ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании устройств для определения остаточных напряжений, основанных на методе голографической интерферометрии.

Известен голографический интерферометр для устройства определения остаточных напряжений, содержащий источник когерентного излучения, светоделитель, систему формирования опорного пучка, размещенную по ходу одного из разделенных пучков, систему формирования объектного пучка, размещенную по ходу другого из разделенных пучков, и регистрирующую среду [1] .

Недостатками известного голографического интерферометра являются длительность процесса получения интерферограмм, малая информативность полученной картины полос, а также отсутствие возможности определения знака интерференционных полос, что является необходимым при использовании интерферометра в устройстве для определения остаточных напряжений. Получению требуемого технического эффекта препятствуют следующие причины. Во-первых, известный интерферометр может работать только в режиме двух экспозиций, что требует проведения дополнительных исследований для определения знака интерференционных полос. Во-вторых, на интерферограмме регистрируется информация как о нормальной компоненте перемещения, так и о тангенциальных компонентах, которую необходимо разделять в процессе расшифровки интерференционной картины. В-третьих, регистрация голограмм осуществляется на галоидосеребрянных регистрирующих средах, что обуславливает необходимость проведения длительного "мокрого" процесса обработки.

Наиболее близким аналогом по совокупности признаков к заявляемому изобретению является голографический интерферометр для устройства определения остаточных напряжений, содержащий источник когерентного излучения и расположенные по ходу излучения систему формирования освещающего пучка, регистрирующую среду для записи голограмм и держатель объекта [2] .

Недостатками известного голографического интерферометра являются длительность процесса получения интерферограммы и отсутствие возможности его работы в реальном масштабе времени. Отсутствие требуемого технического эффекта связано с использованием в интерферометре в качестве регистрирующей среды фотопластинок, поскольку совокупность элементов известного интерферометра не обеспечивает возможности его работы с регистрирующими средами другой природы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на создание голографического интерферометра, обеспечивающего возможность его использования как в режиме двух экспозиций, так и в режиме реального времени. При этом необходимо устранение "мокрого" процесса при регистрации голограмм и снижение по сравнению с использованием галоидосеребрянных сред времени регистрации голограммы и получения интерференционной картины.

Для решения поставленной задачи с получением указанного технического результата известный голографический интерферометр для устройства определения остаточных напряжений, содержащий источник когерентного излучения и расположенные по ходу излучения систему формирования освещающего пучка, регистрирующую среду для записи голограмм и держатель объекта, согласно предлагаемому изобретению снабжен блоком регистрации интерференционной картины, оптически связанным с регистрирующей средой, и системой формирования объектного пучка, размещенной между регистрирующей средой и держателем объекта, регистрирующая среда выполнена в виде фоторефрактивного кристалла, система формирования освещающего пучка выполнена с фокусирующей линзой, установленной на выходе системы, а фоторефрактивный кристалл установлен в фокусе линзы.

Согласно изобретению в качестве регистрирующей среды используется фоторефрактивный кристалл. Это обеспечивает устранение "мокрого" процесса регистрации голограмм. Для возможности использования в качестве фоторефрактивного кристалла в качестве регистрирующей среды необходимо введение в конструкцию интерферометра блока регистрации интерферограмм и системы формирования объектного пучка, а также выполнение системы формирования освещающего пучка с фокусирующей линзой, установленной так, что ее фокус совпадает с расположением фоторефрактивного кристалла.

Выполнение системы формирования освещающего пучка с фокусирующей линзой, установленной определенным образом относительно кристалла, обеспечивает фокусировку для создания необходимого уровня жизни для записи голограммы на кристалле.

Система формирования объектного пучка, размещенная между держателем объекта, служит для создания в объеме кристалла, необходимого для записи уровня интенсивности отраженного от объекта пучка.

Блок регистрации интерференционной картины обеспечивает выделение дифрагированной компоненты излучения.

