Интерференция оптических волновых полей при их взаимодействии с объектами, сочетающими несколько типов неоднородностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Р Г Б ОД

- 8 ИЮН 1333

СКРИПАЛЬ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ОБЪЕКТАМИ, СОЧЕТАЮЩИМИ НЕСКОЛЬКО ТИПОВ НЕОДНОРОДНОСГЕЙ

01.04.05 -оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Саратов 1998

Работа выполнена в Саратовском Государственном университете им. Н.Г.Чернышевского

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор, академик МАН ВШ Усанов Д. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Локшин Г.Р.

доктор физико-математических наук,

профессор

Мслышков Л.А.

доктор физико-математических наук,

профессор

Хлебцов Н.Г.

Ведущая организация: Самарский государственный

аэрокосмический университет

Защита диссертации состоится « 23 » июня 1998 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д. 063.74.01 по специальности 01.04.05 - оптика в Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского по адресу: 410026, г.Саратов, ул.Астраханская, 83

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан « 19 » мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н., доцент ' дшпшн з м

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Явление интерференции волновых полей известно достаточно давно, но стало фундаментом для многих направлений современной оптики, 1ких как интерферометрия, голография, оптика спеклов и др. При этом южность описания образующейся интерференционной картины бусловлена во многом характером неоднородности объекта заимодействия.

В общем случае под неоднородными объектами понимается широкий пасс структур из различных материалов. Это могут быть объекты со тучайно неоднородной поверхностью, многослойные и многофазные бъекты, объекты, неоднородные по составу и объекты с акровключениями. В настоящее время наибольшее число исследований освящено объектам с одним типом неоднородности, таким как объекты с еоднородной формой поверхности в пространстве координат, объекты с зменяющейся во времени формой поверхности, объекты неоднородные по оставу в пространстве координат и объекты с изменяющимся во времени оставом. Для объектов, характеризующихся наличием одновременно двух ипов неоднородности, исследования интерференции света проводились ля сравнительно узкого круга задач. Для объектов с тремя и более типами еоднородностей вопросы интерференции волновых полей практически ассмотрены не были. Одновременное существование различных типов ;еоднородностей объекта может значительно усложнить характер ятерференционной картины. При этом оказывается невозможным судить характере неоднородности объекта по интерференционной картине с [спользованием традиционных представлений.

Анализ исследований, посвященных формированию

нтерференционной картины неоднородных объектов, позволяет сделать ывод о том, что до настоящего времени целенаправленного комплекса еоретических и экспериментальных исследований закономерностей, гроявляющихся при взаимодействии оптических волновых полей с |бъектами, сочетающими несколько типов неоднородностей, проведено не ¡ыло.

Цель настоящей диссертационной работы заключалась в проведении :омплекса исследований явления интерференции оптических волновых солей при их взаимодействии с неоднородными материалами и труктурами, направленного на развитие теоретических и кспериментальных основ этого явления, разработку и создание новых штических методов измерения и устройств для их реализации.

3

В задачи исследования входило следующее:

1. Теоретическое и экспериментальное исследования формирования изображения колеблющихся объектов с учетом степени пространственной когерентности освещающего излучения и микроструктуры поверхности объекта.

2. Анализ формирования пространственной интерференционной картины колебаний объектов при когерентном освещающем излучении. Анализ формирования волновых полей в топографической интерферометрии сложных периодических движений. Выявление новых способов повышения контраста и яркости интерференционной картины.

3. Анализ влияния параметров неоднородных объектов на характер образования интерференционной картины.

4. Анализ формирования спектра интерференционного сигнала в лазерной гомодинной системе с вибрирующим отражателем.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование формирования картины волнового поля при отражении излучения полупроводникового лазера от колеблющегося объекта в отсутствие развязки.

6. Исследование влияния сочетания нескольких типов неоднородности на формирование дифракционной картины при рассеянии света на агломератах магнитной жидкости.

7. Разработка, создание и внедрение на основе решения предыдущих задач новых способов и устройств для контроля и измерения вибрационных характеристик и параметров неоднородных материалов и структур, в том числе при отражении лазерного излучения от биологических объектов.

Научная новизна

1. Впервые проведен комплексный анализ формирования картин интерференции оптического излучения, отраженного от объектов, сочетающих несколько типов неоднородностей. Проведен анализ формирования распределения интенсивности в изображении колеблющегося объекта с учетом степени пространственной когерентности освещающего излучения, параметров оптической системы и микроструктуры поверхности. Показана возможность определения частоты и амплитуды колебаний по величине размытия изображения объекта. Установлено, что для повышения чувствительности и точности измерений амплитуд колебаний предложенным способом необходимо уменьшать степень пространственной когерентности освещающего излучения, в то время как для сохранения линейной зависимости радиуса размытия от амплитуды вибраций необходимо ее повышать.

2. Проведен анализ формирования пространственной интерференционной картины объектов с изменяющейся во времени и неоднородной в пространстве координат формой поверхности, основанный на топографической регистрации распределения интенсивности света.

[оказана возможность решения обратной задачи в топографической итерферометрии негармонических вибраций путем регистрации набора элограмм, созданных при последовательном возрастании частоты одуляции опорного пучка с использованием построения Фурье-функции мплитуды светового поля для каждой измеряемой точки поверхности бъекта или при фазовой модуляции опорной волны, и вычислении первой второй производных от амплитуды поля по фазе опорной волны на астоте, соответствующей гармонике частоты колебаний объекта, ыявлена новая возможность повышения контраста интерференционной артины в телевизионной схеме регистрации колебаний. Предложен способ овышения яркости интерференционной картины за счет фокусировки гркальной составляющей записываемой и восстанавливаемой волн в олографическом методе усреднения во времени.

3. Проведен анализ влияния неоднородностей в виде включений на нтерференционнуто картину колебаний тонких пластин. Выявлен арактер изменения собственной частоты и интерференционной картины олебаний при изменении местоположения неоднородности. Установлена озможность наблюдения в местах отсутствия неоднородности изгибов нтерференционных полос, характерных для мест нахождения еоднородности в одномодовом режиме колебаний. Выявлены акономерности, связанные с вкладом нескольких типов колебаний в юрмирование интерференционной картины для различных положений еоднородности. Исследовано влияние параметров материала и асположения пучностей колебаний объекта в целом на границах еоднородности на интерференционные картины самих неоднородных частков.

4. Проведен анализ формирования спектра интерференционного игнала в гомодинной лазерной системе при виброударном нагружении ходящего в его состав отражателя. Обнаружены закономерности [введения спектра интерференционного сигнала от амплитуды и степени [егармоничности колебаний объекта. Показано, что при изменении тационарного набега фазы между интерферирующими лучами в лазерной омодинной системе частота гармоники с максимальной амплитудой в пектре интерференционного сигнала негармонических вибраций |тражателя изменяется на величину большую удвоенного значения частоты :олебаний объекта. Впервые показана возможность восстановления формы гегармонических колебаний объекта в гомодинной интерференционной истеме.

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования характера отклонения картины волнового поля при отражении излучения полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью от колеблющегося объекта от картины волнового поля системы без обратной связи. Показана возможность восстановления параметров вибраций отражателя из сигнала автодинной системы. Исследована структура фазового портрета движения внешнего отражателя автодинной системы в зависимости от величины тока накачки полупроводникового лазера.

6. Исследована интерференция волновых полей, взаимодействующих с магнитной жидкостью, сочетающей такие типы неоднородности, как изменяющаяся во времени и неоднородная в пространстве координат форма поверхности и изменяющийся во времени и неоднородный в пространстве координат состав. Обнаружен и описан эффект возникновения дифракционных максимумов при рассеянии света на прозрачном слое магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле ориентированное вдоль границ плоского слоя. Исследован характер дифракционной картины в зависимости от ориентации плоскости поляризации излучения лазера и направления приложенного магнитного поля. Обнаружено влияние поляризации падающего излучения на величину рассеяния света слоем магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Впервые исследовано отличие в формировании дифракционной картины при воздействии механических колебаний на слой магнитной жидкости для случаев ориентации направления магнитного поля параллельно и перпендикулярно плоскости слоя.

7. Для объектов с неоднородной формой поверхности и неоднородных по составу в пространстве координат выявлены особенности формирования интерференционной картины, связанные с конечностью глубины проникновения волны в неоднородный объект. Проведен анализ влияния параметров неоднородных структур на картину интерференции оптического излучения. Обнаружен немонотонной характер зависимости смещения интерференционных полос с ростом толщины металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку. Показано, что для определенной толщины металлических пленок может отсутствовать искривление интерференционных полос на границе тонкой пленки.

