Интерференция волн оптического излучения. Голографическая интерференция

В широком смысле интерференция волн (от латинских inter - взаимно и ferio - ударяю) - сложение в пространстве двух или более волн, при котором в разных точках пространства происходит усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Устойчивая интерференционная картина наблюдается для когерентных волн при одинаковой частоте колебаний и постоянной разности фаз между ними. При сложении двух когерентных колебаний с одинаковой поляризацией результирующая амплитуда колебаний Ат в какой-либо точке пространства равна:

где Ат и Ат2 - амплитуды отдельных колебаний, ф - фазовый сдвиг между ними.

Пусть на некоторую плоскость (экран) падают световые волны от двух источников И) и И2 (рис. 9.9, а) с силой света, соответственно, 1 и /2. В случае если источники независимы, а каждый из них дает деполяризованное оптическое излучение, суммарная сила света в некоторой точке экрана равна сумме, 1 = 1]+ /2, интенсивностей света отдельных источников. Иначе обстоит дело при интерференции световых пучков двух источников одинаково поляризованных когерентных световых волн. Обычно такие волны получают расщеплением светового пучка от одного и того же источника монохроматического излучения. В этом случае законы изменения напряженности электрической составляющей световых волн в точке экрана описываются выражениями:

где Ет|, Ет и ф|, ф2 - амплитуды и фазы напряженности для первого и второго светового пучка.

Амплитуда Ет результирующей световой волны в данной точке экрана согласно (9.14) равна:

Интерференция оптических излучений от двух источников (а) и зависимость результирующей сизы света от сдвига фаз (б)

Рис. 9.9. Интерференция оптических излучений от двух источников (а) и зависимость результирующей сизы света от сдвига фаз (б)

Сила света связана с амплитудой напряженности электрической составляющей соотношением

Подстановкой (9.16) в (9.17) получаем

Если для упрощения анализа выражения (9.18) принять, что напряженность электрических составляющих и соответственно сила света обоих световых пучков одинакова: Ет[ = Ет2 = Ет0 и /, = /2 = /о, получим

Анализ полученного выражения, определяющего распределение интенсивности света на экране (рис. 9.9, б), показывает, что результирующая сила света зависит от сдвига фаз и может изменяться от нуля (при разности фаз равной л, Зл, 5л, ...) до 4/0 (при разности фаз равной нулю либо кратной 2л). Вследствие этого на экране будет наблюдаться интерференционная картина, представляющая собой чередование темных и светлых полос.

Причиной возникновения разности фаз при принятом допущении о получении двух интерферирующих световых пучков от одного источника могут быть либо различная длина пути от источника до точки экрана, либо различные показатели преломления сред на пути распространения световых пучков:

234

где А0 - длина световой волны в вакууме (воздухе); Х - длина пути, проходимого первым световым пучком в среде с показателем преломления щ х2- длина пути, проходимого вторым световым пучком в среде с показателем преломления п2.

В наиболее распространенном частном случае, когда п = п = 1, выражение (9.20) приобретает вид

Анализ полученной зависимости показывает, что изменение разности пройденных световыми пучками расстояний всего лишь на половину длины волны (для видимого света « 0,25 мкм) приводит к изменению разности фаз на величину л, что эквивалентно изменению силы света с нулевого значения до значения, превышающего силу света одного пучка в 4 раза. Следовательно, изменение любого из расстояний Х или х2 на доли микрона приводит к радикальному изменению интерференционной картины на экране, что позволяет использовать интерференцию для измерительного преобразования столь же малых перемещений и деформаций.

Еще более высокими информативными возможностями обладает разновидность интерференции, называемая голографической.

Голография (от греческих holos - весь, полный и grapho - пишу) - способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой.

Основы голографии были заложены в 1948 году английским физиком Д. Габором.

Существует множество вариантов записи и восстановления голограмм. На рис. 9.10, а иллюстрируется так называемая двухлучевая схема записи голограммы. Опорная волна (опорный пучок ОП) от источника И направляется на регистратор голограммы Г с помощью отражателя О. Предметная волна (предметный пучок) образуется отражением световой волны источника от предмета и также направляется на регистратор голограммы Г. Получаемая в этом случае интерференционная картина - голограмма - будет представлять собой изображение предмета чередующимися интерференционными полосами максимальной и минимальной освещенности. Участки максимальной освещенности будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Участки минимальной освещенности будут соответствовать тем участкам, где предметная и опорная волны находятся в противофазе. Голограмма регистрируется фотоматериалом или каким-либо другим носителем.

Двухлучевая схема записи (а) и восстановления (б) голограмм

Рис. 9.10. Двухлучевая схема записи (а) и восстановления (б) голограмм:

И - источник излучения; О - отражатель; П - предмет; ОП - опорный пучок;

ПП - предметный пучок; Г - голограмма: МИ - мнимое изображение:

ДИ - действительное изображение

Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником И, создающим копию опорной волны (рис. 9.10,6). При этом образуются два объемных изображения: мнимое МИ и действительное ДИ. Мнимое изображение, расположенное за голограммой, является точной копией объекта и позволяет производить исследования традиционными оптическими методами, например фотографированием. Действительное изображение, расположенное перед голограммой, является псевдоско- пической (выгнутые участки объекта наблюдаются как вогнутые и наоборот) копией объекта и кроме исследования традиционными методами допускает исследование с помощью экрана, который располагается в нужном сечении изображения объекта и позволяет получать его голограммы.

Основное свойство голограммы, отличающее се от обычной фотографии, заключается в том, что на фотографии регистрируется лишь распределение освещенности в падающей на нес световой волне, в то время как на голограмме регистрируется также распределение фазы предметной волны. Информация об амплитуде предметной волны записывается на голограмме в виде контраста интерференционной структуры (более яркие или менее яркие участки интерференционных полос). Информация о фазе записывается на голограмме в виде формы и частоты интерференционных полос. Именно поэтому голограмма может быть использована для восстановления при освещении ее опорной волной копии предметной волны со всеми амплитудными и фазовыми подробностями. Это даст возможность получения объемного изображения объекта, а кроме того ооеспечивает при решении ряда измерительных задач значительное увеличение информативности и разрешающей способности по сравнению с традиционными оптическими методами.

Голографическое изображение фрагмента объекта с зоной локальной деформации (выделена штриховкой)

Рис. 9.11. Голографическое изображение фрагмента объекта с зоной локальной деформации (выделена штриховкой)

На рис. 9.11 показан фрагмент голографического изображения детали, подвергаемой локальной деформации. На этом изображении хорошо виден результат деформации, проявляющийся в локальном искажении интерференционной картины (выделено штриховкой). Использование голограммы позволяет таким образом получать измерительную информацию о деформациях, соизмеримых с длиной световой волны (доли микрометра), что чаще всего невозможно осуществить никакими другими методами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >