обладает рядом качеств, таких как высокая чувствительность, информативность, "быстродействие, точность, дальнейшее развитие методов лазерной интерферометрии представляется важной задачей с научной и практической точек зрения.
'<'-'; Интерференция спекл-модулированных световых полей целенаправленно стала изучаться в голографической интерферометрии, спекл-фотографии и спекл-интерферометрии. Физические особенности этих методов когерентной оптики заключаются в том, что в них приходится иметь дело с интерференцией когерентных световых полей - спекл-нолей, образующихся при рассеянии когерентного лазерного излучения статистическими неоднородными объектами.
Развитые спекл-поля, возникающие в голографии, голографической и спекл-иитерферометрии, в силу того, что их статистические свойства не зависят от параметров рассеивающего объекта [1,2], возможно использовать только в задачах определения параметров движения, деформаций и формы объектов.
При взаимодействии когерентного лазерного излучения со слабо неоднородными объектами формируются так называемые частично развитые спекл-поля, статистические параметры которых занимают промежуточные значения между характеристиками невозмущенного когерентного поля с гладким волновым фронтом и характеристиками развитого спекл-поля. При интерференции лазерных полей, невозмущенных рассеивающим объектом, формируется интерференционная картина с максимальным контрастом, равным единице при равенстве интеисивностей полей. Интерференция гладкой волны с частично развитым спекл-полем приводит к уменьшению контраста полос, значение которого может служить мерой параметров неоднородностей объекта.
Относительно строгие количественные зависимости параметров интерференционных полос от статистических параметров неоднородностей фазовых объектов устано&тены в работы О.В .Ангельского и П.П.Максимяка, в которых удалось связать количественные характеристики интерференциошюй картины, в частности, относительное значение минимума интенсивности в интерференционной картине при условии противофазности и полной согласованности интерферирующих полей со статистическими моментами амплитуды и фазы рассеянного поля [3,4]. Методически более эффективный подход реализован в работе [5], в которой установлена связь контраста V интерференционных полос, наблюдаемых при наложении двух идентичных реализаций полей с регулируемым поперечным сдвигом Ар с корреляционной функцией р, (Ар) рассеянного граничного поля, V = р, (Ар).
Недостатком этого метода является техническая и методическая трудность реализации интерференции граничных полей, : то есть световых полей в непосредственной близости от поверхности объекта. Выход за пределы этой области требует учета трансформации дифрагировавшего поля и учета влияния этой трансформации на контраст полос средней интенсивности.
Существенно новый подход предложен в [6,7]. В этих работах объект исследования так же, как в интерферометре сдвига находится за пределами интерферометра, а сам интерферометр выполняет роль осветительного устройства. В этом случае объект освещается световым пучком с регулярными интерференционными полосами - пространственно-модулированным лазерным пучком (ПМЛП), а интерференционные полосы средней интенсивности наблюдаются в дифракционном поле. Закономерности формирования полос средней интенсивности такие же, как и в интерферометре сдвига - контраст полос в приграничной области определяется автокорреляционной функцией оптического поля. Такой подход в реализации интерференции частично-развитых спекл-полей позволил авторам разработать очень простой и эффективный с технической точки зрения способ диагностики параметров объекта.
Исследования, касающиеся интерференции частично-развитых спекл-полей и методов их реализации, нельзя считать завершенными, так как ряд вопросов и задач остались открытыми: не получены выражения для контраста полос средней интенсивности в зоне дифракционных трансформаций спекл-полей, некоторые вопросы, касающиеся интерференции частично-идентичных спекл-полей остались не освещенными и до конца не изученными. Кроме того, если говорить о проблеме с технической точки зрения, то использование широкого ПМЛП для диагностики параметров очень тонких и протяженных объектов оказывается неэффективным или практически невозможным. Решением этой задачи может служить применение сфокусированного ПМЛП, использование которого для диагностики объектов требует разработки дополнительной теории. При дифракции широкого ПМЛП на неоднородном объекте происходит интерференция идентичных спекл-полей, в то время как дифракция сфокусированного ПМЛП связана с интерференцией частично идентичных или полностью неидентичных спекл-полей. Более того, при зондировании объекта сфокусированным ПМЛП картина интерференции наблюдается в удаленном дифракционном поле, что приводит к необходимости учета дифракционных трансформаций интерферирующих нолей.
В связи с этим дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных основ интерференции частично-развитых спекл-полей и методов их реализации представляется актуальной задачей с научной и практической точек зрения.
Цель диссертационной работы - исследование особенностей явления интерференции частично-развитых спекл-полей, несущих информацию о статистических параметрах рассеивающей среды (объекта), развитие теоретических и экспериментальных основ метода измерения параметров объекта, основанного на дифракции пространственно-модулированного лазерного пучка на случайно неоднородных объектах.
Научная новизна исследований:
впервые рассмотрены закономерности формирования интерференционных картин в поле дифракции сфокусированного пространственно-модулированного лазерного пучка на случайно неоднородном объекте и даны качественные объяснения зависимости контраста полос средней интенсивности от статистических параметров объекта;
впервые получены аналитические выражения для эволюции контраста полос средней интенсивности при дифракции широкого коллимированного ПМЛП на СФЭ в зависимости от статистических параметров объекта и пучка;
- ' впервые получены аналитические выражения для эволюции контраста полос
средней интенсивности при дифракции сфокусированного ПМЛП на СФЭ в зависимости от статистических параметров объекта и пучка;
впервые установлены три различных режима дифракции сфокусированного ПМЛП на случайно неоднородном объекте, качественно отличающихся зависимостью контраста полос средней интенсивности от статистических параметров объекта;
впервые показаны возможности формирования шггерференционных картин с высоким контрастом при зондировании сильно рассеивающих сред.
