1 Лекционный курс «Экспериментальные методы физических исследований» Тема МЕТОДЫ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ Раздел ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

2

3 История голографии Изобретена в 1948 году Деннисом Габором для усовершенствования электронного микроскопа (задолго до изобретения лазеров) В 1962 году для получения голограмм впервые использовали лазер

4 Голография и фотография Фотография: 2-х мерная версия 3-х мерного объекта Отсутствует глубина изображения Регистрируются только амплитуды и частоты волн Теряется информация о фазах волн

5 Голография и фотография Голография: Записывается информация о всех деталях волнового фронта (в том числе и о фазе волны) При наблюдении голограммы полностью восстанавливается волновой фронт В изображении содержится вся информация о 3-х мерных характеристиках объекта Изображение является точной копией объекта в момент регистрации голограммы

6 Голография и фотография Голограмма: Преобразует фазовую информацию в амплитудную информацию (совпадение фаз – максимум амплитуды, противофазы – минимум амплитуды) Происходит интерференция световой волны от объекта с опорной волной Голограмма - сложная интерференционная картина, образованная множеством микроскопических полос Голос – греческое слово, обозначающее полное сообщение

7 ФОТОГРАФИЯ – запись сведений только об АМПЛИТУДЕ и ЧАСТОТЕ волны ГОЛОГРАФИЯ – дополнительная запись сведений о ФАЗЕ волны Для этого осуществляют интерференцию волны от объекта с «опорной» волной ( волной с известными характеристиками )

8 ГОЛОГРАММА - ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ КАРТИНА ВОССТАНОВЛЕННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

9 Голограмма точечного источника Любой объект – система точечных источников света Опорная волна (плоская ) На фотопленке фиксируетс я результат наложения двух волн Волна от источника (сферическая) Фотопленка x z y

10 Голограмма точечного источника Максимумы (кольца почернения) для =2k ( s=OM-LM=k ) ГОЛОГРАММА ФОТО

11 Любой объект – - система точечных источников света Кольцевые интерференционные картины от различных точек перекрываются Результирующая голограмма – сложная система перекрывающихся интерференционных полос

12

13 Восстановление голограммы Голограмму освещают опорной волной Опорная волна рассевается на непрозрачных участках (максимумах) голограммы Опорная волна и волна, рассеянная от голограммы интерферируют и образуют действительное изображение и мнимое изображение

14 Восстановление голографического изображения Мнимое изображение Действительное изображение Волна от голограммы Опорная волна

15 Технические приложения голографии Голографическая «микроскопия» Увеличение достигается путем восстановления (наблюдения) голограмм волнами с длиной волны большей, чем при записи голограмм : M = r / s Например, запись производят, используя рентгеновский лазер, а наблюдают – в видимом свете. При этом увеличение M ~ 10 6 Таким образом получают увеличенные 3-х мерные изображения микроскопических объектов – молекул ДНК, вирусов

16 Технические приложения голографии Голографическая интерферометрия В методе двойной экспозиции на одну голограмму записывают два последовательных изображения объекта Если изменений объекта не происходило, то фазы совпадают и изображения сливаются Если объект изменялся, то в некоторых местах появляется разность фаз и возникает интерференционная картина Изменение разности фаз определяется изменениями разности хода (деформация) и изменениями показателя преломления (плотность, температура)

17 Стенд голографической интерферометрии Лазер BS-5% M1 L1 L2 PH M2 ДЕТАЛЬ Питание лазера НАГРУЗКА

18 Исследование механических деформаций методом двойной экспозиции Нагрузка (по нормали к рисунку) Изображение при двойной экспозиции Полосы интерференции X n=1 n=2 n=3 n=4

19 Расшифровка голографических изображений = 633 x10 -6 mm Первая темная полоса соответствует деформации d= /2 Вторая полоса - деформации d= /2 + d Полоса с номером n соответствует деформации d=(n-1/2) по отношению к неподвижному основанию

20 Распределение напряжений в подвергнутой давлению круглой мембране ( крышке резервуара )

21 Форма колебаний кузова автомобиля Картина интерференционных полос указывает на наличие резонансных колебаний обшивки двери

22 Механические напряжения в дефектной лопатке турбины компрессора

23 Голографическая интерферометрия деформаций колеблющихся деталей Распределение деформаций в звучащей гитаре

24 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции

25 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Изменение плотности вдоль линии A-B

26 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Распределение плотности газа между лопатками вращающейся турбины ( 4460 об. в минуту)

27 Исследование потоков жидкости и газа методом двойной экспозиции Тепловые потоки в пламени свечи

28 Космическая радарная интерферометрия скорости проседания нефтяного месторождения Lost Hills ( США ) в октябре 2002 г. Шкала скорости проседания ( миллиметры в день )