Таким образом, причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. Фокусирующая линза системы формирования освещающего пучка и система формирования объектного пучка создают условия регистрации голограммы в фоторефрактивном кристалле. Дифрагируя на полученной в кристалле структуре, освещающий пучок формирует восстановленное голографическое изображение, которое выделяется по поляризации блока регистрации интерференционной картины.

В частных случаях предложенный голографический интерферометр может иметь конкретные формы выполнения отдельных элементов.

Голографический интерферометр может быть выполнен так, что система формирования объектного пучка выполнена в виде размещенных по ходу излучения прерывателя пучка и линзы, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, размещенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. Такое выполнение интерферометра обеспечивает максимальное увеличение отношения сигнал/шум и создает возможность функционирования интерферометра в режиме двух экспозиций.

Голографический интерферометр может быть выполнен так, что система формирования объектного пучка выполнена в виде последовательно размещенных по ходу излучения поляризатора, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси наибольшего пропускания поляризатора, и линзы, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, размещенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом, поляризатора, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси наибольшего пропускания поляризатора и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. Такое выполнение интерферометра позволяет его использовать для получения интерферограмм в реальном масштабе времени при высоком соотношении сигнал/шум.

Голографический интерферометр может быть выполнен так, что система формирования освещающего пучка выполнена с поляризатором, система формирования объектного пучка выполнена в виде линзы, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, размещенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом и установленного с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и перпендикулярной оси светового потока, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. При таком выполнении интерферометр может работать с объектами, не изменяющими поляризацию излучения, в частности, с зеркальными объектами.

Голографический интерферометр может быть выполнен так, что система формирования объектного пучка выполнена в виде последовательно размещенных по ходу излучения поляризатора, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси наибольшего пропускания поляризатора, и линзы, размещенной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, размещенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом и установленным с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости полупрозрачного зеркала перпендикулярно оси светового потока, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. При таком выполнении интерферометра дифрагированное излучение (восстановленный с голограммы пучок) выделяется за счет полупрозрачного зеркала, установленного под углом Брюстера, конструкция обеспечивает работу интерферометра в реальном масштабе времени с высоким отношением сигнал/шум.

На фиг. 1 представлена функциональная схема интерферометра; на фиг. 2, 3, 4, 5 - оптические схемы голографического интерферометра, варианты.

Голографический интерферометр для устройства определения остаточных напряжений (фиг. 1) содержит источник 1 когерентного излучения, расположенные по ходу излучения систему 2 формирования освещающего пучка, которая может быть выполнена, в частности, в виде расширителя 3 пучка и фокусирующей линзы 4, установленной на выходе системы 2, блок 5 регистрации интерференционной картины, фоторефрактивный кристалл 6, оптически связанный с блоком 5 регистрации интерференционной картины и установленный в фокусе линзы 4, систему 7 формирования объектного пучка и держатель 8 объекта.

Для работы методом двух экспозиций интерферометр (фиг. 2) может быть выполнен так, что система 7 формирования объектного пучка выполнена в виде размещенных по ходу излучения линзы 9 и прерывателя 10 пучка; линза установлена так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы 4 системы 2 формирования освещающего пучка, а блок 5 регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала 11, размещенного между фокусирующей линзой 4 и фоторефрактивным кристаллом 6, и фоточувствительного элемента 12, оптически связанного с кристаллом 6 через полупрозрачное зеркало 11.

Для работы в реальном масштабе времени интерферометр (фиг. 3) может быть выполнен так, что система 6 формирования объектного пучка выполнена в виде последовательно размещенных по ходу излучения поляризатора 13, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси наибольшего пропускания поляризатора 13, и линзы 9, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы 4 системы 2 формирования освещающего пучка, а блок 5 регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала 11, размещенного между фокусирующей линзой 4 и фоторефрактивным кристаллом 6, поляризатора 14, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси наибольшего пропускания поляризатора и фоточувствительного элемента 12, оптически связанного с кристаллом 6 через полупрозрачное зеркало 11.