Практическая значимость работы
Разработан новый эффективный метод проведения количественного контроля параметров случайно неоднородных объектов, основанные на зондировании объекта сфокусированным ПМЛП. В частности, предложены: способы диагностики параметров для объектов с мелкоструктурными неоднородностями, сильно неоднородных объектов, а так же экспресс-метода диагностики радиуса корреляции фазовых неоднородностей с использованием широкого ПМЛП; метод непосредственного измерения дисперсии фазовых флуктуации при режиме дефлекции интерференционных полос; методы сканирования неподвижных объектов сфокусированным ПМЛП.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается
достаточной строгостью используемых моделей, соответствием теоретических.
выводов и экспериментальных данных, полученных с использованием известных
экспериментальных методик.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. При освещении случайного фазового объекта сфокусированным лазерным пучком с регулярной интерференционной структурой - сфокусированный пространственно-модулированным лазерным пучком (ПМЛП), в дифракционной поле формируются интерференционные полосы средней интенсивности, контраст которых определяется статистическими параметрами неоднородностей объекта и параметрами зондирующего пучка. Возможны три качественно отличающихся режима дифракции сфокусированного ПМЛП на случайном фазовом объекте: контраст полос средней интенсивности уменьшается с увеличением радиуса корреляции lt неоднородностей объекта в режиме дифракции на большом числе неоднородностей, принимает минимальное значение в режиме дифракции па малом числе неоднородностей и возрастает с увеличением /^ в режиме дефлекции
полос, когда освещающий сфокусированный ПМЛП разрешает неоднородности объекта;
в режиме дифракции на большом числе неоднородностей контраст полос определяется соотношеїшем интенсивности нерассеянного компонента и средней интенсивности рассеянного (флуктуационного) компонента дифракционного поля; при значительном превышении радиуса перетяжки освещающего пучка (освещенной области на объекте) над радиусом корреляции фазовых неоднородностей 1ф в этом режиме проявляется эффект скачкообразного
изменения контраста полос средней интенсивности при изменении дисперсии
фазовых возмущений освещающего пучка; ' '
в режиме дефлекции контраст полос V пропорционален корреляционной функции коэффициента пропускания (или отражения) объекта, V--//, (Ар), вне
зависимости от статистических свойств фазовых неодиородностей объекта.
-
Аналитические выражения для контраста интерференционных полос средней интенсивности, формирующихся в поле дифракции сфокусированного ПМЛП на неоднородном объекте, в зависимости от статистических параметров объекта и зондирующего пучка.
-
Метод контроля статистических параметров неодиородностей случайных фазовых объектов, включая сильно-неоднородные среды, основанный на зондировании объекта сфокусированным пространственно-модулированным лазерным пучком и определении контраста интерференционных полос средней интенсивности, формирующихся в дифракционном поле.
-
Метод контроля статистических параметров неодиородностей случайных фазовых объектов, основанный на зондировании объекта рассеянным пространственно-модулированным лазерным пучком - метод интегрального сканирования, и физическая интерпретация процессов формирования интерференционных картин и зависимости контраста полос средней интенсивности от параметров случайно неоднородного объекта и зондирующего пучка в этом методе.
Апробации работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих Международных конференциях:
15 Международная Конференция по Когерентной и Нелинейной Оптике (ICONO), С.-Петербург, 27 июня-1 июля 1995 г;
Second SPIE International Conference on Holography and Correlation Optics, Chernovtsy, May 15-19, 1995;
The Intl. Conf. on Nonlinear Dynamics and Chaos. Application in Physics, Biology and Medicine (ICND-96); SPIE Intl. Workshop on Nonlinear Dynamics and Structures in Biology and Medicine: Optical and Laser Technologies, Saratov, Russia, July 8-14, 1996;
Third SPIE International Conference on Correlation Optics, Chernovtsy, May 15-19, 1997;
"Coherence Domain Optical Methods in Biomedical Science and Clinical Applications II", BIOS'98 SPIE's International Biomedical Optics Symposium, San Jose, California USA, 24-30 January, 1998;
7-th International workshop on laser physics (LPHYS'98), Berlin, Germany, July 6-10, 1998;
"Методы светорассеяния в механике, биомедицине и материаловедении", Международный ..междисциплинарный научный семинар и осенняя школа молодых ученых, Россия, Саратов, 6-9 октября, 1998.
Saratov Fall Meeting (SFM'99), Saratov, Russia, October 5-8,1999.
Личный вклад автора заключался в проведении теоретического анализа, участии в обсуждении задач, поставленных научным руководителем, проведении экспериментальных работ, некоторые из которых выполнены при содействии А.Е.Гринсвича.
Публикации. По результатам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы опубликовано 16 статей и сообщений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 144 страницы текста, включая 54 рисунка. Список литературы содержит 137 наименований и изложен на 12 страницах.