8. Показана возможность использования автодинных интерференционных систем для диагностики биологических объектов. В частности, проведены исследования тремора и саккадических движений глаза человека. Показана перспективность применения метода, основанного на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковом лазере, для анализа динамического состояния биообъектов, как средства экологического мониторинга.

Практическая значимость работы

На основе проведенных теоретических и экспериментальных сследований предложены новые способы получения топографического зображения объекта улучшенного качества [35], измерения амплитуд армонических [36] и негармонических вибраций [39,50], распределения мплитуд колебаний по поверхности объекта [40], определения толщины онких металлических пленок на готовых изделиях [37] и в процессе апыления [47], определения толщины прозрачных и полупрозрачных слоев И], измерения рельефа поверхности [43], радиуса кривизны сферических оверхностей [45] и глубины дефектов на поверхности объекта [44], пределение геометрических размеров микропроволки [48] и размера ерромагнитных частиц магнитной жидкости [38], измерение мощности азерного излучения [49], защищенные авторскими свидетельствами и атентами РФ. Созданы устройства на основе вышеперечисленных юсобов, а также устройства наблюдения трехмерного изображения [42] и зделие с уменьшенным уровнем амплитуды паразитной модуляции [46].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Яркость и контраст восстановленного топографического зображения с системой интерференционных полос повышаются при свещении голограммы сопряженной опорной волной и фокусировке еркальной составляющей записывающей и восстанавливаемой волн.

Направление смещения интерференционных полос на границе :еталлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку, зависит т соотношения толщины плети и глубины проникновения в нее волны.

Изгибы интерференционных полос на изображении объекта, арактерные для мест нахождения неоднородности, представляющей собой ключение из другого материала, в одномодовом режиме колебаний, могут аблюдаться в местах отсутствия неоднородности при возбуждении ысших типов механических колебаний объекта.

Интерференционные картины самих неоднородных участков в этом лучае зависят как от параметров материала, входящего в их состав, так и т расположения пучностей колебаний объекта в целом на границах «однородности.

2. Задача восстановления формы негармонических колебаний в голографии с усреднением во времени (обратная задача) может быть решена путем регистрации набора голограмм, созданных при последовательном возрастании частоты модуляции опорного пучка с использованием построения Фурье-функции амплитуды светового поля для каждой измеряемой точки поверхности объекта или при фазовой модуляции опорной волны, и вычислении первой и второй производных от амплитуды поля по фазе опорной волны на частоте, соответствующей гармонике частоты колебаний объекта. Форма негармонических колебаний объекта может быть восстановлена по величине интерференционного сигнала, его производной по времени и Фурье-спектру при изменении стационарного набега фаз.

3. Характер отклонения картины волнового поля при отражении излучения полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью от колеблющегося объекта от картины волнового поля системы без обратной связи зависит от уровня обратной связи, амплитуды вибраций объекта, значений стационарного набега фаз и при определенном наборе отмеченных параметров может совпадать с последней даже при не малом уровне обратной связи.

4. Интерференции волновых полей, взаимодействующих с магнитной жидкостью, характерно сочетание таких типов неоднородности, как изменяющаяся во времени и неоднородная в пространстве координат форма поверхности и изменяющийся во времени и неоднородный в пространстве координат состав. При рассеянии света на прозрачном слое магнитной жидкости в магнитном поле возникает картина чередующихся максимумов и минимумов, характерная для дифракции на квазипериодической решетке агломератов из феррочастиц. В зависимости от ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей при рассеянии света в слое магнитной жидкости наблюдается изменение интенсивности анизотропного рассеяния света, а возбуждение в магнитной жидкости механических колебаний приводит к появлению порогового характера рассеяния света, вызванного разрушением агломератов ферромагнитных частиц.

На защиту выносится также группа новых способов измерений и устройств, созданных на основе выявленных физических закономерностей.

Личный вклад автора

Постановка задач, выбор методов их решения, разработка алгоритмов I программ расчета, обоснование методик эксперимента, получение жспериментальных данных, анализ полученных теоретических и 1кспериментальных результатов большинства работ принадлежит лично штору диссертации. Ряд экспериментальных и теоретических исследований !Ыполнен автором при творческом участии Куренковой О.Н., с помощью ¡отрудников и аспирантов Ермолаева С.А., Вагарина А.Ю., Калинкина VI.Ю., Гангнуса C.B., Котельного A.A., работающих под его научным )уководством. Диссертационная работа выполнена при научном сонсультировании профессора Д.А.Усанова.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на:

► XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустики", Саратов, 1983

» Всесоюзном научном семинаре "Методы синтеза и применение

многослойных интерференционных систем", Москва, 1984 » X Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие

физические методы и средства контроля", Львов, 1984 » Научно-технических совещаниях "Состояние и тенденции развития метрики полупроводниковых и диэлектрических структур", Саратов, 1986, 1990

► II, III и VI Всесоюзных научно-технических семинарах "Применение лазеров в науке и технике", Тольятти, 1989, Иркутск, 1990, 1994

» Нижне-Волжских региональных научных семинарах "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве", Волгоград, 1988, 1989 » XX, XXI, XXIII, XXV Международных, Всесоюзных и Российских школах по когерентной оптике и голографии, Черновцы, 1989, Тольятти, 1990, Москва, 1994, Ярославль, 1997 » Всесоюзном семинаре "Волновые и вибрационные процессы в

машиностроении", Горький, 1989 » Всесоюзных семинарах "Метрология в прецизионном машиностроении", Саратов, 1990

» Международном симпозиуме по измерению и контролю в промышленности с помощью компьютерной лазерной метрологии, Венгрия, 1990

► 1-ой Всесоюзной конференции "Проблемы измерительной техники в волоконной оптике", Н.Новгород, 1991

• IV, V, VI и VII Международных, Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях "Оптические, радиоволновые тепловые методы и средства неразрушающего контроля", Саратов, 1991, 1995, Ульяновск, 1993, Череповец, 1997

• XIII Научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", С.Петербург, 1993

• III Научной конференции "Нелинейные колебания механических систем", Н.Новгород, 1993

• Российской научно-технической конференции "Вибрации машин и технология", Курск, 1993

• Российской с международным участие научно-технической конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии", Москва, 1994

• 2-ом годичном собрании инновационной межвузовской программы "Трансферные технологии, комплексы и оборудование", Саратов, 1993

• Рижской Международной конференции по магнитогидродинамике, Юрмала, 1995

• II Международной конференции по голографии и когерентной оптике, Черновцы, 1995

• 2-й Международной летней школе по проблемам механики сплошной среды, Саратов, 1996

• 2-й Международной Зимней школе по механике сплошных сред, Пермь, 1997

• 7-й Международной конференции по магнитным жидкостям, Плес, 1997

• III Международной конференции "Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление", Воронеж, 1997

• Международной конференции "Проблемы и перспективы щ)ецизионной механики и управления в машиностроении", Саратов, 1997

• Региональной научно-технической конференции " Состояние и проблемы развития эко лого-экономической системы Саратовской области", Саратов, 1997

• Школе по оптике, лазерной физике и оптоэлектронике (ФЦП "Интеграция"), Саратов, 1997.

•

Публикации

По теме диссертации опубликовано 83 работы, из них одна монография, 24 статьи, 10 авторских свидетельств, б Патентов РФ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Работа изложена на 279 страницах, содержит 87 рисунков и список литературы из 487 наименований цитируемых источников, из которых 85 публикации автора диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определена цель заботы, изложена новизна и практическая значимость, представлены )сновные результаты, полученные в ходе работы, и основные положения, (ыносимые на защиту. Также обосновывается личный вклад автора и осматривается краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен анализ закономерностей формирования изображения объектов, с изменяющейся во времени и неоднородной в 1ространстве координат формой поверхности. Формирование изображения солеблющегося объекта рассмотрено с учетом параметров оптической ;истемы, степени пространственной когерентности освещающего илучения, микроструктуры поверхности. Получены выражения для распределения интенсивности света в плоскости наблюдения при условии различной степени когерентности освещающего излучения. Результаты расчета и измерения зависимости радиуса размытия изображения объекта )т амплитуды вибраций приведены на рис.1, из которого следует, что

наблюдается близкая к линейной зависимость радиуса размытия от амплитуды вибраций. Однако, эта линейность может нарушаться, если двойной радиус размытия становится больше размера изображения микр о объекта. Приводятся

результаты расчета и экспериментальных исследований распределения интенсивности света при различных

Рис.1. Зависимость радиуса размытия г от амплитуды амплитудах колебаний объекта И вибраций /„при различных уровнях интенсивности 1/1л

• и при различных условиях степени

тространственной когерентности освещающего излучения. Показано

злияние степени пространственной когерентности и микроструктуры

товерхности на линейность зависимости радиуса размытия от амплитуды

зибраций объекта.

О 2.5 5.0 7.5 / цт

Во второй главе исследованы закономерности формирования интерференционной картины для объектов с изменяющейся во времени и неоднородной в пространстве координат формой поверхности. Для таких объектов проведен анализ формирования интерференционной картины, основанный на топографической регистрации распределения интенсивности света. Решалась проблема восстановления формы негармонических колебаний в голографической интерферометрии с усреднением во времени с использованием последних достижений телевизионной компьютерной диагностики и методов получения голограмм с фазовым сдвигом. Были развиты два подхода к решению поставленной задачи, основанных на применении двух методов временной модуляции: голографии с преобразованием частоты и голографии с фазовой модуляцией опорной волны.

В голографии с преобразованием частоты опорная волна модулируется так, что ее частота смещается, например, увеличивается на величину пш , где п — целое число, а со — основная частота колебаний исследуемого вибрирующего объекта. Если объект совершает сложные периодические колебания, то на усредненной во времени голограмме будет зарегистрировано распределение интенсивности вида

Ни.Г =

| Т

-|ехр(-т©1)ехр[П"(1)]с11

г

, где ГО) = 51п(кю1 + Ек) • 0)

ь=1 А,

Для восстановления спектра механических колебаний объекта необходимо зарегистрировать ряд усредненных во времени голограмм при последовательном возрастании частоты модуляции опорного пучка. Построив численно функцию вида

Дх.у.О^и.ИсовшЛ, (2)

а затем вида

адх.у.о

= ^т77Г = Укт-^2ксо$(Ш+ек) и 8(9 = УЬксо5(кв>1+ек) (3)

I 1 Т~й\

(1-ру

Мх>У) = -г-г-- (4)

легко получить амплитуды спектральных составляющих механического движения объекта из выражения

4л кш

По сравнению с методом преобразования частоты метод фазовой модуляции опорной волны не требует получения высоких частот.

к=1

к=1

1 оследователыгость усредненных во времени голограмм регистрируется 1ри изменении глубины модуляции а опорной волны. Выражение для ! о остановленной комплексной амплитуды Ц, с глубиной модуляции а„ на

тстоте пса запишется в виде

т

ип = — Г ехр 1УФк 5т(кш1 + ек) + 1ап Битю!

Д.

(5)

¡/равнение, связывающее фазу модуляции предметной волны срп со ¡начением функции Ц, и ее производных, имеет вид

(ф. + «„Г К + (фп + «.)(Ц. ~ и.) - п2и„ = 0 . (6)

3,ля вычисления из выражения (6) значения амплитуды спектральной доставляющей колебаний в произвольной точке объекта необходимо то лучить значения амплитуды поля в этой точке и ее первой и второй производных путем изменения глубины модуляции фазы опорного пучка га частоте пш . Изменяя частоту модуляции фазы опорного пучка пш , определяем весь спектр механических колебаний объекта по усредненным зо времени голограммам и, таким образом, восстанавливаем форму солебаний объекта во времени в каждой измеренной точке поверхности объекта. Для обработки такого количества данных целесообразным галяется применение алгоритмов компьютерного анализа изображения, зводимого с помощью видеопроцессора в память вычислительной машины.

3

Рис.2.Схема записи голограммы сфокусированного изображения

Рис.3.Схема восстановления голограммы сфокусированного изображения

Формирование интерференционной картины с учетом геометрических условий суперпозиции предметного и опорного полей и параметров их шшштудно-фазовой структуры исследовалось теоретически и экспериментально.

Было показано, что, в отличие от традиционного восстановления топографического изображения расходящейся сферической волной, восстановление интерференционной картины волной, сопряженной опорной, позволяет повысить яркость изображения за счет того, что формирование изображения происходит сходящейся сферической волной. По схемам записи (рис.2) и восстановления (рис.3) изображения

сопряженной опорной волной зарегистрировано изображение колеблющейся микрополосковой схемы (рис.4) с высоким контрастом интерференционных полос. Показана возможность повышения контраста интерференционной картины, которая может быть достигнута в схеме телевизионного спекл- интерферометра путем вычитания двух изображений объекта, одно из которых соответствует Рис.4. Интерфсрограмма колеблю- исходному состоянию объекта, а другое щейся микрополосковой схемы объекту, находящемуся в состоянии

динамического возбуждения.

В третьей главе приведены результаты исследований закономерностей формирования интерференционной картины для объектов с изменяющейся во времени формой поверхности и неоднородных по составу в пространстве координат. Рассмотрение характера формирования интерференционной картины для таких объектов проведено в топографическом методе усреднения во времени на примере колебаний пластин с неоднородностями в виде включений из другого материала. Используя представление сложного колебания объекта в виде комбинации основного и высших типов колебаний, определен характер изменения собственной частоты и интерференционной картины в зависимости от размеров, состава и местоположения неоднородности.

При проведении экспериментальных исследований для реализации возможности перемещения неоднородности по поверхности пластины использовался ее локальный разогрев лучом ИК лазера. На рис.5а,б приведены интерферограммы собственных колебаний тонкой пластины без воздействия локального термического разогрева (а) и при облучении пластины лучем ИК лазера (б). Как видно из интерферограмм, приведенных на рис.5а и рис.56, воздействие луча лазера привело к искажению интерференционной картины, появлению новых замкнутых интерференционных полос, что соответствует результатам проведенных расчетов.

Такое поведение интерференционной картины при наличии неоднородности было объяснено характером возбуждающихся типов колебаний.

Рис.5. Интерферограммы собственных колебаний тонкой пластины без воздействия локального термического разогрева (а) и при облучении пластины лучем ИК лазера (б)

На рис.6 показан вклад в результирующую картину колебаний мод, возбуждающихся в результате наличия неоднородности. Как видно из рнс.ба, расположение неоднородности в центре пластины приводит к предпочтительному возбуждению типов колебаний, у которых в центре пластины. расположена пучность. Как видно из рис.66, смещение неоднородности из центра пластины приводит к увеличению количества возбуждаемых типов волн. Значительный вклад в интерференционную картину колебаний типа с индексом 2 ( вдоль координаты ОХ) приводит к

Рис.Г). Вклад в картину колебаний тонкой пластины высших типов колебаний при наличии неоднородности с координатами: а - х=0.5, у=0.5, б - х=0.35, у=0.5

формированию дополнительного амплитудного максимума, проявляющегося на интерференционной картине (рис.5) в виде замкнутых полос.

Приведены интерферограммы собственных колебаний микронеоднородных участков тонких пластин. Показано их отличие, обусловленное реализацией на границе микронеоднородности условий возбуждения колебаний, соответствующих либо шарнирному, либо жесткому закреплению микронеодаородности по краям.

В четвертой главе исследованы закономерности формирования интерференционного сигнала в условиях ограниченности апертуры фотоприемншеа. Исследован характер формирования спектра интерференционного сигнала в гомодинной системе для гармонически колеблющегося объекта и для случая возбуждения спектра механический движений. Выявлены закономерности поведения спектра интерференционного сигнала при изменении стационарного набега фаз интерферирующих волн. Установлено, что при изменении стационарного набега фазы между интерферирующими лучами в лазерной гомодинной системе частота гармоники с максимальной амплитудой в спектре интерференционного сигнала негармонических вибраций отражателя изменяется на величину большую основного частотного интервала. Показаны возможности использования выявленных закономерностей для определения степени негармоничности и характера механических колебаний.

Проведено решение обратной задачи для случая сложных движений объекта при одновременном измерении функции интерференционного сигнала и ее производной. Нормированную переменную составляющую интерференционного сигнала можно представить в виде:

U(t) = cos(9+f(t)), (7)

где t — время, 9 — фаза сигнала, f(t) — функция, характеризующая продольные движения объекта, которая в общем случае, может быть представлена в виде интеграла Фурье

+оо +оо

f(t) - | c(v) exp(i'coí) civ, где c(v) = J f(x) ехр(-г'шт) dx. (8)

-oo -oo

Проводя дифференцирование выражения (7) с учетом представления (8), вводя в рассмотрение функцию S(t) следующего вида

S(t) = -- U2(г)]""2 = Jico c(v)exp(zcor) dv (9)

—со

и сравнивая интегральные представления функций /(г) и S(t), можно

заметить, что спектральные плотности этих функций отличаются множителем ico .

Построив на основе экспериментальных данных функцию S(t), можно определить амплитуды c(v) на частотах v подлежащей определению функции f(t), характеризующей движение объекта

c(v) = — f S(t) exp(-icox) dz (10)

г'со J

— oo

и, используя представление (8), восстановить саму функцию /(г).

Определенная трудность при реализации данного метода связана с необходимостью вычисления производной. Кроме того, может возникнуть неоднозначность при построении функции S(t), если не учитывать знак функции в знаменателе (9). Определить изменение знака знаменателя можно по знаку производной U'(t), функцииU(t) и из условия их непрерывности.

Направление движения объекта, совершающего движения произвольного характера, также может быть определено при изменении фазы интерференционного сигнала, либо путем формирования дополнительного оптического канала так, чтобы на второй фотоприемник интерференционный сигнал приходил со сдвигом фазы на величину

(я/2+71«).

На рис.7а представлена форма интерференционного сигнала, полученного при отражении оптического излучения от несинусоидалвно вибрирующего зеркала.

По полученному интерференционному сигналу проводилось восстановление функции колебания зеркала. На рис.7б приведена восстановленная форма колебаний исследуемого объекта по описанной выше методике. Таким образом, впервые показана возможность восстановления формы сложных движений объекта по спектру интерференционного сигнала в гомодинной системе.

В пятой главе проведен анализ закономерности формирования картины волнового поля в отсутствии развязки при наличии внешней оптической обратной связи с источником когерентного излучения. Теоретический анализ влияния обратной связи на характеристики полупроводникового лазера проведен при использовании модели составного резонатора в предположении слабого уровня обратной связи и гармонических

колебаний отражателя. В приближении стационарного поля выражения

для мощности электрического поля Р, концентрации носителей N в активной области лазера и частоты излучаемой моды со лазера с внешним резонатором могут быть записаны в виде:

р = (1->К)/с(к), (11)

= -2(к/гт)-С05(шт), (12)

©„-с = сот + Х-8ш(сот + у), (13)

где X = (х/т(г1) ■ к(1 + а2)''2, со0 - резонансная частота собственного резонатора лазерного диода, угол ц/ - ап%(а), а - коэффициент уширения линии генерации, С>(М) - коэффициент усиления, I - число носителей, инжектируемых в единицу объема за единицу времени, г% - время жизни носителей, обусловленное спонтанной рекомбинацией, т[П - время обхода излучением диодного резонатора, т - время обхода внешнего резонатора, к - коэффициент обратной связи, Он - дифференциальное усиление, -концентрация на пороге генерации лазерного диода без обратной связи.

Из результатов численного решения трансцендентного уравнения (13) следует, что в режиме умеренной обратной связи Х<1 с ростом X отклонение сэ(т)-со0 деформируется из синусоиды в пилообразную зависимость, с резким изменением в точке с фазой со 0т + >|/ = и. При расчете мощности автодинного сигнала предполагалось, что время обхода изменялось по гармоническому закону т = т0 +та • + е), где га = 2с/с,

Е, и О - амплитуда и частота колебаний отражателя, £ - начальная фаза, с - скорость света. На рис.8 приведены результаты расчета зависимости автодинного сигнала от нормированного на период Т времени I и фазовые портреты сигнала автодинной системы с параметрами: Х = 0.8, а = 5, амплитуда вх1брации с = 0.2 • %, стационарный набег фазы со0т0 = 1.6-7г (рис.8а), св0т0 = 0.6 -п (рис.8б). Как видно из рис.8а форма автодинного сигнала близка к синусоидальной, что связано с отсутствием особенности в выбранном интервале набега фазы при колебаниях внешнего зеркала. На рис.8б наблюдаются участки с резким изменением мощности автодинного сигнала.

а - ы0т0=1.бя, б - сопт0=0.б^

Исследована структура фазового портрета интерференционного сигнала в зависимости от величины тока накачки полупроводникового лазера и возможность определения его режима работы по характеру фазовых траекторий. На рис.9 приведены фазовые портреты изменения выходной мощности Р и ее производной с1Р/ск при движении отражателя лазерного излучения для различных значений тока через лазерный диод. Как видно из рис.9, увеличение тока через лазерный диод приводит к последовательному изменению фазовых траекторий, характеризующих вначале переход лазера из режима спонтанного излучения (рис.9а) в лазерный (рис.9б), затем в режим неустойчивой генерации (рис.9в,г) и далее в режим со сложньм характером излучения.

Из результатов проведенных исследований следует, что существуют значения стационарного набега фаз, для которых при заданном уровне обратной связи, начиная с некоторого значения амплитуды вибраций отражателя, наблюдается существенное искажение формы автодинного сигнала по сравнению с формой сигнала в гомодинной интерференционной системе, связанное либо с возникновением режима неустойчивой генерации полупроводникового лазера, либо со сложным характером автодетектирования лазерного излучения. Обнаружено, что влияние внешней оптической обратной связи на интерференционный сигнал вибраций можно уменьшить не только путем уменьшения уровня обратной связи, но и за счет выбора определенных значений фазы интерференционного сигнала.

-0.2 О р/р.

р/р0 О -1.0

-1.0 о

р/р.

о

-0.5

р/р.

О

-0.01

-0.01 О РЯ>о

д

р/рг

Р/Р0

в 0 \ ? : г/

-0.05

0.5 0 Р/Р0 0.05 0 р/р0

Рис.9. Фазовые портреты сигнала ашодиншй системы при движении внешнего отражателя для различных значений тока полупроводникового лазера

В шестой главе исследуется влияние на интерференцию волновых полей сочетания различных типов неоднородности, реализующихся в магнитной жидкости. Проведен анализ формирования дифракционной картины при рассеянии света на тонком слое магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. При приложении к магнитной жидкости магнитного поля падающий пучок света трансформируется в световую полоску. Визуально интенсивность света в полоске воспринимается как однородная. Такая картина дифракции света соответствует случаю его прохождения через систему непрозрачных нитей, расположенных перпендикулярно направлению распространения света. Роль этих нитей в рассматриваемом случае играют упорядочение расположенные феррочастицы. Отличительной особенностью рассматриваемого случая является квазипериодическая прерывистость нитей из феррочастиц и их не строгая пространственная периодичность. Следствием наличия квазипериодичности должно быть существование максимумов и минимумов интенсивности внутри полоски света. Данное предположение было

проверено нами экспериментально. Показано возникновение характерной для дифракции на квазипериодической решетке интерференционной картины, по которой можно оценивать параметр периодичности образующихся агломератов в магнитной жидкости.

Описан эффект влияния поляризации падающего излучения на величину рассеяния света слоем магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле, обусловленный различием

Н, Э

Рис. 10. Зависимость интенсивности рассеянного света от величины магнитного поля: 1 - ЕIIН, 2 - ЕХН

размеров агломератов феррочастиц вдоль и поперек направления вектора электрического поля. На рис.10 приведены зависимости интенсивности рассеянного света от величины приложенного магнитного поля для случая, когда вектор электрического поля ориентирован параллельно направлению магнитного поля Еп (кривая 1) и для случая, когда вектор электрического поля ориентирован перпендикулярно направлению магнитного поля (кривая 2).

Как видно из рис.10, при малых величинах магнитных полей рассеяние света больше для случая, когда вектор электрического поля ориентирован параллельно направлению магнитного поля. С ростом величины приложенного магнитного поля различие в значениях интенсивностей рассеянного излучения для Еп и исчезало. Наблюдающееся

анизотропное светорассеяние было объяснено различием размеров агломератов феррочастиц вдоль и поперек направления вектора электрического поля.

