Формування тривимірних дифракційних структур і визначення анізотропії механічних властивостей матеріалів листової форми методами оптичної голографії

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. І.І.МЕЧНИКОВА

УДК: 777.38: 535.44: 535.417

ФОРМУВАННЯ ТРИВИМІРНИХ ДИФРАКЦІЙНИХ СТРУКТУР І ВИЗНАЧЕННЯ АНІЗОТРОПІЇ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ ЛИСТОВОЇ ФОРМИ МЕТОДАМИ ОПТИЧНОЇ

ГОЛОГРАФІЇ

спеціальність 01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Шугайло Юрій Борисович

ОДЕСА - 2005



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті фізики та в Інституті інноваційної і післядипломної освіти Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук ТЮРИН ОЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ, директор Науково-дослідного інституту фізики, завідувач кафедри комп'ютерних і інформаційних технологій Інституту інноваційної і післядипломної освіти Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова.

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, проф. МИХАЙЛЕНКО ВІТАЛІЙ ІВАНОВИЧ, завідувач кафедри фізики та хімії Одеської національної морської академії;

доктор фіз.-мат. наук, проф. КОНТУШ СЕРГІЙ МИХАЙЛОВИЧ, професор кафедри фізики Одеської державної академії холоду.

Провідна установа: Чернівецький державний університет ім. Ю. Федьковича Міністерства освіти і науки України, м. Чернівці.

Захист дисертації відбудеться 27.05.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради шифр Д41.051.01 в Одеському національному університеті ім. І.І.Мечникова (вул. Пастера 27, 65026, Одеса, Велика фізична аудиторія).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова (вул. Преображенська, 24, 65026, Одеса).

Автореферат розісланий 23.04.2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої Вченої ради Федчук О.П.



АНОТАЦІЇ

Шугайло Ю.Б. Формування тривимірних дифракційних структур і визначення анізотропії механічних властивостей матеріалів листової форми методами оптичної голографії. -Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.05 - оптика й лазерна фізика. - Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, Одеса, 2005. голограма інтерференційний фазовий просторовий

Установлено особливості взаємодії зовнішніх інтерференційних полів з об'ємними АФГ залежно від внесків амплітудного й фазового компонентів і їх відносного фазового зсуву.

У даній роботі вперше запропонований спосіб активної просторової стабілізації інтерференційної картини голограми, що записується. Він базується на динамічній взаємодії виникаючої голограми та інтерференційної картини, що її формує. З його використанням розроблені методики створення ПТДС оптичного діапазону з контрольованими й керованими параметрами в ЛГК і ХСН. На основі отриманих ПТДС створено ряд оптикоелектронних пристроїв, таких як одно- та двопроменеві способи амплітудної модуляції світла, системи безконтактного виміру малих лінійних переміщень.

Крім того, методами оптичної голографії вперше отримані ПТДС на фотографічній емульсії із ГМК типу “безсрібне ядро - галогенсрібна оболонка”. Зазначені емульсії були використані для одержання ГОЕ та для запису пропускаючих голограм, які відновлються у білому світлі.

Також на основі принципів голографічної інтерферометрії розроблені: метод неруйнівного контролю якості монолітних і композиційних матеріалів листової форми, метод визначення коефіцієнта Пуассона з точністю, достатньої для реєстрації наявності негативних компонентів у коефіцієнті Пуассона.

Ключові слова: Амплітудна та фазова модуляція, амплітудно-фазова голограма, голограмний оптичний елемент, голографічна інтерферометрія, дифракційні структури, об'ємна голограма, просторова стабілізація, лужно-галогенові кристали, халькогенідні скловидні напівпровідники.



Шугайло Ю.Б. Формирование трехмерных дифракционных структур и определение анизотропии механических свойств материалов листовой формы методами оптической голографии.

-Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика и лазерная физика. - Одесский национальный университет им. И.И.Мечникова, Одесса, 2005.

Установлены особенности взаимодействия внешних интерференционных полей с объемными АФГ, в зависимости от вкладов амплитудной и фазовой компонент и их относительного фазового сдвига.

В данной работе впервые предложен способ активной пространственной стабилизации интерференционной картины при записи голограмм в ФХС, базирующийся на динамическом взаимодействии записываемой голограммы и формирующей ее интерференционной картины. Он пригоден для записи амплитудных, фазовых и амплитудно-фазовых голограмм в средах, как с позитивным, так и с негативным характером записи и делает возможным практически полную компенсацию случайных изменений разности фаз в записывающих пучках. С его использованием разработаны методики создания ПТДС оптического диапазона с контролируемыми и управляемыми свойствами в ЩГК и ХСП. На основе полученных ПТДС создан ряд оптикоэлектронных устройств, таких как одно- и двухлучевые способы амплитудной модуляции света, системы бесконтактного измерения малых линейных перемещений.

В настоящее время метод положен в основу перспективных исследований механизмов фотоиндуцированных процессов в разных ФХС под влиянием пространственно-периодических световых полей.

Кроме того, методами оптической голографии впервые получены ПТДС на фотографической эмульсии с ГМК типа “бессеребряное ядро галогенсеребряная оболочка”. Использование такой эмульсии для записи голограмм позволяет реализовать среду, сохраняющую, с одной стороны, светочувствительность галогенсеребрянной эмульсии, а с другой - обеспечивающую фазовый контраст и эффективную толщину, достаточные для записи в сходящихся пучках глубоких ТПГ с высокой ДЭ и с высокой спектральной и угловой селективностью.

Указанные эмульсии были использованы для получения ГОЭ, в частности для создания голографических генераторов ВФ, а также для записи пропускающих голограмм, восстанавливаемых в белом свете.

Также на основе принципов голографической интерферометрии разработаны: метод неразрушающего контроля качества монолитных и композиционных материалов листовой формы, метод определения коэффициента Пуассона с точностью, достаточной для регистрации наличия отрицательных компонент в коэффициенте Пуассона.

Показаны возможности использования методов классической и голографической интерферометрии в видимом и инфракрасном диапазоне для дефектоскопии и контроля геометрических параметров кремниевых пластин, применяемых в электронной промышленности. Отработанные методы получения голограмм, ввода информации в ЭВМ, алгоритмы обработки позволяют диагностировать и визуализировать дефекты пластин в реальном масштабе времени.

Ключевые слова: Амплитудная и фазовая модуляция, амплитудно-фазовая голограмма, голограммный оптический элемент, голографическая интерферометрия, дифракционные структуры, объемная голограмма, пространственная стабилизация, щелочно-галоидные кристаллы, халькогенидные стеклообразные полупроводники.



Shugailo Yu.B. 3-D diffraction structures forming and detecting of mechanical properties anisotropy of sheet materials by methods of optical holography. -Manuscript. The thesis on completion of scientific degree of candidate of physical and mathematical science by speciality 01.04.05 - optics and laser physics. - I.I. Mechnikov Odessa National university, 2005.

It was determined the peculiarities of interaction between external interference fields and volume APH depending on amplitude and phase inputs and their relative phase shift.

In this work the method of active space stabilization method for the interference pattern at hologram recording based on dynamical interaction between the hologram to be record and it interference pattern have been proposed firstly. Using this method were proposed new procedures for making T3DDS in optical range of spectra with controlled characteristics in AHC and HGS. The number of optical electronic devices were made based on prepared T3DDS, such as single and biradiate methods of amplitude modulation of light and systems for contactless measuring of linear displacements.

Besides, firstly for the optical holography, were prepared T3DDS on photographical emulsions with HPM of “silver-free core-halogen silver shell” type. These emulsions have been used to make the HOE and for recording of transmitted holograms, which are restored in a white light.

In a basis of holographic interferometry the following methods were developed: method of non-destructive control of quality of sheet monolithic composite materials, method of measuring of Poisson's ratio with accuracy sufficient for negative components registration in a Poisson's ratio.

Keywords: Amplitude and phase modulation, amplitude and phase hologram, hologram optical element, holographic interferometry, diffraction structures, volume hologram, space stabilization, alkali-haloid crystals, halkogenide glass semiconductors.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження дифракції світла на тривимірних структурах є актуальним як у теоретичному, так і в практичному плані, оскільки дозволяє створювати на їх основі оптичні елементи та оптоэлектронні пристрої принципово нового класу. В даній роботі розглянуті питання створення таких структур методами оптичної голографії і їх практичних застосувань.

Розглянуто також актуальні питання, пов'язані з розробкою методів неруйнівного контролю, визначення механічних параметрів і діагностики дефектності матеріалів листової форми, заснованих на голографічній інтерферометрії. При цьому діапазон реєструємих деформацій і зсувів може займати область від десятих часток мікрона до сотень мікронів. Розроблені методи контролю були застосовані в потоковому виробництві композитних матеріалів листової форми.

Так само є актуальною розробка нових принципів створення й одержання світлочутливих матеріалів для голографії. У роботі запропоновано використовувати гетерофазні фотографічні емульсії типу “безсрібне ядро - галогенсрібна оболонка” як нове світлочутливе середовище для реєстрації голограм, що розширює діапазон застосування високорозрізнювальних середовищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Науково-дослідному інституті фізики й на кафедрі комп'ютерних і інформаційних технологій Інституту інноваційної та післядипломної освіти Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова. Дослідження проводилися в рамках держбюджетних тем: № 426 (1993-1996, №ДР 0194U001574), № 669 (1996-1999, № ДР 0196U006990), № 170 (1999-2002, № ДР 100U002862), № 350 (2003-2006, № ДР 0103U003771).

Мета роботи полягає в тому, аби оптимізувати методи створення пропускаючих тривимірних дифракційних структур (ПТДС), вивчити особливості їх статичної й динамічної взаємодії зі світловими пучками та застосувати отримані результати для рішення важливих практичних проблем безконтактних прецизійних вимірів і неруйнівного контролю.

Для досягнення цієї мети були поставлені й вирішені такі завдання:

1. Розробка методів досягнення оптимальних характеристик при запису об'ємних пропускаючих голограм у таких фотохромних середовищах (ФХС), як лужно-галогенові кристали (ЛГК), халькогенідні скловидні напівпровідники (ХСН) і створення на їхній базі голограмних оптичних елементів (ГОЕ) із заданими характеристиками.

2. Дослідження особливостей взаємодії тривимірної інтерференційної картини з об'ємними амплітудно-фазовими голограмами (АФГ).

3. Дослідження параметрів фотографічної емульсії з гетерофазними мікрокристалами (ГМК) типу “безсрібне ядро - галогенсрібна оболонка”, які критичні для запису високоефективних тривимірних пропускаючих голограм і створення на їхній базі ГОЕ із заданими характеристиками.

4. Побудова оптикоелектронних систем для модуляції й фазово-амплітудного перетворення світлової хвилі, виміру малих лінійних зсувів, визначення геометричних параметрів і механічних характеристик матеріалів листової форми.

Об'єкт досліджень. Перспективні для запису об'ємних голограм фотохромні матеріали ЛГК і ХСН із квантово-розмірними центрами (КРЦ), фотографічна емульсія із ГМК, однорідні та композитні матеріали листової форми з анізотропією механічних властивостей.

Предмет досліджень. Взаємодія періодичної тривимірної інтерференційної картини з об'ємними АФГ. Перетворення й просторовий перерозподіл структурних неоднорідностей у фотохромних середовищах під впливом просторово-періодичних світлових полів. Когерентно-оптичний фазовий аналіз мікропереміщень.

Методи досліджень. Для рішення поставлених у роботі завдань використовуються теоретичні оцінки і, головним чином, експериментальні методи когерентної оптики - голографії, інтерферометрії.

Базовим теоретичним методом є теорія Когельника. Вона використана для теоретичної оцінки взаємодії періодичної тривимірної інтерференційної картини з об'ємними АФГ.

Стандартні методи інтерферометрії (класичної та голографічної) використовуються для аналізу інтерферограм.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Установлено особливості взаємодії зовнішніх інтерференційних полів з об'ємними АФГ залежно від внесків амплітудного й фазового компонентів і їх відносного фазового зсуву.

2. Знайдені при цьому залежності використані для створення таких нових пристроїв:

- системи активної просторової стабілізації інтерференційної картини при запису тривимірних пропускаючих голограм (ТПГ) у фотохромних середовищах;

- пристрою для амплітудної модуляції й фазово-амплітудного перетворення світлової хвилі;

- пристрою для безконтактного виміру лінійних переміщень у нанометровому діапазоні.

3. Показано можливість застосування емульсій із ГМК для запису високоефективних ТПГ великої площі. На її основі отримані голограми-генератори світлових пучків з топологічними дефектами хвильового фронту (ХФ).

4. Розроблені голографічні методи діагностики структурних неоднорідностей і внутрішніх механічних напруг у композитних листових матеріалах (фольгований гетинакс та склотекстоліт), прокаті титанового сплаву ВТ5-1 і монокристалічних кремнійових шайбах.

Практичне значення роботи.

1. Запропоновано й апробовано нове середовище для запису об'ємних пропускаючих АФГ на базі фотографічної емульсії із ГМК. Таке середовище по своїй фоточутливості близьке до срібно-галогенових емульсій, а по діапазону зміни показника заломлення - до біхромованої желатини.

2. Розроблено ряд нових оптико-електронних пристроїв, де ГОЕ використовані для виміру лінійних переміщень у нанометровому діапазоні, амплітудної модуляції й фазово-амплітудному перетворенні світлової хвилі, які по своїх характеристиках не мають аналогів у сучасній техніці.

3. Розроблено експериментальну методику визначення методами голографічної інтерферометрії однорідності й ізотропності структурних властивостей матеріалів листової форми, включаючи внутрішні механічні напруги, придатну для неруйнівного контролю їхньої якості в промисловості.

Особистий внесок здобувача. Всі експериментальні результати, що становлять основний зміст дисертації, отримані особисто автором. Їм же здійснювалася обробка експериментальних результатів і проведення чисельних розрахунків. У колективних роботах постановка завдання, обговорення й інтерпретація результатів виконані сумісно з науковим керівником і співавторами.

Апробація результатів роботи.

Основні результати роботи доповідались, обговорювались і опубліковані в матеріалах конференцій:

ХХIV школа по голографии (Долгопрудный, Россия, 1996); International Workshop “Physics and Technology of Nanostructured, Multicomponent Materials” (Uzhorod, Ukraine,1998); Fourth International Conference on Correlation Optics, Proceedings (Chernivtsy, Ukraine, 1999); XII congress of European Society of Ophthalmology (Stockholm, 1999), Друга регіональна науково-технічна виставка “Перспектива ХХ” (Одеса, Україна, 2000); Конференція молодих учених (Черкаси, Україна, 2002); Виставка досягнень ОНУ (Одеса, Україна, 2003); Виставка Hightech (Одеса, Україна, 2003).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 статей у наукових журналах, визнаних ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація викладена на 147 сторінках основного тексту, містить 42 малюнка й складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (181 найменування на 14 сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, наукова новизна отриманих результатів і можливе практичне їхнє використання.

У першому розділі викладені принципи одержання ПТДС, дифракція світла на цих структурах і роздільне визначення параметрів тривимірної пропускаючої амплітудно-фазової дифракційної решітки. Крім того, наведений огляд літератури по застосовуваним у роботі розрізнювальним середовищам.

У другому розділі розглянутий спосіб просторової стабілізації інтерференційної картини при запису об'ємних пропускаючих голограм, а також використання його при створенні тривимірних дифракційних структур у ЛГК, ХСН і емульсії із ГМК.

