Содержание к диссертации
Введение
I. Стробоскопическая голография 15
1.1 Метод характеристической функции 15
1.2. Характеристическая функция в стробоголографии 17
1.3. Паразитные интерференционные полосы при конечной длительности импульсов 20
1.4 Сравнение стробоголографии с голографией с временной модуляцией 23
1.5 Двухимпульсная голография как разновидность стробоголографии 24
1.6. Обоснование выбора сторобоголографии для решения проблем многокомпонентных вибраций 26
И Стробоголографические методы в исследованиях многокомпонентных несвязанных колебаний 28
2.1. Общее описание несвязанных колебаний и обзор состояния проблемы 28
2.2. Характеристическая функция для двухчастотного случая несвязанных колебаний в голографическои интерферометрии 28
2.3 Двухкомпонентные колебания: исследование условий стробирования при комбинации вибраций и движения объекта как целого 29
2.4. Комбинация вибраций и вращения объекта. Расчет условий компенсации вращения объекта 37
2.5. Стробоголографический комплекс для исследования несвязанных колебаний. Экспериментальное разделение несвязанных вибраций. 40
2.6. Выводы и рекомендации 47
III. Стробоголографические методы в исследованиях связанных колебаний 53
3.1 Общее описание связанных колебаний и состояние проблемы 53
3.2 Общее описание компенсационных методов 54
3.3. Расчет условий компенсации основной частоты (выделение гармоник) 55
3.4. Расчет условий компенсации гармоник 58
3.5. Применение метода стробоголографии в реальном времени 59
3.6. Влияние основных параметров качества аппаратуры на регистрацию интерферограмм 63
3.4. Влияние нестабильности фазы синхронизации 66
3.8. Анализ влияния неточной установки фаз стробирующих импульсов 72
3.9. Влияние нестабильности длительности импульсов 76
3.10. Экспериментальное изучение связанных колебаний Разделение гармоник в двучастотном связанном колебательном процессе 81
3.11. Выводы и рекомендации 82
IV. Использование цифровых методов в стробоголографии 89
4.1. Цифровые методы получения интерферограмм 89
4.2 Экспериментальная реализация стробоскопических методов в цифровой голографической интерферометрии 93
4.2.1. Метод, использующий электронный усилитель оптического излучения (ЭУОИ) в качестве стробирующего устройства 94
4.2.2. Реализация методов стробоголографии
с использованием скоростной камеры DALSA-CW-DA6 98
4.2.3. Использование импульсного режима CCD-камеры, реализующего условия стробирования 99
4.3 Выводы 103
V. Стробоскопические методы с применением импульсного лазера 106
5.1 Особенности применения импульсных лазеров в стробоголографии 106
5.2 Особенности синхронизации в двухимпульснои голографии 108
5.3 Исследование затухающего колебания 110
5.4 Исследование колебательных процессов при ударном возбуждении 112
5.5 Голографическии комплекс и примеры практического применения стробоголографических методик с
импульсным лазером 114
5.5.1. Регистрация и исследование затухающих колебаний на поверхности органических соединений 115
5.5.2. Исследование и раздельная регистрация связанных колебаний 116
5.6 Выводы 1.16
Заключение 121
Литература
- Паразитные интерференционные полосы при конечной длительности импульсов
- Характеристическая функция для двухчастотного случая несвязанных колебаний в голографическои интерферометрии
- Расчет условий компенсации основной частоты (выделение гармоник)
- Экспериментальная реализация стробоскопических методов в цифровой голографической интерферометрии
Введение к работе
Методы голографической интерферометрии были разработаны и предложены к использованию вслед за изобретением голографии в 1961 году [1]. Голографическая интерферометрия является продолжением классической интерферометрии, в методах которой используются источники некогерентного света. Однако лишь с изобретением лазера и голографии, интерферометрия существенно обогатилась новыми методами [2]. Причиной тому являются высокая мощность и высокая когерентность лазерного излучения [3]. Голография существенно расширила возможности регистрации и обработки изображения. Стало возможным записать не только интенсивность излучаемого объектом светового поля, но и зарегистрировать фазу электромагнитной волны, распространяющуюся от всех точек объекта [4], Таким образом, увеличилось количество информации, получаемой наблюдателем, для анализа состояния исследуемого объекта. Возможность регистрации фазы излучения позволила в дальнейшем расширить классы изучаемых объектов и разнообразных физических процессов.
Применение голографической интерферометрии стало одним из распространенных методов в исследованиях динамических состояний механических объектов. Появилась возможность проводить неразрушающее тестирование в случае, когда объект подвергается деформациям, вибрациям или находится под статическим иагружением [5].
Другим применением голографической интерферометрии явилось ее использование в исследовании прозрачных (фазовых) объектов. Данный метод, например, позволяет зарегистрировать изменение плотности вещества в некоторых средах [6]. В дальнейшем голографическая интерферометрия была развита в работах Стетсона, Викрама, и других исследователей [7].
Несколько позже, но уже для исследования динамических процессов был предложен метод усреднения по времени [8]. Хотя этот метод не лишен недостатков, он и сегодня продолжает широко использоваться для предварительного анализа исследуемого физического процесса.
Позднее бьтд предложен стробоскопический метод регистрации интерферограмм. Здесь для исследователя открылся целый ряд преимуществ. Появилась возможность выбирать моменты регистрации процесса в зависимости от требований экспериментатора, что позволяет менять чувствительность метода голографической интерферометрии. Вместе с этим появляется возможность более точно и надежно получать информацию об изменении состояния объекта [10].
Еще одним методом голографической интерферометрии явился метод регистрации интерферограмм в реальном времени [11]. Преимущество данного метода заключается в возможности наблюдения за физическим процессом непосредственно в реальном времени. Возможно также изменять характеристики эксперимента и фиксировать изменение информации, получаемой из наблюдений за объектом. В этом методе существует возможность перехода от метода усреднения по времени к стробогодографии.
В настоящее время область применения голографической интерферометрии расширилась вплоть до исследования биологических объектов [12ДЗД4], а исследователи, работающие в голографической интерферометрии, перешли к использованию высокотехнологического оборудования (CCD-камеры, устройства захвата и передачи изображения, имидж-процессоры, позволяющие анализировать подученные результаты эксперимента). Таким образом, появляется возможность существенно сократить время получения интерферограмм и улучшить качество результатов экспериментов [15]. Несомненно, современные технические нововведения оказывают существенное влияние на исследовательскую работу.
Методы голографической интерферометрии успешно применяются в исследованиях деформированных состояний, колебаний объекта или других динамических процессов. Для исследования колебаний, например, применение всех представленных голографических методов совершенно оправдано, однако на практике все они имеют свои преимущества, ограничения и находятся в дополнении друг к другу.
Паразитные интерференционные полосы при конечной длительности импульсов
При модуляция опорного пучка мы получаем распределение интерференционных полос по функциям Бесселя более высокого порядка.
При увеличении п увеличивается расстояние между нулями функции Бесселя, что говорит об уменьшении числа интерференционных полос. Аналогично можно получать интерференционные картины процессов с малыми амплитудами [30]. Таким образом, выражение (1.4.3) указывает на возможность изменения чувствительности метода при получении интерференционной картины.
Однако существенным недостатком является вид распределения шггерференционных полос на изображении. Зависимость видиости от функции Бесселя снижает информативность интерферограммы. Кроме того, при регистрации больших амплитуд понижать чувствительность метода гораздо проще и эффективнее методами стробоголографии. При использовании же импульсных лазеров возможность реализации метода с временной модуляцией отсутствует.
Известно, что стробоголографический метод использует для записи интерферограммы последовательность световых импульсов, которые синхронизированы по фазе с динамическим процессом и имеют постоянную скважность, что приводит к получению интерференционной картины. Однако количество импульсов или время экспозиции зависит от чувствительности регистрирующей среды и энергетических характеристик излучения.
В принципе, нам достаточно только двух импульсов, которые синхронизированы с необходимыми нам положениями объекта. Именно два различных положения объекта создают условия для получения интерферограммы. Здесь двухимпульсная голографическая интерферометрия может рассматривается как разновидность стробоголографического метода.
Несомненно, классический стробоголографический метод и метод двухимпульсной голографии имеют ряд преимуществ и недостатков друг перед другом. Так, если экспозиция производится за длительный временной интервал, то при применении методов стробоголографии необходима синхронизированная во времени последовательность световых импульсом, а изменения состояния объекта должны быть периодические. При недостатке энергии приходится увеличивать время экспозиции. Это обстоятельство может привести к паразитной засветке регистрирующей среды, что совершенно нерационально и ухудшает качество зарегистрированной интерферограммы. Как выход, можно использовать достаточно мощные лазерные системы и свести время экспозиции к минимуму.
Редуцируя число импульсов в последовательности, мы можем свести её до двух необходимых импульсов. Единственным фактором, определяющим качество голограммы, будет скважность двухимпульсиой последовательности, которая определяется из условия (1.3.3).
Самым важным достоинством применения двухимпульсиой голографии является возможность использования предельно коротких по длительности импульсов, что существенно расширяет возможности анализа колебательных процессов, ограниченных условием (1.3.3). Получение таких последовательностей стало непосредственно возможно при использовании нестационарных режимов импульсных лазеров. Возможность использования коротких и мощных импульсов - основное достоинство такого метода записи [31,32]. Но необходимо помнить, что для создания двух последовательных импульсов с очень коротким межимульсным интервалом мы можем использовать два импульса за один цикл накачки квантовой среды. Осуществить это возможно, например, с помощью метода модуляции добротности, хотя и здесь имеется проблема перераспределении энергии от импульса к импульсу. Необходимо получить наиболее близкие по энергиям и одночастотные импульсы, что является отдельной исследовательской задачей, решение которой может облегчить получение интерферограммы [31].
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:
1. Условия, при которых возможно исследование объектов методами стробоголографии одинаковы как при использовании многоимпульсной, так и двухимпульсной последовательности,
2. При использовании мощных импульсных лазеров достаточно применять двухимпульсиое стробирование, но генерация таких импульсов реализуется не просто,
3. При использовании непрерывного маломощного источника излучения необходима многоимпульсная последовательность, однако формирование импульсной последовательности реализуется проще.
Характеристическая функция для двухчастотного случая несвязанных колебаний в голографическои интерферометрии
Для исследования двухчастотных несвязанных вибраций и их модового состава в работе использовался комплекс [ 46], состоящий из: 1. Голографического интерферометра, собранного по схеме Лейта-Упатниекса [46]; источником излучения являлся гелий-неоновый лазер мощностью 40-Ю"3 Вт. Данная схема записи позволяет добиваться более гибкого распределения энергии в пучках. 2. Датчика вибраций, блока возбуждения, осциллографа. 3. Электронного стробоскопа, который осуществлял модуляцию лазерного излучения. В стробоскоп входит блок формирования синхроимпульсов состоящий из: генератора стробирующих импульсов, усилителя мощности, усиливающий стробирующие импульсы до нужного напряжения управления электрооптическим затвором. Электрооптический затвор с ячейкой Поккельса и полуволновым напряжением 240 В. являлся активным управляющим элементом, непосредственно модулирующим лазерное излучение. На рисунке 2.2 изображена блок-схема лабораторного комплекса. Для получения колебаний объекта использовались бесконтактные электромагнитные возбудители, соединенные с генераторами. Система (диск) возбуждалась на двух резонансных частотах. Расстояние от объекта до голограммы 0,25 м. Для получения несвязанных колебаний использовались два независимых генератора, Для предварительного анализа сигнал колебаний регистрировался микрофоном и передавался на осциллограф или спектоанализатор.
Работа формирователя стробирующих импульсов приводит к получению последовательности прямоугольных импульсов, осуществляющих после усиления управление работой электрооптического затвора, что позволяет модулировать лазерное излучение. Формирователь также позволяет производить контроль над фазой управляющего импульса.
Формирователь (рисунок 2.3) состоит из следующих блоков: блока формирования импульсов (БФИ), усилителя мощности стробирующих импульсов (УМ), электрооптического затвора (ЭОЗ), блока возбуждения, осциллографа.
В свою очередь БФИ состоит из четырех блоков: блока формирования пилообразного напряжения (БФПН), блока формирования синхроимпульсов (БФСИ), генератора формирования длительности импульса (ГФДИ), блоки питания БФСИ и УМ.