В отличие от исследований процесса агломерации магнитной жидкости процесс разрушения образовавшейся структуры остается менее изученным. Из приведенных результатов следует, что появление рассеяния света с ростом напряженности магнитного поля носит пороговый характер, причем пороговое значение магнитного поля увеличивается с ростом амплитуды колебания магнитной жидкости. Это свидетельствует о том, что воздействие механических колебаний на магнитную жидкость разрушает внутреннюю структуру магнитной жидкости. Исследования воздействия механических колебаний на картину дифракции света проводились также и для случая ориентации направления магнитного поля параллельно плоскости слоя магнитной жидкости. В этом случае воздействие механических колебаний на магнитную жидкость сглаживает дифракционные максимумы на зависимости интенсивности света от координаты. Такое влияние механических колебаний на картину дифракции света существенно отличается от случая ориентации направления магнитного поля перпендикулярно плоскости слоя.

В седьмой главе представлено описание использования выявленных закономерностей для создания новых методов и устройств определения параметров неоднородных материалов. Показана возможность использования эффекта немонотонного смещения интерференционных полос с ростом толщины металлической пленки, нанесенной на диэлектрическое основание, для контроля толщины субмикронных металлических пленок. Предложены новые методы телевизионных измерений рельефа поверхности по характеру интерференционных полос и величине их изгиба, новые методы определения мощности лазерного излучения и амплитуд колебаний по изменению резонансной частоты и интерференционной картине колеблющегося объекта, новые способы интерференционных измерений неоднородных объектов, защищенные патентами и авторскими свидетельствами.

Характер интерференционной картины значительно усложняется при формировании волновых полей, отраженных от биологических объектов. Решение обратной задачи для такого типа объектов является сложной проблемой. Попытки ее решения предпринимались, например, при анализе фазовых портретов биовибраций поверхности кожи. Нами проводились интерференционные исследования микросаюсадических движений глаза и характеристик биений сердца дафнии в токсичной среде. На рис. 11 приведены автодинные сигналы тремора глаза здорового человека и саккадические движения глаза человека с нарушенным нистагмом.

и,

отн.са.

О 42.5 85 1 тс

Рис.11. Интерферорграммы движений глаза: а-длительность саккады 45 мс, б-период тремора 14 мс

Приводятся результаты исследований формирования

интерференционного сигнала биовибраций, полученного при отражении лазерного излучения от сердца пресноводного рачка дафнии при различной степени токсичности водной среды. Показывается возможность применения автодшшой интерферометрии для анализа динамического состояния биологических объектов, как средства экологического мониторинга.

В заключение приведены основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, включающая новые закономерности в формировании интерференционных картин неоднородных объектов, новые физические эффекты, новые способы измерения вибрационных характеристик и параметров неоднородных структур, внедренные в практику, можно рассматривать как решение крупной научной проблемы по исследованию интерференции оптических волновых полей при их взаимодействии с объектами, сочетающими несколько типов неоднородности.

Все основные защищаемые научные положения теоретически обоснованы и подтверждены результатами экспериментов. На их основе разработаны и созданы новые типы оптических устройств, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами, часть из которых внедрена в практику.

Более детально основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Развита теория формирования изображений объектов с изменяющейся во времени и неоднородной в пространстве координат формой поверхности с учетом степени пространственной когерентности освещающего излучения и параметров оптической системы. Показано влияние степени пространственной когерентности и микроструктуры поверхности на точность измерений и на линейность зависимости радиуса размытия от амплитуды вибраций микрообъекта. Показана возможность определения амплитуды колебаний по величине размытия изображения объекта. Установлено, что для повышения чувствительности измерений необходимо уменьшать степень пространственной когерентности освещающего излучения, в то время, как для сохранения линейной зависимости радиуса размытия от амплитуды вибраций ее необходимо повышать.

2. Определены закономерности формирования волновых полей для объектов с изменяющейся во времени и неоднородной в пространстве координат формой поверхности. Показана возможность решения обратной задачи в голографии с временной модуляцией для случаев, когда объект совершает сложные периодические движения. Показана возможность повышения контраста интерференционной картины в телевизионной схеме регистрации колебаний. Обнаружен и описан способ повышения яркости интерференционной картины за счет фокусировки зеркальной составляющей записываемой и восстанавливаемой волн в топографическом методе усреднения во времени.

3. Выявлен характер изменения интерференционной картины для эбъектов с изменяющейся во времени формой поверхности и неоднородных ю составу в пространстве координат. Представляя сложное колебание эбъекта в виде комбинации основного и высших типов колебаний, удалось выявить характер изменения собственной частоты и интерференционной картины в зависимости от размеров, состава и местоположения неоднородности. Показано, что при возбуждении высших типов колебаний механически колеблющегося объекта на его изображении в местах отсутствия неоднородности могут наблюдаться, характерные для мест нахождения неоднородности в одномодовом режиме колебаний, изгибы интерференционных полос. Установлено, что амплитуда возбуждающихся высших типов колебаний максимальна при расположении неоднородности в его пучности и минимальна при ее расположении в узловых точках.

4. Обнаружены закономерности поведения спектра интерференционного сигнала в гомодинной лазерной системе при вибрационном нагружении входящего в его состав отражателя от амплитуды и величины негармоничности колебаний объекта. Установлено, что при изменении стационарного набега фазы между интерферирующими лучами в лазерной гомодинной системе частота гармоники с максимальной амплитудой в спектре интерференционного сигнала негармонических вибраций отражателя изменяется на величину большую удвоенного значения частоты колебаний объекта. Показана возможность определения параметров негармонических колебаний объекта при изменении фазы интерференционного сигнала гомодинной системы.

5. Установлены закономерности формирования автодинного сигнала полупроводникового лазера в зависимости от уровня обратной связи для гармонически колеблющегося отражателя. Показано, что влияние внешней оптической обратной связи на интерференционный сигнал вибраций можно устранить не только путем уменьшения уровня обратной связи, но и за счет выбора определенных значений фазы интерференционного сигнала. Показана зависимость структуры фазового портрета от величины тока накачки полупроводникового лазера и возможность определения его режима работы по характеру изменения траекторий фазового портрета.

6. Установлены закономерности формирования интерференционных картин для объектов, характеризующихся наличием нескольких типов неоднородностей, на примере структурированных магнитных жидкостей.

Обнаружен и описан эффект возникновения дифракционных максимумов при рассеянии света на прозрачном слое магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле, ориентированное вдоль границ плоского слоя. Обнаружен эффект влияния поляризации падающего излучения на величину рассеяния света слоем магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле. Экспериментально обнаружено, что воздействие механических колебаний на магнитную жидкость, помещенную в магнитное поле, может при соответствующих амплитудах возбуждаемых колебаний и направлениях внешнего магнитного поля приводить к разрушению внутренней структуры жидкости.

7. Установлена зависимость изменения фазового сдвига излучения, отраженного от двухслойной ограниченной структуры, от глубины проникновения волны в проводящую пленку. Обнаружен эффект немонотонной зависимости смещения интерференционных полос с ростом толщины металлической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку.

8. Предложены новые способы получения топографического изображения объекта улучшенного качества, измерения амплитуд гармонических вибраций и распределения амплитуд колебаний по поверхности объекта, определения толщины тонких металлических пленок на готовых изделиях и в процессе напыления, определения толщины прозрачных и полупрозрачных слоев, измерения рельефа поверхности, радиуса кривизны сферических поверхностей и глубины дефектов на поверхности объекта, определение геометрических размеров микропроволки и размера ферромагнитных частиц магнитной жидкости, измерение мощности лазерного излучения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ. Предложенные и созданные устройства на основе вышеперечисленных способов, а также устройства наблюдения трехмерного изображения и изделие с уменьшенным уровнем амплитуды паразитной модуляции отличаются от известных улучшенными техническими характеристиками. Новые методы и устройства, защищенные авторскими свидетельствами N 1411576 и N 1442817, использовались на предприятиях СНИИМ (Саратов), НИИЯФ при Томском политехническом университете, МП "Спринт" (Москва), СГУ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Телевизионная измерительная микроскопия -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1996. 139 с.

2. Скрипаль A.B., Усанов Д.А. Анизотропное рассеяние поляризованного света в слое магнитной жидкости // Письма в ЖТФ. 1997. Т.23. Вып.17. С.7-10.

3. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Ермолаев С.А. Дифракция света на агломератах слоя магнитной жидкости в магнитном поле // Письма в ЖТФ. 1997. Т.23. Вып.З. С.64-67.

4. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Вагарин А.Ю., Скрипаль Ан.В., Потапов В.В., Шмакова Т.Т., Мосияш С.С. Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъектов II Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. Вып.5. С.39-43.

5. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Особенности интерференции на границе тонкая металлическая пленка - диэлектрическое основание // Журнал технической физики. 1994. Т.64. N5. С.72-77.

6. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Интерференционные картины колебаний пластин с неоднородностями // Журнал технической физики. 1995. N2. С. 108-115.

7. Усанов Д.А., Куренкова О.Н., Скрипаль A.B. Особенности отражения лазерного излучения от структур диэлектрик-металл // Оптика и спектроскопия. 1987. Т.63. N6. С. 1320-1324.

8. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Калинкин М.Ю. Формирование автодинного сигнала в полупроводниковом лазере при движении внешнего отражателя II Изв. Вузов «Прикладная нелинейная динамика». 1998. Т.6. №1. С.3-9.

9. Вагарин В.А., Скрипаль A.B., Усанов Д.А. Измерение негармонических вибраций спектральным гомодинным методом // Автометрия. 1995. N3. С.103-105.

10. Вагарин В.А., Скрипаль A.B., Усанов Д.А. Об ограничениях в применении спектрального метода определения амплитуды вибраций //Автометрия. 1994. N 1. С.89-90.

11. Куренкова О.Н., Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Свободные колебания тонких пластин с неоднородностями // Проблемы прочности. 1984. N8. С.95-98.

12. Gangnus S.V., Skripal A.V., Usanov D.A. Nonharmonic vibration amplitude measurement by spectral homodyne method // Photonics and Optoelectonics. 1997.Vol.3. N4. P.167-172.

13. Усанов Д.А., Тупикин В.Д, Вагарин А.Ю., Куренкова О.H., Скрипаль A.B. Голографическая микроскопия / Обзоры по электрон, технике. Сер.8. - М.: Изд-во ЦНИИ "Электроника", 1991. Вып.1. 75с.

14. Usanov D.A., Skripal A.V., Kurenkova O.N. Laser vibrodiagnostics of nonhomogenious materials // Measurement. 1993. V.l 1. N 3. P.257-264.

15. Usanov D.A., V.P.Ryabukho, Skripal A.V. Television diagnostics of microobjects at vibrating excitation // Measurement. 1997. Vol.20. N.4. P.219-225.

16. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Ермолаев C.A. Визуальное наблюдение агломератов в объеме магнитной жидкости // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. N22. С.81-84.

17. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Ермолаев С.А., Панов В.В. Поведение магнитной жидкости при воздействии постоянного магнитного поля и механических колебаний. // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. N17. С. 1-4.

18. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В, Ермолаев С.А. Анизотропия отражения СВЧ-излучения от ферромагнитной жидкости //Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып.23. С.44-45.

19. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Ермолаев С.А. Резонансное отражение СВЧ излучения от магнитной жидкости // Письма в ЖТФ. 1993. Т.19. N16. С.47-50.

20. Усанов Д.А., Куренкова О.Н., Скрипаль А.В. Определение толщины пленок • жидкости интерференционно-голографическим методом // Метрология. 1985.

N1. С.60-62.

21: Усанов Д.А., Куренкова О.Н., Скрипаль А.В., Дарченко А.О., Тупикин В.Д. Телевизионная установка для измерения рельефа поверхности //ПТЭ. 1991. N1. С. 244-245.

22. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин В.А. Определение амплитуды колебаний оптическим гомодинным методом по высшим гармоникам // ПТЭ. 1994. N6. С.612-165.

23. Усанов Д.А., Куренкова О.Н., Скрипаль А.В. Применение голографического микроскопа для исследования колебаний микронеоднородностей // Дефектоскопия. 1986 N5. С.92-94.

24. Скрипаль А.В., Гангнус С.В., Усанов Д.А. Голографическая интерферометрия несинусоидальных вибраций // Когерентная оптика и голография: Труды XXV Школы-симпозиума. - Ярославль: Изд-во Я ГПУ, 1977. С. 177-182.

25. Skripal A.V., Usanov D.A., Kurenkova O.N. Television vibrodiagnostics in coherent light. // Proc SPIE. Vol.2647.1995. P.273-281.

26. Usanov D.A., Skripal A.V., Ermolaev S.A. Microwave and ultrasound methods of size determination of ferromagnetic particles and aglomerates in magnetic fluid // Book of Abstracts of the 14th International Rigal Conference on Magnetohydrodynamics. - Jurmala. Latvia. 24-26 August, 1995. 203 p.

27. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Куренкова O.H. Определение вибрационных характеристик изделий электронной техники методами голографической интерферометрии // Лазерная интерферометрия: Межвуз.сб. научных трудов -Москва. 1989. С.50-55.

28. Kurenkova O.N., Usanov D.A., Skripal A.V. Laser vibrodiagnostics of nonhomogenious materials // Symposium on measurement and inspection in industry by computer aided laser metrology. - Balatonfured, Hungary, 1990. P.63-64.

19. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Вагарин В.А., Васильев М.Р. Оптические гомодинные методы измерений // Зарубежная радиоэлектроника. 1995. N6. С.43-48.

50. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Ермолаев С.А. СВЧ и ультразвуковые методы определения размеров ферромагнитных частиц и агломератов магнитной жидкости //Магнитная гидродинамика. 1996. Т.32. N4. С.503-508.

31. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Вагарин АЛО., Скрипаль Ан.В., Потапов В.В., Шмакова Т.Т., Мосияш С.С. Лазерный автодинный метод контроля динамического состояния биообъектов //Конверсия. 1997. №10. С.53-55.

32. Скрипаль A.B. Применение голографической интерферометрии для вибрационного анализа параметров неоднородных структур //Методы и системы технической диагностики: Межвуз. сб. науч. трудов. Изд-во Сарат. унта, 1988. Вып.2. С.57-59.

33. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Интерферометрия негармонических колебаний // Проблемы оптической физики: Материалы молодежи, научн. школы по оптике, лазерной физике и оптоэлекгронике - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 1997. С. 19-23.

34. Скрипаль A.B. Применение голографической интерферометрии для вибрационного контроля качества изделий электронной техники // Диагност, применения лазеров и волоконной оптики: Межвуз. сб. науч. трудов. 4.2. Саратов, 1989. С. 12-16.

35. Патент РФ 2006056. Способ получения голографического изображения объекта / Д.А.Усанов, И.С.Клименко, А.В.Скрипаль. Опубл. 1994.

36. Патент РФ 2060475 МКИ G 01 Н 9/00. Способ измерения амплитуд гармонических колебаний // Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, В.А.Вагарин. Опубл. 20.05.96. Бюл.14.

37. Патент РФ 1742612 МКИ G 01 В 11/06. Способ определения толщины пленки / Д.А.Усанов, В.Д.Тупикин, А.В.Скрипаль. Опубл. 23.06.92. Бюл.23.

38. Патент РФ N 2054651. Способ определения размера ферромагнитных частиц магнитной жидкости. /Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, С.А.Ермолаев. Опубл. 20.02.1996. Бюл.№5.

39. Патент РФ № 2097710. Способ исследования колебаний // Д.А.Усанов, А.В.Скрипаль, В.А.Вагарин. Опубл. 27.11.1997. Бюл.№33.

40. A.c. 1308841 СССР МКИ G 01 Н 9/00. Способ измерения распределения амплитуд колебаний объекта и устройство для его осуществления / Усанов Д.А., Куренкова О.Н., Скрипаль A.B. - 0публ.07.05.87. Бюл.18.

41. A.c. СССР N 1772627. Способ измерения толщины тонких прозрачных и полупрозрачных слоев / Д.А.Усанов, О.Н.Куренкова, А.В.Скрипаль. 0публ.30.07.92. Бюл.40.

42. A.c. 1734067 СССР МКИ G 02 В 21/18. Устройство для наблюдения изображений / Д.А.Усанов, О.Н.Куренкова, А.А.Авдеев, А.В.Скрипаль, В.Д.Тупикин, А.О.Дарченко. Опубл. 15.05.92. Бюл. N18.

43. A.c. 1315800 СССР МКИ G 01 В 11/24, 9/02. Способ измерения рельефа микрообъектов / Д.А.Усанов, О.Н.Куренкова, А.В.Скрипаль, А.А.Авдеев. Опубл. 07.06.87. Бюл. N21.

