Голографический способ исследования фазовых объектов Советский патент 1985 года по МПК G01B9/21 G03H1/22 

XJ

ел to

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано при исследовании слабых оптических неоднородностей в газовых течениях, жидкостях, для диагностики плазмы и для контроля качества оптических деталей.

Известны способы интерференционно-голографического исследования фазовых объектов П, 2j, в которых с целью увеличения чувствительности предметный пучок на стадии регистрации голограммы N раз проходит через исследуемый объект, приобретая фазовый сдвиг Н tf (,. ч)

В способе ll предметные пучки, прошедшие через объект 1, 3, 5 и т.д. раз, накладываются друг на друга и, хотя в силу ограниченной длины когерентности с опорным пучком интерферирует только один из предметных пучков, остальные пучки создают сильную некогерентную засветку, увеличивая шумы и снижая дифракционную эффективность и тем самым ухудшая качество восстановленных интерферограмм.

Этого недостатка лишен способ izj, в котором объект помещают между двумя зеркалами, наклоненными друг относительно друга на угол оС « При этом предметные пучки, прошедшие через объект 1, 3, 5 и т.д. раз, составляют друг с другом угол 2 об и один из пучков может быть отделен от остальных с помощью диaфpaг ы, помещенной в фокусе линзы. При этом, однако, происходит ухудшение пространственного разрешения за счет смещения пучка при последовательных прохождениях через объект. Для пучка, прошедшего чэрез объект N раз, это смещение равно

1 о HlN-0

(1)

cj

где 8 расстояние между зеркалами.

Ухудшение пространственного разрешения особенно велико при исследовании протяженных объектов с большими продольными размера ш, определяющими величину t с

При исследовании способами 1, 2j протяженных объектов, параметры которых быстро изменяются во времени, место ухудшение временного разрешения, так как в этом случае

разным проходам зондирующего пучка через объект соответствуют разные значения фазового сдвига.

К числу других недостатков, общкх для способов l, 2j, относится также то, что они не могут быть эффективно использованы для увеличения чувствительности в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спек тра, где существенные трудности с высококачественными зеркалами, имеющими малые потери и достаточно высокие коэффициенты отражения Потери света при многократном прохождении зеркал приводят к снижению светосилы и необходимости увеличения мощности используемых лазеров, особенно в ИК-области, где светочувствительность регистрирующих сред низкая.

Кроме того, с помощью .этих способов практически невозможно получить голограмму сфокусированного изображения, поскольку сечения объекта при первом, втором, третьем и т.д. проходе отстоят на расстоянии с друг от друга и не могут быть одновременно сфокусированы на голограмму. В то же время, как известно, в ряде случаев (например, при использовании высших порядков дифракции для увеличения чувствительности голографической интерферометрии) только голограмма сфокусированного изображения обеспечивает получение неискаженной интерференционной картины.

Всех этих недостатков лишен голо- I графический способ исследования фазовых объектов З, являющийся прототипом, заключающийся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее, восстановлении предметной волны по голограмме.

При однократном прохождении пучка через объект предметный пучок .приобретает при этом фазовый сдвиг Cf ( X , ц}, характеризующий распределение показателя преломления или рельеф поверхности исследуемого объекта, и регистрируется на голограмме с помощью когерентного ему опорного пучка. Затем голограмму освещают восстанавливающим пучком. При этом восстанавливается копия предметного пучка. Этот восстановленный пучок, интерферируя с пучком сравнения, образует интерферограмму, сдвиги полос на которой равны k-tf (х.ц / 27 Чувствительность этого метода, характегризуемая минимальным измеримым фазовым сдвигом Чмии t.Xi4) , равна ЧминC. (2)

где U k - точность измерения сдвига полос, и пpийk 0,1 Cf цА,ц 0,27 . Такая чувствительность недостаточна для исследования слабых фазовых неоднородностей, для которыкс(х,у «. It,

Целью изобретения является увеличение чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешения,спектрального диапазона при исследовании протяженных объектов.

Для достижения поставленной цели в голографическом способе исследования фазовых объектов, заключающемся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, причем воестановленный голограммой пучок первого или одного из высших порядков направляют на ту же.голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза.

Увеличение чувствительности в описьшаемом способе осуществляется на стадии восстановления за счет использования одного из восстановленных голограммой пучков в качестве восстанавливающего.

Голограмма исследуемого объекта регистрируется обычным способом с помощью предметного и опорного пучков, направляемых на голограмму под углом ф друг к другу. Затем голограмму .освещают восстанавливающим световым пучком. При этом восстанавливаются световые пучки + и - - первого порядка, а при нелинейной регистрации голограммы также пучки высших порядков. Один из этих пучков, например пучок +1-го порядка, характеризу,емый фазовым множителем ((У) вновь направляют на ту же голограмму При этом в +1-ОМ порядке восстанавливается световой пучок с фазовым множителем . Этот пучок также, в свою очередь, может быть использован в качестве восстанавливаю- щего. При этом в +1-ом порядке восстановится пучок с фазовым множителем .

Таким образом, повторяя эту проце дуру N раз, можно в t| раз увеличить фазовый сдвиг восстановленнЬго пучка и соответственно чувствительность измерений.

Поскольку в данном способе многократно просвечивается не протяженный фазовый объектJ а тонкая голограмма, практически полностью исключается ухудшение пространственного разрешения за счет смещения предметного пучка (см.формулу (1)). Полностью ИСГ-. ключается также ухудшение временного разрешения, поскольку в данном способе многократно просвечивается .стационарная голограмма, а не изменяющийся во времени объект.

. Поскольку на стадии восстановлени можно использовать излучение видимого диапазона, независимо от длины волны излучения, в свете которого была зарегистрирована голограмма, то предлагаемый способ может быть использован для увеличения чувствит тельности голографической интерферометрии в любом диапазоне длин волн.

Если голограмма была получена по . схеме сфокусированных изображений, то изображения, соответствующие разным проходам пучка через голограмму, расположены на малых расстояниях друг относительно друга и с достаточной точностью могут быть одног временно сфокусированы в плоскость интерферограммы, что позволяет в значительной степени избежать искажений, связанных с расфокусировкой изображения объекта.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема устройства, реализующего описываемый способ. На чертеже обозначены: голограмма 1, полупрозрачные зеркала 2, 3, диафрагма 4, линза 5, полупрозрачное зеркало 6, фотослой 7. Голограмму 1 помещают меящу двумя полупрозрачными зеркалами 2, 3, угол между которыми Э приблизительно равен углу ( под которым дифрагирует восстановленньщ пучок +1-ГО порядка (f.- (f , где i, и Л, - длины волн излучения, использованного при съемке голограммы и на стадии восстановления. Голограмму освещают восстанавливающим пучком, перпендикулярным зеркалу 2. При этом восстановленный пучок +1-го порядка, отражаясь от зеркала 3, просвечивает голограмму и врсстанавлива

ГОЛОГРАСЙЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ, заключающийся в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешения и спектрального диапазона при исследовании протяженных объектов, восстановленный голограммой пучок первого или одного из высших порядков направi ляют на ту же голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза. ел