Работа формирователя осуществляется следующим образом. Сигнал с датчика вибраций (микрофона) подается на вход блока и усиливается. Усилитель на входе может усиливать сигнал в 50-100 раз. Далее сигнал поступает на компаратор, который при переходе сигнала через ноль вырабатывает сигнал, который, в свою очередь, дифференцируется. Дифференцируемый сигнал осуществляет управление длительностью пилообразного напряжения, генератор которого входит в блок БФПН. В зависимости от частоты система автоподстрошш автоматически устанавливает размах пилообразного напряжения + ираб, где Upa6« U+, II источника питания. Далее пилообразное напряжение, синхронизированное с сигналом датчика вибраций, поступает в блок формирования синхроимпульсов.
Два компаратора на входе БФСИ настроены на два различных уровня сравнения, что позволяет устанавливать и регулировать фазу синхроимпульсов (стробимпульсов). После компараторов сигналы снова дифференцируются и поступают на ГФДИ, где осуществляется генерация прямоугольных импульсов с регулируемой длительностью.
Прямоугольные сигналы поступают в усилитель мощности, осуществляющий усиление синхроимпульсов до нужного напряжения, управляющего ЭОЗ. Усилитель формирует импульсы с амплитудой 50-300 В и длительностью от 1мкс. Управляемый такими импульсами ЭОЗ модулирует излучение непрерывного лазера, создавая стробоскопическую последовательность световых импульсов в нужных фазах колебания. Таким образом, осуществляется синхронизированная с колебательным процессом регистрация интерферограмм. На рисунке 2.4 и 2.5 представлены временные диаграммы работы формирователя стробирующих импульсов для БФПН и БФСИ соответственно. На рисунке 2.5 Uj и U2- установленные напряжения компарирования, соответствующие фазам исследуемого колебания. Контроль над правильностью установки фаз стробирования осуществляется двухлучевым осциллографом, на котором одновременно наблюдаются сигнал с датчика вибраций и стробимпульсы. Исследования сводились к следующим операциям: 1. Записывалась голограмма методом усреднения по времени отдельных по форм колебательных процессов. 2. Далее проводилась запись методом усреднения по времени двухчастотного несвязанного колебания представленной модели. 3. Осуществлялся переход к стробированию.
Были проведены численные расчеты интерферограмм для двух несвязанных колебаний для метода усреднения по времени. На рисунке 2.6 представлены численно рассчитанные интерферогаммы двух таких форм колебаний объекта, а также интерферограмма суммарного колебания.
На первом этапе были определены необходимые параметры возбуждения и записи ишерферограмм. Рисунок 2.7 а) и б) демонстрируют интерферограммы с распределением колебаний на поверхности объекта для каждой отдельной частоты колебаний.
Расчет условий компенсации основной частоты (выделение гармоник)
Метод восстановления фазы, основанный на преобразовании Фурье, не единственный. Существует ряд более простых и более быстрых методов расчета, например, трех- или четырех-пиксельный метод [60], но они иногда дают худший результат, так как проводят прямое вычисления фазы без анализа пространственных частот
Следует отметить, что на иитерферограмме получается тангенциальное распределение полос. Преимущество такого распределения состоит в том, что при изменении направления деформации меняется и направление изменения интенсивности интерференционной полосы, что определяется нечетностью функции тангенс. Это облегчает в дальнейшем расшифровку интерферограммы и построение деформированного состояния объекта в сравнении с классическим косинусоидальным распределением, где определить направление перемещения однозначно невозможно.
Современные CCD-камеры, используемые в научных исследованиях, имеют множество различных технических характеристик, что позволяет активно использовать их в голографической интерферометрии. К таким техническим характеристикам камер следует отнести : 1. Разрешающую способность 2. Частоту кадров в секунду 3. Время экспозиции 4. Возможность внешнего управления работой камеры 5. Синхронизация работы с внешними устройствами 6. Возможность перестройки параметров камеры (время экспозиции, частоты кадров и прочее).
Учет в работе таких режимов дает возможность использования CCD-камеры в качестве стробирующего устройства. Таким образом, модуляция излучения, необходимая для реализации стробоскопических методов, может осуществляться на этапе регистрации изображения.
