Голографическая интерферометрия — один из наиболее важных и развитых разделов голографии. Уникальные возможности голографической интерферометрии нашли широкое практическое применение не только в академических научно-исследовательских центрах, но и в заводских лабораториях и цехах. В основе разнообразных методов голографической интерферометрии лежит принцип сравнения двух волновых фронтов, причем один из них или оба записывают и восстанавливают голографическим методом.
Имеется несколько вариантов метода голографической интерферометрии: метод двух экспозиций, метод реального времени, метод усреднения во времени и стробоголографический метод.
Наиболее распространен метод двух экспозиций. Сначала получают голограмму исследуемого предмета в первоначальном состоянии, т. е. не нагруженного, не нагретого и не деформированного. Затем предмет подвергают внешним воздействиям и на ту же фотопластинку записывают голограмму его измененного состояния. При восстановлении изображения с двукратно экспонированной голограммы наблюдается результат интерференции полей, существующих в разные моменты времени — во-первых, волнового поля, несущего информацию о первоначальном состоянии объекта, и, во-вторых, волнового поля, несущего информацию о его измененном состоянии. В результате на изображение объекта накладывается сеть интерференционных полос, по которым определяют изменения, происшедшие с объектом. Метод двух экспозиций применяют для изучения поверхностной деформации тел, контроля сварных швов, обнаружения трещин, пузырей, непроваров и т. п.
Рис. 1
а - схема получения; 1 - лазер; 2 - расщипитель пучка; 3 и 6 - линзовые системы; 4 и 5 - зеркала; 7 - объект; 8 - фотопластинка.
б - схема восстановления; 1 - лазер; 2 - линзовая система; 3 - зеркало; 4 - голограмма.
В методе двух экспозиций используется голографическая схема, подобная изображенной на рис. 1. Для примера предположим, что объектом в этой схеме служит турбинная лопатка и что определяется ее отклик на воздействие механической силы. На одну фотопластинку регистрируются две голограммы объекта, находящегося в двух разных состояниях: ненагруженном и нагруженном. При освещении проявленной фотопластинки восстанавливающей волной, идентичной опорной волне, использовавшейся на стадии регистрации, наблюдатель, смотрящий через голограмму, увидит трехмерное мнимое изображение турбинной лопатки с наложенной на него картиной интерференционных полос (рис. 2). Наблюдатель заметит также, что полосы локализованы в пространстве, причем не обязательно на поверхности турбинной лопатки, и слегка смещаются и изменяют свою форму при изменении направления наблюдения. Анализ наблюдаемой интерференционной картины позволяет выявить созданные нагрузкой деформации и установить опасные места.
Рис. 2
Схематическое изображение интерференционной картины, возникающей при исследовании турбинной лопатки методом двух экспозиций
Второй метод голографической интерферометрии — метод реального времени — соответствует методу двух экспозиций. Разница между ними заключается лишь в том, что при использовании реального времени вместо второй экспозиции голографическое изображение непосредственно «интерферирует» с предметом, с которого получена голограмма. При восстановлении опорный и объектный пучки освещают голограмму и объект, с которого она получена. Отраженные волны интерферируют между собой. Это позволяет сравнить реальный объект с «идеальным», т. е. эталонным объектом. Он может быть представлен, например, голограммой, синтезированной на ЭВМ.
Третий метод голографической интерферометрии — метод усреднения во времени. Его назначение — изучение формы колебаний объектов при воздействии на них периодической нагрузки. Голограмма в этом случае экспонируется в течение промежутка времени, значительно превышающего период колебаний исследуемого объекта, и в результате ее восстановления будет получено контурное изображение стоячих волн, установившихся на колеблющейся поверхности объекта. Несмещающиеся точки объекта называются узловыми и на интерферограмме имеют вид ярких пятен.
Допустим, что необходимо выявить, как влияет вибрация на изменение формы турбинной лопатки, колеблющейся с некоторой частотой. Голограмма регистрируется непосредственно в процессе работы. При этом интерференционная картина на фотопластинке усредняется во времени. Вибрирующие места кажутся темнее, ибо соответствующие полосы на голограмме размыты. Наиболее яркая полоса располагается по узловой линии. Каждая из последующих, уменьшающихся по яркости полос объединяет точки объекта, колеблющиеся с одинаковой амплитудой. Основным преимуществом измерения вибрации таким способом является бесконтактность.