44. A.c. 1442817 СССР МКИ G 01 В 9/02, 11/30. Способ определения глубины дефектов на поверхности объекта / Д.А.Усанов, В.Д.Тупикин, О.Н.Куренкова, А.В.Скрипаль, А.А.Авдеев. Опубл. 07.12.88. Бюл. N45.

45. A.c. 1411576 СССР МКИ G 01 В 11/24, 9/02. Способ измерения радиуса кривизны сферических поверхностей объектов / Д.А.Усанов, В.Д.Тупикин, О.Н.Куренкова, А.В.Скрипаль, А.А.Авдеев - Опубл. 23.07.88. Бюл. N27.

46. A.c. 1450073 СССР МКИ Н 03 Д 9/02. СВЧ устройство / Д.А.Усанов, О.Н.Куренкова, А.В.Скрипаль, С.С.Горбатов, А.Н.Абрамов. Опубл. Бюл.Ш. 1989.

47. A.C. 1448821 СССР. 1988. Способ контроля толщины пленок в процессе напыления / Д.А.Усанов, В.Д.Тупикин, Ал.В.Скрипаль, Ан.В.Скрипаль.

48. A.c. СССР N 1732179. Способ определения геометрических размеров микропроволоки / Д.А.Усанов, О.Н.Куренкова, А.В.Скрипаль. Опубл.1992.

49. A.c. 1407214 СССР. 1988. Способ измерения мощности излучения / Усанов Д.А., Куренкова О.Н., Скрипаль A.B.

50. Патент РФ № 2098776. Способ исследования периодических колебаний // ДЛ.Усанов, А.В.Скрипаль, В.А.Вагарин, М.Ю.Калинкин. Опубл. 10.12.1997. Бюл.№34.

Подписано к печати 12.05.98. Бум. SvetoCopy Уч.-изд.л. 1,4

Тираж 100

Формат 60x84 1/16. Усл.-печ.л. 1,60 (2,0)

/

7/ У .¿. Ы

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Л^ 4,./ Щ Ч'Э-^/Ь На правах рукописи

УДК 535.39: 621.373

- \

СКРИПАЛЬ АНАТОЛИИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ОБЪЕКТАМИ, СОЧЕТАЮЩИМИ НЕСКОЛЬКО ТИПОВ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

01.04.05 - оптика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: профессор, доктор физ.мат.-наук, академик МАН ВШ Усанов Д.А.

Саратов 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

1. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВО ВРЕМЕНИ И НЕОДНОРОДНОЙ В ПРОСТРАНСТВЕ КООРДИНАТ ФОРМОЙ ПОВЕРХНОСТИ...................24

1.1. Формирование изображения колеблющегося объекта в условиях некогерентного освещающего излучения...................................................24

1.2. Распределение интенсивности в изображении колеблющегося объекта при когерентном освещении.......................................................................30

1.3. Экспериментальные результаты.............................................................36

1.4. Краткие выводы и результаты................................................................39

2. ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ ОБЪЕКТОВ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВО ВРЕМЕНИ И НЕОДНОРОДНОЙ В ПРОСТРАНСТВЕ КООРДИНАТ ФОРМОЙ ПОВЕРХНОСТИ...................42

2.1. Анализ формирования топографического изображения объектов

с изменяющейся во времени и неоднородной в пространстве координат формой поверхности........................................................................................46

2.2. Голографическая интерферометрия негармонических колебаний ....50

2.2.1. Метод преобразования частоты....................................................51

2.2.2. Метод фазовой модуляции............................................................53

2.3. Повышение яркости интерференционной картины при голографической диагностике вибраций................................................56

2.4. Повышение контраста интерференционной картины в телевизионной схеме регистрации колеблющихся объектов.................................................64

3. ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ ОБЪЕКТОВ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВО ВРЕМЕНИ ФОРМОЙ ПОВЕРХНОСТИ И НЕОДНОРОДНЫХ ПО СОСТАВУ В ПРОСТРАНСТВЕ КООРДИНАТ ....72

3.1. Анализ влияния неоднородностей в виде включений из другого материала на форму колебаний тонких пластин..........................................72

3.2. Исследование влияния на интерференционную картину колебаний местоположения неоднородностей................................................................80

3.3. Экспериментальное исследование влияния неоднородностей на колеблющийся на собственной частоте объект.........................................88

3.4. Интерференционная картина собственных колебаний неоднородных участков...............................................................................92

4. ФОРМИРОВАНИЕ СПЕКТРА ВОЛНОВОГО ПОЛЯ, ОБРАЗОВАННОГО ОТРАЖЕНИЕМ ОТ ВИБРИРУЮЩИХ НЕОДНОРОДНЫХ СТРУКТУР.....................................................................98

4.1. Характер интерференции оптического излучения

при движении отражателя..........................................................................99

4.2. Анализ спектра волнового поля, образованного

отражением от гармонически вибрирующих объектов..........................105

4.3. Влияние негармонических вибраций на спектр

интерференционного сигнала...................................................................114

4.3.1. Влияние стационарного набега фазы

на спектр интерференционного сигнала.........................................115

4.3.2. Восстановление формы сложного движения объекта при одновременном измерении функции интерференционного сигнала и ее производной................................................................120

4.3.3. Восстановление формы сложного движения объекта

по экстремумам огибающей интерференционного сигнала..........125

4.4. Краткие выводы..................................................................................130

5. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА КАРТИНУ ВОЛНОВОГО ПОЛЯ, ОБРАЗОВАННОГО ОТРАЖЕНИЕМ ОТ ВИБРИРУЮЩЕГО ОБЪЕКТА...............................................................131

5.1. Влияние внешней оптической обратной связи на

характер искажений интерференционного сигнала................................132

5.2. Автодинное детектирование в полупроводниковом лазере

при движении внешнего отражателя........................................................147

5.3. Формирование фазового портрета автодинного сигнала вибраций при изменении режима генерации полупроводникового лазера.......................................................................................................154

5.4. Краткие выводы..................................................................................156

6. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА АГЛОМЕРАТАХ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ...................................................................................................158

6.1. Дифракция света на агломератах магнитной жидкости

в постоянном магнитном поле..................................................................158

6.2. Анизотропное рассеяние поляризованного света

в слое магнитной жидкости.......................................................................173

6.3. Дифракция света на агломератах магнитной жидкости при воздействии постоянного магнитного поля и механических колебаний..................................................................................................178

6.4. Краткие выводы..................................................................................187

7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫЯВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.........................................................188

7.1. Анализ влияния параметров ограниченной неоднородной структуры на картину интерференции.....................................................188

7.2. Измерения параметров тонких металлических пленок...................196

7.3. Телевизионные измерения рельефа поверхности и

определение параметров микрообъектов.................................................202

7.4. Определение мощности лазерного излучения и амплитуды колебаний по изменению резонансной частоты и интерференционной картине колеблющего объекта..................................................................220

7.5. Интерференционные исследования биологических объектов.......228

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................240

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................244

ВВЕДЕНИЕ

К числу новых научных направлений современной оптики можно отнести исследования интерференции волновых полей при их взаимодействии с неоднородными материалами и структурами. Важным фактором, стимулировавшим проведение таких исследований, было открытие и широкое внедрение в практику различных типов когерентных источников, способствовавших реализации различных методов интерферометрии и голографии [1-20]. Следует отметить, что результаты исследования характера формирования картины интерференции волновых полей могут быть положены в основу контроля параметров неоднородных материалов и структур, как при конструировании различных покрытий и изделий электронной техники, так и при реализации интерференционных методов измерения.

Вопросам формирования интерференционной картины посвящено значительное число работ [21-40]. Однако, несмотря на многочисленность проводимых исследований в этой области науки явление интерференции света продолжают интенсивно изучать. Обусловлено это сложностью описания процесса формирования картины интерференции, характер которой определяется изменением амплитудно-фазовых параметров волновых полей до и после взаимодействия с выбранным объектом. Особенности интерференции волновых полей наблюдаются уже при рассмотрении вопросов формирования изображений [26,27,41].

Различные виды искажения изображений, например, изменение яркости и контраста обусловлены как характером преобразования волновых полей оптической системой, так и свойствами самого объекта, а именно, его пространственной ограниченностью, соотношением величины отдельных элементов объекта с длиной волны излучения, микроструктурой поверхности.

При формировании пространственной картины интерференции волновых полей характер смещения интерференционных полос, искажение их формы и появление замкнутых интерференционных полос в плоскости регистрации обусловлены фазовой неоднородностью объекта, многослойностью структуры, неоднородностью по профилю и по составу, динамическим состоянием объекта.

