10.4.4. Специальные методы и технические приемы

10.4.4.1. Методы интерферометрии в реальном времени

Режим нулевых полос в голографической интерферометрии в реальном времени более сложен, чем исследования с применением голографии двух экспозиций или с усреднением во времени, главным образом потому, что в первом случае трудно избежать изменений положения голографической пластинки относительно механического устройства, на котором укреплены оптические элементы и объект. В этом случае улучшить экспериментальные результаты поможет разработка устойчивой кинематической схемы для держателей пластинки, а также монтажа оптических элементов и держателей объекта [45]. Основной принцип состоит в том, чтобы в конструкции содержался минимум ограничивающих деталей, достаточный для исключения любой конкретной степени свободы движения объекта. Например, все держатели голограммных пластинок вне зависимости от того, используются они в интерферометрии или нет, должны содержать кинематический узел, сводящий к минимуму деформацию пластинки во время экспозиции. Чтобы ориентировать прямоугольную пластинку в плоскости как по положению, так и по углу, вполне достаточно использовать только три штифта. Аналогично требуются лишь три точки, чтобы установить положение этой плоскости; следовательно, чтобы обеспечить точную ориентацию голограммной пластинки, держатель должен иметь только шесть опорных точек. Для поддержки пластинки относительно подкладок и для обеспечения сил трения, удерживающих пластинку относительно ориентирующих штифтов, приходится применять дополнительные штифты, однако эти силы трения не должны быть очень велики. Держатель пластинки, сконструированный с учетом кинематических принципов, не будет коробить пластинку и может быть использован для перемещения голограммы после экспозиции, но с достаточной степенью аккуратности, чтобы больше ничего в схеме не изменилось; при этом условие нулевых полос будет соблюдаться по всему полю голограммы.

В данном случае голограмму на время эксперимента можно поместить в кювету с жидкостью. Такая кювета исключает эффекты

усадки, но требует наличия кинематического держателя пластинки. При достижении режима нулевых полос окончательные результаты получаются, если вся обработка осуществляется внутри кюветы без удаления оттуда голограммы. Для того чтобы химические процессы протекали в реальном времени, можно использовать автоматические устройства, однако они очень дороги.

В большинстве случаев погружение голограмм в жидкость не так уж необходимо, и голография реального времени может дать вполне удовлетворительные результаты при использовании сухого подвижного держателя с опорой на края голограммной пластинки и ручного перемещения обработанной голограммы. В такой системе, поскольку в качестве опорных поверхностей используются края пластинки, целесообразно их слегка покрывать абразивным порошком, особенно если пластинка раскололась при транспортировке или была разрезана в лаборатории.

В заключение следует заметить, что не стоит придавать особого значения требованиям чрезмерной жесткости. Это относится в частности к случаю исследований вибраций, когда производится акустическое возбуждение объекта, — сама пластинка начинает вибрировать, даже если она подвижно закреплена. В таких случаях наиболее удовлетворительные результаты достигаются при малых размерах пластинок и кинематических держателей. Хороший кинематический держатель пластинок, имеющих размеры примерно см без жидкой ячейки, позволяет получать вполне удовлетворительные результаты для большинства интерферометрических применений, причем в конструкции такого держателя не нужно применять особые приспособления для обеспечения жесткости.

10.4.4.2. Использование голографических пленок в интерферометрии

Пожалуй, в большинстве голографических экспериментальных установок используются не пленки, а стеклянные пластинки, несмотря на большую стоимость материала, главным образом из-за того, что пластинки легче закрепить жестко. Однако если для множества последовательно выполняемых экспериментов важным фактором становится стоимость одной экспозиции или если требуются голограммы очень большой площади, то предпочтительнее использовать пленку. Пленки меньшего размера, такие, как -миллиметровые, во многих случаях можно приспособить к установке в стандартном высококачественном лентопротяжном механизме от фотокамеры без смещений и деформаций пленки, создающих препятствия для применения их в голографии. Отдельные куски пленки с относительно толстыми подложками можно использовать для изготовления голограмм в обычных пленкодержателях вплоть до размеров см; при этом они обеспечивают

надежную и тщательную установку пленки в данное положение за достаточно короткое время. Но даже при размерах голограммы см обычный пленкодержатель, зажимающий пленку на краях, может вносить искажения, а при больших размерах пленки он уже совсем непригоден. Во всех случаях для любых размеров пленки лучшим способом ее установки является вакуумный или установка под давлением; при этом вся поверхность пленки в течение экспозиции удерживается в фиксированном состоянии. Хорошо сконструированный вакуумный держатель можно предпочесть держателю пленки под давлением, поскольку здесь не является необходимым создавать окно между объектом и голограммой. В случае использования импульсных лазеров такие строгие требования к держателям пленки излишни, ибо движение пленки за время импульса пренебрежимо мало.

10.4.4.3. Методы двух экспозиций для апостериорной компенсации полос

Одним из недостатков голографической интерферометрии двух экспозиций является невозможность изменения картины фоновых полос, когда определяется относительное направление движения различных участков голограммы, после того как голограмма изготовлена. Этот недостаток можно преодолеть, если провести запись двумя раздельными экспозициями таким образом, что после восстановления с двумя восстановленными изображениями можно было бы работать раздельно. Простейший из этих методов, называемый «сандвич-голографией» [2—4, 6], требует изменения только конструкции держателя пластинок, чтобы можно было одновременно экспонировать две пластинки. Хотя пластинки можно располагать сколь угодно близко друг к другу, в наиболее распространенном устройстве пластинки прижимаются друг к другу сторонами с эмульсией. Две пластинки экспонируются светом от объекта, находящегося в первом своем состоянии, а затем светом от объекта во втором состоянии экспонируется вторая пара пластинок. После обработки и сушки передняя пластинка стороны объекта) соединяется с задней пластинкой другой пары так, чтобы их эмульсии контактировали, и эта новая пара восстанавливается копией исходного опорного пучка. Поскольку каждое изображение восстанавливается отдельно, то, меняя положения голограмм относительно друг друга, можно управлять картиной полос, обусловленной различием между двумя состояниями объекта. Например, наклон одной голограммы относительно другой соответствует введению наклона объекта между экспозициями; вращение голограмм соответствует повороту объекта. С помощью подходящей манипуляции парой голограмм можно устранять фазовые неоднозначности

в картине полос, фиксируя изменения в направлении определенных фоновых полос.

В более сложных голографических устройствах того же результата можно добиться и с одной голограммой. Если две экспозиции осуществить опорными пучками с углами падения, отличающимися на величину, не настолько большую, чтобы после восстановления происходило перекрытие со вторичным изображением, то изображениями, восстановленными двумя восстанавливающими пучками, можно манипулировать относительно друг друга, изменяя геометрию восстановления 142). Такой вид интерферометрии, в котором применяются полосы разных несущих пространственных частот, является лишь одним из нескольких видов голографического пространственного мультиплицирования, которыми можно пользоваться. Для записи двух голограмм можно также применять пространственно дополняющие друг друга маски, а при восстановлении для освещения нужных участков голограммы раздельными пучками можно использовать цветные или поляризационные маски. Однако среди методов, обеспечивающих раздельную запись и восстановление двух изображений, сандвич-голография является наиболее простой как на стадии изготовления голограмм, так и при последующей манипуляции изображениями.

10.4.4.4. Увеличение резкости полос

Хотя оптическая плотность фотографий, полученных с картин голографических полос, может и не представлять собой точную копию интенсивности полос, разрешение полос определяется распределением освещенности, которое для голограмм с усреднением во времени пропорционально а для голограмм двух экспозиций записывается в виде Возможность наблюдать разницу в плотности влечет за собой возможность наблюдения пространственных смещений полос и, следовательно, устанавливает предельное разрешение по смещению. Измерения положения полосы становятся критичными, когда деформации определяются из голограмм, поскольку такие измерения связаны с различиями в положениях полос (производных амплитудной функции), и, следовательно, небольшие ошибки при измерении положения полосы приводят к увеличению ошибки при расчете деформаций. Хотя для увеличения резкости полос на голограмме двух экспозиций или при регистрации вибраций можно было бы применять в принципе многоволновые голографические методы точно таким же способом, как и классическую многолучевую интерферометрию, сложность постановки такого эксперимента делает привлекательной систему, основанную на более традиционном подходе.

Один из подходов, а именно фотоэлектронный метод определения разностей в положении полос, использует голографическое

устройство с двойной экспозицией и с двумя опорными пучками. В этом устройстве частота одного из восстанавливающих пучков сдвинута относительно другой на частоту ультразвука [16]. Такой частотный сдвиг модулирует координаты интерференционных полос при восстановлении голограммы, которые в свою очередь могут быть продетектированы с помощью фотодетектора, расположенного в плоскости изображения линзы, которая проецирует восстановленное изображение. В той точке изображения, восстановленного с дважды экспонированной голограммы, в которой оптические фазы в начальном и конечном положениях смещения полос равны соответственно и фаза переменного сигнала будет пропорциональна выражению

где - мгновенная фаза модулирующего сигнала в момент времени Если второй детектор поместить в точке с координатой то с него будет сниматься аналогичный сигнал, фаза которого изменяется во времени как

Таким образом, мы видим, что оба сигнала одинаково изменяются во времени, но разность фаз равна разности фаз в интерференционной картине между точками Таким образом, разности временных фаз между двумя детектированными сигналами в отдельности пропорциональны разностям пространственных фаз интерференционной картины в этих точках и связаны непосредственно с наклоном графика смещения между этими точками.

Преобразуя пространственную модуляцию дважды экспонированной голограммы во временную, можно точно установить координаты полос посредством измерения фазы (которое нужно выполнить очень точно) относительно фазы любой другой точки восстановленного изображения. В частности, для непосредственного измерения наклона смещения можно раздельно использовать два детектора, установленных на фиксированном расстоянии друг от друга; это существенный результат, поскольку прямое измерение наклона приводит к возрастанию точности измерений деформации.