§ 143. Использование голографии в оптической интерферометрии

Как известно, явление интерференции света находит обширные и разнообразные применения в физике и технике. Например, интерференция света широко используется для тщательного контроля геометрической формы различных тел, качества обработки их поверхности, малых изменений формы или поверхности под действием тех или иных внешних воздействий: механических напряжений, нагрева и др.

Однако в обычной оптической интерферометрии изучаемый объект сравнивается со специально изготовленным эталоном, причем поверхности как объекта исследования, так и эталона должны быть очень тщательно обработаны.

Голография может быть применена в интерференционном исследовании, например, деформаций тела произвольной формы и с произвольным качеством обработки поверхности.

Вернемся к рис. 283, на котором приведена схема голографирования  объектов произвольной формы. Пусть мы желаем, привлекая голографию, исследовать интерференционным методом небольшие деформации объекта, возникающие под действием каких-либо причин.

Экспонируем голографическую пластинку, освещая объект до того, как он испытал деформации. Не смещая пластинку и не проявляя ее, прервем освещение объекта на произвольный промежуток времени. Во время перерыва деформируем объект, не изменяя, однако, его положения в голографической установке. Вновь осветим теперь уже деформированный объект и еще раз экспонируем голографическую пластинку. Закончив вторую экспозицию, фотопластинку проявим и отфиксируем обычным способом.

В результате на пластинке окажутся зарегистрированными две голограммы, полученные с одной и той же опорной волной. Первой будет голограмма недеформированного объекта, второй — деформированного. Как подчеркивалось выше, запись двух или нескольких голограмм на одной фотопластинке вполне допустима, в отличие от фиксации нескольких перекрывающихся оптических изображений на обычной фотопластинке.

Восстановление изображений недеформированного и деформированного объекта с помощью «двойной» голограммы осуществляется по схеме, показанной на рис. 286. Как было объяснено раньше, полную амплитудную и фазовую информацию несут лишь световые пучки 3 и 4, которые мы и будем рассматривать.

Поскольку в данном случае просвечивается «двойная» голограмма, за ней возникнут два волновых поля  и  и два волновых поля  и . Одно из каждой пары этих полей соответствует недеформированному объекту, другое — деформированному.

Так как обе интересующие нас пары волновых полей образуются в результате просвечивания голограммы одним пространственно когерентным световым пучком, волновые поля каждой пары могут интерферировать между собой и давать стационарную интерференционную картину. Но волновое поле  отличается от волнового поля  (так же как поле  от поля ) тем, что между их голографической записью объект был деформирован. Следовательно, при просвечивании «двойной» голограммы суперпозиция полей  и  и полей  и  даст на действительном и мнимом изображениях объекта интерференционную картину, выявляющую его деформации.

Существенно, что при таком способе эталоном для сравнения деформированного объекта служит не специально приготовленная с оптической точностью обработанная поверхность, а сам объект.

Таким образом, метод голографической интерферометрии неизмеримо расширяет возможности интерференционных оптических наблюдений и измерений, в частности, как мы отмечали, позволяет исследовать деформации объектов произвольной формы и с произвольным качеством поверхности, а также деталей, никак специально для этого не подготовленных.

На рис. 291 показано изображение шарикового подшипника, сжатого в кулачках патрона токарного станка. Оно получено в результате просвечивания «двойной» голограммы, которая записывалась сначала до, а затем после возникновения деформаций в объекте. Интерференционные полосы на поверхности подшипника выявляют распределение этих деформаций.

Рис. 291. Изображение деформированного шарикового подшипника

Голографическая интерференция широко применяется для целей неразрушающего контроля. Можно, например, выявлять раковины и слабые места сварки в стенках полых сосудов. Для этого нагревают воздух внутри сосуда, что вызывает расширение его стенок, причем участки с различной теплопроводностью расширяются по-разному. Картина интерференционных полос позволяет обнаруживать места, в которых теплопроводность отлична от нормальной. Аналогично этому испытывают сосуды под давлением: ослабленным местам будут соответствовать более частые интерференционные полосы.

Возможно использование голографической интерференции и для контроля качества автомобильных шин по деформации их поверхности при небольшом изменении давления (рис. 292). На ослабленные места указывают области высокой  концентрации интерференционных полос (отмечены стрелками). На рисунке приведены восстановленные изображения шины в двух проекциях.

Рис. 292. Изображение дефектной автомобильной шины (в двух проекциях)

Голографический метод применяется также для исследования колебательных процессов. В этом случае обычным способом снимают голограмму колеблющейся поверхности, например, мембраны, причем продолжительность экспонирования голограммы значительно превосходит период колебания мембраны. Таким образом, в течение экспозиции колеблющаяся поверхность многократно проходит все положения, заключенные между двумя крайними. Однако большую часть времени мембрана находится в крайних положениях, поскольку при максимальном отклонении от положения равновесия скорость ее движения минимальна.

Полученную усредненную по времени голограмму можно рассматривать в качестве двухэкспозиционной. С ее помощью так же, как и в методе двух экспозиций, наблюдаются интерференционные полосы, позволяющие рассчитать амплитуду колебаний различных точек мембраны.

Изображение мембраны, восстановленное с подобной голограммы, приведено на рис. 293.

Рис. 293. Изображение колеблющейся мембраны

Метод двух экспозиций с применением лазеров, дающих мощные кратковременные импульсы света, с большим успехом был применен для интерферометрии быстропротекающих процессов. На рис. 294 приведено изображение летящей пули, полученное с помощью двухэкспозиционной голограммы. Видны интерференционные полосы в области ударной волны.

Рис. 294. Изображение ударных волн, создаваемых летящей пулей