При использовании интерферометра для исследования объектов, не изменяющих поляризации излучения, интерферометр (фиг. 4) может быть выполнен так, что система 2 формирования освещающего пучка выполнена с поляризатором 15, система 7 формирования объектного пучка выполнена в виде линзы 9, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы 4 системы 2 формирования освещающего пучка, а блок 5 регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала 11, размещенного между фокусирующей линзой 4 и фоторефрактивным кристаллом 6 и установленного с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и перпендикулярной оси светового потока, и фоточувствительного элемента 12, оптически связанного с кристаллом 6 через полупрозрачное зеркало.

Для работы в реальном масштабе времени интерферометр (фиг. 5) может также быть выполнен так, что система 7 формирования объектного пучка выполнена в виде последовательно размещенных по ходу излучения поляризатора 13, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси наибольшего пропускания поляризатора, и линзы 9, размещенной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы 4 системы 2 формирования освещающего пучка, а блок 5 регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала 11, размещенного между фокусирующей линзой 4 и фоторефрактивным кристаллом 6 и установленного с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости полупрозрачного зеркала перпендикулярно оси светового потока, и фоточувствительного элемента 12, оптически связанного с кристаллом 6 через полупрозрачное зеркало 11. По своим функциональным возможностям такое выполнение интерферометра аналогично конструкции интерферометра, представленного на фиг. 3. Различие состоит в принципах выделения дифрагированного пучка: посредством поляризатора 14 (фиг. 3) или посредством установленного полупрозрачного зеркала 11 под углом Брюстера (фиг. 5).

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 когерентного излучения попадает в систему 2 формирования освещающего пучка. Фокусирующая линза 4, установленная на выходе системы 2, фокусирует пучок в плоскость расположения фоторефрактивного кристалла 6 для создания уровня интенсивности излучения, достаточного для записи в нем голограммы. Прошедшее через кристалл 6 излучение попадает в систему 7 формирования объектного пучка. В системе 7 создается пучок с апертурой, требуемой для освещения исследуемой области объекта, установленного в держателе 8. Отраженное от объекта излучение вновь попадает в систему 7, в которой фокусируется в плоскость расположения кристалла 6, что обеспечивает создание объемного пучка с уровнем интенсивности излучения, необходимым для записи голограммы. Налагаясь в объеме кристалла 6 друг на друга, опорный пучок и объектный пучок интерферируют и формуют вариации коэффициента преломления, т. е. фазовую голограмму. На записанной голограмме происходит дифракция опорного пучка, в результате чего восстанавливается записанное на голограмме изображение объекта. Восстановленный пучок регистрируется блоком 5 регистрации интерференционной картины.

В зависимости от требований, предъявляемых при изучении остаточных напряжений, и условий проведения исследований голографический интерферометр, входящий в устройство для определения остаточных напряжений, может работать в двух режимах: 1 - режим реального масштаба времени, 2 - режим двух экспозиций.

При работе в режиме реального времени в блок 5 регистрации интерференционной картины одновременно с восстановленным изображением объекта в его первоначальном состоянии попадает излучение, отраженное от объекта в данный момент времени, в частности, непосредственно при осуществлении воздействия на объект - изъятии ограниченного объема материала с его поверхности.

При работе в режиме двух экспозиций в кристалле 6 записывается голограмма объекта в начальном состоянии, после этого объектный пучок перекрывается прерывателем 10 и осуществляется воздействие на объект. Затем на тот же кристалл 6 записывается голограмма объекта в конечном состоянии и вновь объектный пучок перекрывается. Опорный пучок, дифрагируя на зафиксированной в объеме кристалла 6 двухэкспозиционной голограмме, восстанавливает два пучка, соответствующие двум (начальному и конечному) состояниям объекта. Эти пучки попадают в блок 5 регистрации интерференционной картины, в котором фиксируется в виде интерферограммы изменение, происшедшее с объектом в результате воздействия.

Возможность работы интерферометра как в режиме двух экспозиций, так и в режиме реального времени, обеспечивает повышение объема информации, получаемой при его использовании в устройстве определения остаточных напряжений. Наблюдение в реальном времени дает возможность определения знака перемещения объекта и, следовательно, знака остаточных напряжений, а двухэкспозиционный режим обеспечивает определение величины остаточных напряжений. При этом независимо от режима работы предложенная конструкция интерферометра повышает производительность исследований и устраняет "мокрый" процесс получения голограммы. (56) Морозов В. К. , Мампория Б. М. Экспериментальные и теоретические вопросы измерения остаточных напряжений с применением лазерной интерферометрии. - кн. Остаточные напряжения и методы регулирования (Труды Всес. симп. - М. : ИПМ, 1981, с. 299-313).

Бакулин В. Н. и Рассоха А. А. Метод конечных элементов и голографическая интерферометрия в механике композитов. М. : Машиностроение, 1987, с. 154-157.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для определения остаточных напряжений в качестве измерителя деформаций. Изобретение обеспечивает повышение объема получаемой информации и устранение "мокрого" процесса получения голограмм. Свет от источника когерентного излучения попадает в систему формирования освещающего пучка, которая благодаря наличию на выходе фокусирующей линзы фокусирует пучок в плоскость расположения фоторефрактивного кристалла. Прошедший через кристалл пучок попадает в систему формирования объектного пучка, где расширяется и направляется на объект. Отраженный от объекта пучок фокусируется на фоторефрактивный кристалл. В результате интерференции пучков в кристалле записывается голограмма, на которой дифрагирует освещающий пучок, восстанавливая тем самым изображение объекта. В зависимости от режима работы в кристалле записывается либо голограмма объекта в начальном состоянии и восстановленный пучок интерферирует с пучком, отраженным от объекта в реальном времени, либо в кристалле записываются голограммы объекта в двух состояниях, которые при восстановлении интерферируют друг с другом. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащий источник когерентного излучения и расположенные по ходу излучения систему формирования освещающего пучка, регистрирующую среду для записи голограмм и держатель объектов, отличающийся тем, что интерферометр снабжен блоком регистрации интерференционной картины, оптически связанным с регистрирующей средой, и системой формирования объектного пучка, размещенной между регистрирующей средой и держателем объекта, регистрирующая среда выполнена в виде фоторефрактивного кристалла, система формирования освещающего пучка содержит фокусирующую линзу, установленную на выходе системы, а фоторефрактивный кристалл установлен в фокусе линзы. 2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что система формирования объектного пучка выполнена в виде расположенных по ходу излучения прерывателя пучка и линзы, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, расположенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. 3. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что система формирования объектного пучка выполнена в виде последовательно расположенных по ходу излучения поляризатора, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной к оси наибольшего пропускания поляризатора, и линзы, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, расположенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом, поляризатора, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной к оси наибольшего пропускания поляризатора, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. 4. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что система формирования освещающего пучка содержит поляризатор, система формирования объективного пучка выполнена в виде линзы, установленной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, расположенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом и установленного с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и перпендикулярной к оси светового потока, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало. 5. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что система формирования объектного пучка выполнена в виде последовательно размещенных по ходу излучения поляризатора, установленного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной к оси наибольшего пропускания поляризатора, и линзы, расположенной так, что ее фокус совпадает с фокусом фокусирующей линзы системы формирования освещающего пучка, а блок регистрации интерференционной картины выполнен в виде полупрозрачного зеркала, расположенного между фокусирующей линзой и фоторефрактивным кристаллом и установленного с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в плоскости полупрозрачного зеркала перпендикулярно к оси светового потока, и фоточувствительного элемента, оптически связанного с кристаллом через полупрозрачное зеркало.