Особым случаем интерференции волновых полей является формирование интерференционного сигнала в условиях ограниченности размеров апертуры

фотоприемника [33,34]. В этом случае характер изменения амплитудно-частотных характеристик интерференционного сигнала обусловлен как нелинейным характером зависимости частоты интерференционного сигнала от амплитуды механических колебаний, так и возбуждением в объекте спектра частот или непериодических колебаний.

Существует большой класс материалов и структур, для которых интерференционная картина оказывается очень чувствительной к различным проявлениям неоднородного характера выбранного объекта. Так, например, было показано влияние рельефа и микроструктуры поверхности на формирование пространственной картины волнового поля [11-13,15-17,22-24,34,37,69]. Исследовано влияние параметров фазовых объектов на рассеяние света [10,21,29,39-43,51-54]. Установлены закономерности формирования интерференционных картин вибрирующих объектов [11,17,28,30,34,38,66-73]. Однако, во многих случаях не установлены пределы применимости принятого математического описания процессов формирования волновых полей. Кроме того, формирование интерференционной картины исследовано для ограниченного числа неоднородных объектов.

В общем случае под неоднородным объектом понимается широкий класс структур из различных материалов. Это могут быть объекты со случайно неоднородной структурой поверхности, многослойные и многофазные объекты, объекты неоднородные по составу и объекты с макровключениями.

В настоящее время наибольшее число исследований посвящено объектам с одним типом неоднородности, таким как объекты с неоднородной формой поверхности в пространстве координат S(z) [11-13,15,16,22,24,37,68], объекты с изменяющейся во времени формой поверхности S(t) [14,17,29,55,56,66], объекты неоднородные по составу в пространстве координат N(z) [21,25,29,40,43] и объекты с изменяющимся во времени составом N(t) [7,38,50].

Для объектов, характеризующихся наличием одновременно двух типов неоднородности, исследования интерференции света проводились для сравнительно узкого круга задач [9-13,28,34,69, 70,77,78]. В частности, такие исследования проводились для объектов с изменяющейся во времени и неоднородной в пространстве координат формой поверхности S(z,t), а также для объектов с изменяющимся во времени и неоднородным в пространстве координат составом

Сравнительно мало работ посвящено исследованию интерференции света для объектов с неоднородной формой поверхности в пространстве координат и с изменяющимся во времени составом Б (г), N(1), а также для объектов с изменяющейся во времени формой поверхности и неоднородных по составу в пространстве координат 8(1), 1Ч(г). Для объектов с тремя и более типами неоднородностей вопросы интерференции волновых полей практически рассмотрены не были.

Одновременное сосуществование различных типов неоднородностей объекта может значительно усложнить характер интерференционной картины. Например, сочетание таких свойств объекта как:

- неоднородность по форме и случайная структура поверхности приводит к изменению контраста интерференционной картины и искажению формы интерференционных полос,

- неоднородность по составу в пространстве координат и изменяющаяся во времени форма поверхности приводит к необходимости решать задачи восстановления спектра и формы сложных колебаний объектов.

При этом оказывается невозможным судить о характере неоднородности объекта по интерференционной картине с использованием традиционных представлений.

При теоретическом описании и экспериментальных исследованиях интерференции волновых полей оказывается необходимым рассматривать не только влияние параметров неоднородных объектов на характер интерференционной картины, но и характер движения неоднородного объекта, подвергающегося вибрационному возбуждению. Естественно, что многообразие возможных ситуаций при этом, сложность и высокая трудоемкость интерференционных и голографических экспериментов обусловливают трудности выявления всех основных закономерностей в интерференции волновых полей чисто эмпирическим путем. Теоретическое описание затруднено тем, что при взаимодействии волн с колеблющимися элементами на характер интерференционных картин оказывают влияние многие факторы, связанные с формированием изображения оптической системой, степенью когерентности освещающего излучения, микроструктурой поверхности.

В настоящее время можно считать изученным в значительной части интерференцию оптического излучения, отраженного от неподвижных

неоднородных объектов, вопросам которой посвящено значительное число публикаций, в том числе монографии Борна М. и Вольфа Э. [41], Островского Ю.Н., Щепинова В.П. и др. [6,38], Веста Ч. [42], Джоунса Р. и Уайкса К. [11], Сороко JI.M. [2], Зейликовича И.С. и др. [40], Нагибиной И.М. [6], Розенберга Г.В. [43], Гинзбург В.М. и Степанова Б.М. [9], и др. [44-46]. В работах Гудмана Дж. [15,16], Троицкого И.Н. [47], Бакута П.А. [48], Parry G. [49], Локшина Г.Р. [24], Власова Н.Г. [23,50], Рябухо В.П. [34] и др. [51,52] излагается теория изображений, получаемых при когерентном освещении, учитывающая случайный характер микроструктуры поверхностей освещаемых объектов, их макрорельеф, смещения и деформации. Исследуются статистические характеристики спекл структуры. Однако вопросы теории формирования изображений при различной степени когерентности освещения неоднородных вибрирующих объектов остались без внимания исследов ателей.

Вопросам формирования интерференционных картин вибрирующих объектов посвящены работы Островского Ю.Н. и др. [6,39], Андрущака Е.А., Тычинского В.П. [53,54], Клименко И.С. [13], Веста Ч. [42], Коронкевича В.П. и др. [14], Yamaguchi I. [55], Vikram C.S. [56], Creath К. [57] и др. [58,59]. При исследовании интерференции оптического излучения, отраженного от колеблющихся неоднородных объектов, картина интерференции усложняется из-за возбуждения в неоднородном объекте спектра волн. Известный из работ Стетсона К.А., Молина Н.Е., Вильсона А.Д. [60-67], анализ характера интерференционных картин колебаний ранее проводился лишь для случаев, когда объект участвует одновременно в комбинации известного количества отдельных движений как зависимых, так и независимых во времени. При исследовании собственных колебаний неоднородных структур возникает неопределенность при оценке количества и вида зависимых движений, что не позволяет воспользоваться результатами проведенного ранее анализа.

Одним из вопросов оптической интерферометрии, широко обсуждавшемся в отечественной и зарубежной литературе, является получение параметров вибраций исследуемых объектов по картине волнового поля, образованного отражением от вибрирующих объектов [14,68-75]. Несмотря на многочисленные публикации по этому вопросу оказалось, что теория анализа такой картины недостаточно развита для нового класса измерителей, получивших в последнее время широкое

распространение, основанных на полупроводниковом источнике когерентного излучения. Кроме того, необходимость такого анализа обусловлена и широким внедрением процессорной и компьютерной техники в процесс измерений, позволяющей значительно облегчить и ускорить обработку интерферирующих волновых полей.

Однако использование в измерительных системах в качестве источников когерентного излучения полупроводниковых лазеров, в ряде случаев привело к искажению интерферирующих волновых полей вследствие значительного влияния параметров внешней оптической обратной связи на режим генерации когерентного излучения полупроводниковым лазером.

Вопросам внешней оптической обратной связи посвящены работы отечественных ученых Басова Н.Г. [80], Берштейна И.Л. [81], Ривлина J1.A., Семенова А.Т., Якубовича С.Д. [82-84], Елисеева П.Г. [85] и др.[86-89], а также зарубежных авторов Ван дер Зила Дж. [90], Тсанга У. [91], Petermann К. [92] и др. [93-95]. Влиянию внешней оптической обратной связи на ватт-амперные характеристики, спектр излучения, условия перехода в режим неустойчивой генерации и др. посвящены работы Läng R., Kobayashi К. [96], Olesen Н., Osmundsen J., Tromborg В. [97,98] и др. [98-103]. На практике представляет интерес анализ влияния параметров обратной связи на характер искажений картины волнового поля, образованного отражением от вибрирующих объектов, не учет которой может привести к получению неверной информации о параметрах вибрирующего объекта.

Т.о., анализ исследований, посвященных формированию интерференционной картины неоднородных объектов, позволяет сделать вывод о том, что до настоящего времени целенаправленного комплекса теоретических и экспериментальных исследований закономерностей, проявляющихся при взаимодействии оптических волновых полей с объектами, сочетающими несколько типов неоднородности, проведено не было.

Проведение комплекса таких исследований актуально, так как в результате может быть проведен анализ интерференции волновых полей, для более общих случа