И, наконец, четвертый метод голографической интерферометрии — стробоголографический. Он применяется совместно с методом голографической интерферометрии реального времени. Вначале получают голограмму неподвижной поверхности объекта и после проявления возвращают фотопластинку в исходное положение. Затем возбуждают вибрацию поверхности и освещают ее во время каждого периода колебаний коротким световым импульсом. Если импульс достаточно короткий, то этот метод эквивалентен методу голографической интеферометрии реального времени для неподвижных объектов. Но так как световой импульс может освещать вибрирующую поверхность в различных фазах колебания, этот метод дает возможность сравнивать положение поверхности в любой фазе колебаний с положением неподвижного объекта.
Перечисленные методы дают возможность эффективно контролировать и измерять деформации деталей и отдельных частей, определять распределение напряжений по объекту и наличие в них дефектов, поэтому в настоящее время их применяют в основном в дефектоскопии. Рассмотрим кратко некоторые свойства метода голографической интерферометрии, которые и определили широкий научный и практический интерес к нему.
Во-первых, необходимо отметить, что требование к качеству оптики, столь существенное для обычной интерферометрии, значительно ниже для интерферометрии голографической, поскольку объектная и опорная волны в одинаковой мере искажаются несовершенствами оптических деталей, проходя по одному и тому же пути в пространстве. Одинаковое изменение оптической разности хода лучей не скажется на конечной интерференционной картине.
Пониженные требования, предъявляемые к качеству используемых оптических элементов, позволяют уменьшить стоимость голографических интерферометров, а во-вторых, высокая информативность голограммы обеспечивает анализ тонкой структуры световой волны (например, ее поляризацию), дает возможность исследовать объекты произвольной формы, в то время как в классической интерферометрии возможно изучение объектов только Простой формы и с высоким качеством поверхности, так как в противном случае формирование опорной волны становится практически невозможным.
В-третьих, непрерывная запись оптических волн исключительно важна для изучения быстропротекающих событий. Голографические интерферограммы можно получать почти мгновенно при помощи импульсного лазера, а затем изучать их при восстановлении, используя источник света непрерывного действия. При этом юстировка оптической измерительной схемы, а также фотографическая регистрация интерферограмм могут проводиться с этим же источником непрерывного действия, что облегчает выполнение экспериментальной работы.
В-четвертых, свойство временной фильтрации позволяет формировать интерферограммы, выявляющие изменение во времени какой-либо одной частотной компоненты волны. Наиболее известным примером здесь является метод усреднения во времени, используемый для изучения механических колебаний. Голографическая интерферометрия находит применение в исследованиях как прозрачных, так и отражающих свет объектов. Различия, имеющиеся в исследовании объектов этих двух типов, не носят принципиального характера, хотя исследование прозрачных фазовых неоднородностей обычно выделяют в отдельное направление голографической интерферометрии. Это объясняется спецификой используемых схем и методов интерпретации результатов, которые, в свою очередь, определяются типичностью характера вносимых такими объектами фазовых искажений. К числу этих объектов относятся газовые потоки, ударные волны, плазма, тонкие пленки. Группу объектов, вносящих сильные фазовые возмущения, составляют линзы, призмы, пластинки, зеркала, т.е. в основном элементы оптических схем.
Как правило, различны и задачи исследований объектов этих двух групп. Если исследование методами голографической интерферометрии слабых фазовых объектов ставит своей конечной целью определить по распределению показателя преломления плотность газа, концентрацию атомов и электронов, температуру и другие параметры, то применение этих методов к оптическим элементам дает возможность проверить их характеристики на качество.
Основным недостатком методов голографической интерферометрии является качественный характер информации, получаемой от объекта. Получение количественной информации требует громоздких математических вычислений и сложного аппаратурного решения измерительного устройства, что приводит в известной мере к увеличению погрешности и трудности получения измерительной информации в реальном времени.