К недостаткам следует отнести трудность регистрации голограмм с малыми временами экспозиции, однако с увеличением мощности лазерного излучения или использования усилителя оптического излучения этот недостаток можно ликвидировать
В настоящей работе предложено несколько вариантов использования цифровых камер и электронных устройств для реализации методов стробоголографии.
Метод, использующий электронный усилитель оптического излучения (ЭУОИ) в качестве стробирующего устройства В методах цифровой голографической интерферометрии с ЭУОИ стало возможно применение непрерывного лазера с мощностью, недостаточной для регистрации изображения, а при переходе к стробоголографии отказаться от использования электрооптического модулятора (ЭОМ). В отличие от стробоголографических систем регистрации, использующих многоимпульсную последовательность для регистрации, применение ЭУОИ и CCD-камер позволяет редуцировать стробоскопическую последовательность до двух импульсов. Современные ЭУОИ могут не только работать в импульсном режиме, как и ЭОМ, но и существенно усиливать оптическое излучение. Таким образом, решается задача модуляции излучения и получения необходимой энергии для регистрации динамического процесса [61].
Электронный усилитель оптического излучения- устройство, позволяющее усиливать слабые оптические сигналы, например, в случаях быстропротекаюших процессов, таких как разряды или процессы флуоресценции.
ЭУОИ состоит из фотокатода, промежуточного активного элемеита(динода) и флуоресцирующего экрана. Излучение, попадающее па фотокатод, вследствие процесса фотоэффекта вызывает поток электронов, ускоряемых электрическим полем. Этот поток умножается после прохождения через промежуточный активный элемент(дш-юд), а затем, попадая на флуоресцирующий экран, формирует выходной оптический сигнал-изображение. Усиление производится путем подачи напряжения на динод. Однако такие усилители обладают достаточным уровнем шума, уменьшение которого существенно может расширить методы получения интерферограмм.
Определено, что уровень шума в такой системе определяется как VN , где N- число излученных катодом электронов, а число электронов в свою очередь определяется выражением [62]
В экспериментах использовался оптический усилитель, квантовая эффективность фотокатода которого составляла (электрон/фотон) 10-20%, а максимальное усиление динода 350 (электрон/электрон).
С использованием ЭОУИ исследовались колебания металлической пластины размером 100x60x1.5мм. Частота колебаний составляла 661 Гц. В качестве источника излучения использовался Nd:YAG лазер с длиной волны 532 нм и мощностью 80 мВт. Исследуемые вибрации были зарегистрированы при длительностях импульса 20-100 мке и междуимпульсным интервалом 0.75 мс. Усиление ЭУОИ составляло 50. На рисунке 4.3 и рисунке 4.4 показаны схема записи и результаты, полученные при использовании ЭУОИ.
Экспериментальная реализация стробоскопических методов в цифровой голографической интерферометрии
Голографический комплекс, использующий импульсный лазер, был предложен почти сразу, как только возникла необходимость и возможность использования коротких импульсов для записи иитерферограмм. По сегодняшний день основные блоки этого комплекса не изменились, но добавились новые элементы, позволяющие более гибко управлять излучением или системой регистрации [89].
Голографический комплекс состоит из следующих частей и элементов: 1. Лазер: в работе использовался рубиновый лазер фирмы HLS 2. Система регистрации 3. Системы управления и синхронизации . Лазер, в свою очередь, состоит из: 1. Активной среды 2. Резонатора, состоящего из: а) система зеркал, образующая обратную связь б) диафрагмы в) эталонов Фабри-Перо г) электроолтического затвора.
Назначение элементов б) и в) необходимо для получения генерируемой волны вида TEMOOQ [90, 91]. Выбор элементов обусловлен конструктивными особенностями комплекса и определяется на стадии разработки, Элементом, позволяющим получить двухимпульсный режим модуляции добротности, необходимой для регистрации интерферограммы, является электрооптический: затвор, управляя которым можно влиять на параметры выходного излучения, регулировать межимпульсный интервал и длительность импульсов [92-95].
Регистрация и исследование затухающих колебаний на поверхности органических соединении
Исследования затухающих колебаний были проведены на объектах, по своим свойствам приближающимся к биологическим, а также простые биологические объекты (белковая масса) [96, 97].
Результаты исследований получены при возбуждении органического гелеобразного соединения-«фантома», структура которого схожа со структурой биологической ткани. По форме такой объект имел цилиндрическую форму диаметром 140 мм и высотой 15 мм. Под поверхностью «фантома» на глубине 4 мм находилось другое органическое соединение размером 20x20x7мм, структурно схожее с изучаемым объектом, но большей плотности. Схема регистрации голограммы представлена в главе IV.
В задачу исследования входила локализация «чужеродной» ткани в органическом «фантоме». Идея определения дефекта состояла в следующем. В центре объекта ударом возбуждалась волна. Распространяющийся фронт волны имеет круговую симметрию. В месте, где сосредоточен дефект с другой плотностью, нарушается однородность вещества, следовательно, меняется скорость волы, и нарушается симметрия волнового фронта. Таким образом, появляется возможность локализации такого дефекта.
Схема возбуждения представлена на рисунке 5.3. Импульсный генератор формировал сигналы для запуска системы возбуждения и запуска импульсного лазера. Между этими импульсами устанавливалась задержка в несколько миллисекунд, что позволяло изменять моменты запуска лазера и возбуждения друг относительно друга. Так как скорость распространения волны по поверхности была много меньше, чем скорость волны на поверхности твердых тел (металла), то временной интервал между импульсами лазера устанавливался в пределах 450 мкс. Регистрация изображения осуществлялась на цифровую камеру Pulnix с разрешением 1001x1001 пикселов. Интерферограммы рассчитывались методом Фурье. На рисунке 5.4 представлены результаты. Для различных интервалов задержки относительно начала возбуждения и поджига лазера получены интерферограммы распространения волнового фронта по поверхности исследуемого объекта. На рисунке 5,4 б) заметно искажение волны в месте локализации дефекта.
Представленное исследование показывает принципиальную возможность обнаружения чужеродных органических соединений в реальных биологических тканях и использование данной методики в медицинской практике [98, 99]. 5.5.2. Исследование и раздельная регистрация связанных колебаний
Следующим экспериментом с использованием импульсного лазера была регистрация модового состава связанных колебаний. Генерация и возбуждение производилось с помощью цифрового программируемого генератора с последующим усилением сигнала. Использование такого генератора существенно упростило получение связанных колебаний. Генератор позволяет программировать выходной сигнал как сумму двух гармонических колебаний в частотном соотношении 1:2. Колебания объекта регистрировались на резонансных частотах 1300 Гц и 2600 Гц с задержкой между импульсами 100 мкс. Такая задержка определялась, исходя из фазового соотношения между колебаниями, и соответствовала условиям компенсации вибраций. Исследуемым объектом был стальной диск диаметром 0.2 м и толщиной около 7 мм. Регистрация изображения осуществлялась на цифровую камеру Pulnix с разрешением 1001x1001 пикселов, а интерферограммы рассчитывались методом Фурье. Основные результаты эксперимента представлены в работе [100]. Рисунок 5.5 демонстрирует полученные интерферограммы.
Стробоскопические методы с использованием импульсного лазера позволяют использовать преимущества такого лазера, а именно: короткие но длительности импульсы и высокую выходную мощность излучения. Таким образом, с учетом цифровых методов регистрации и обработки голограмм, существенно сокращено время получения интерферограмм. Описаны особенности синхронизации в стробоголографии, использующей импульсный лазер. С учетом этих особенностей экспериментально реализован метод наблюдения распространения волнового процесса на поверхности исследуемого объекта. Показана возможность локализации дефекта в таком объекте. Произведены эксперименты с разделением гармоник двухчастотного связанного колебания.
В настоящее время созданы импульсные лазеры, в которых реализован периодический одноимпудьсный или двухимпульсныи режимы генерации излучения. Лазер фирмы «Innolas» (Великобритания-Германия) позволяет получать импульсы с частотой 20 Гц, длительностью 10 не. и выходной энергией 140 мДж. По своей сути, такой лазер уже является стробоскопом. Интерес же представляет соединение и синхронизация импульсных режимов работы такого лазера с цифровыми системами регистрации, что позволяет усовершенствовать методы стробоскопической интерферометрии [301].