Оптимальним методом подолання труднощів, пов'язаних із забезпеченням просторової стабільності інтерференційної картини під час запису об'ємних голограм, виявилося застосування системи активної стабілізації інтерференційної картини, що забезпечує незмінність різниці фаз формуючих інтерференційну картину пучків під час запису. Схема активної стабілізації орієнтована на застосування для фотохромних світлочутливих середовищ, запис у яких є динамічним, тобто дифракційна решітка з'являється безпосередньо в процесі запису і відразу ж починає взаємодіяти із записуючими пучками. Зіставлення інтенсивностей пучків I₁ та I₂ відносно записуваної решітки дозволяє одержувати інформацію, необхідну для просторової стабілізації інтерференційної картини. Таким чином, у пропонованому методі активної стабілізації роль інтерферометра виконує сама схема запису, а елементом змішування в тестовому інтерферометрі є голограма, яка формується.

Аналіз залежності інтенсивностей пучків I₁ і I₂, які вже провзаємодіяли з решіткою від фазової неузгодженості між записуючими пучками виконується відповідно до формул

(1)

, (2)

де ; (3)

тут - середній коефіцієнт поглинання в голограмі; T - товщина голограми; n₀ і ₀ - відповідно, амплітуди зміни показника заломлення й коефіцієнта поглинання голограми; - довжина світлової хвилі; 2 - кут між записуючими пучками, - просторовий період голограми.

Якщо зареєстровані фотоприймачами 5 інтенсивності I₁ і I₂ подати на входи X і Y осцилографа 7, то траєкторія, яку буде описувати промінь I на екрані при зміні різниці фаз від 0 до 2, буде еліпсом. Півосі а й b якого пропорційні амплітудній - _а і фазовій - складовим голограми (3), а координати довільної робочої точки 3 - X_t,Y_t на еліпсі залежать від фазової неузгодженості .

Таким чином, завданням стабілізаційної системи є утримання робочої точки на еліпсі у фіксованому положенні під час усього процесу запису. Це досягається регулюванням зміни фази одного із записуючих решітку пучків за допомогою зсуву дзеркала, яке закріплене на п'єзокераміці.

Далі даний метод стабілізації був застосований для створення ПТДС з керованими й оптимальними характеристиками в ЛГК, ХСН і емульсії із ГМК. Крім того, метод покладений в основу перспективних досліджень механізмів фотоіндукованих процесів у різних ФХС під впливом просторово-періодичних світлових полів.

Третій розділ присвячений опису принципів створення оптикоелектронних пристроїв і методів вимірів з використанням ПТДС, формування яких проводилося за допомогою системи стабілізації, що забезпечила досягнення оптимальних і керованих їх характеристик.

1. Пристрій для амплітудної модуляції й фазово-амплітудного перетворення світлової хвилі. Пропонований спосіб заснований на селективній властивості об'ємної голографічної стаціонарної дифракційної решітки. Залежність інтенсивності I_д (який дифрагував) і I_п (який пройшов) решітку світлових потоків від кута падіння =+ потоку I₀ описується формулами:

(4)

, (5)

де

-усереднений показник переломлення решітки, Т - товщина решітки, - довжина хвилі випромінювання, яке модулюється, k - коефіцієнт відбиття решітки.

Модуляція інтенсивностей за однопроменевою схемою I_д (який дифрагував) і I_п (який пройшов) оптичного випромінювання відбувається в результаті зміни в часі величини кута =₀f(t). Тут ₀-величина кутової селективності решітки, f(t)-періодична функція, яка задає режим модуляції.

Принадністю такого способу є те, що фаза промодульованого світлового сигналу не залежить від амплітуди й частоти модуляції, чого не має, наприклад, найпоширеніший акусто-оптичний спосіб модуляції.

Для модуляції когерентного випромінювання запропонований двопроменевий спосіб. У цьому випадку модуляція створюється за рахунок зміни фази в одному з пучків які пройшли решітку I_д або I_п, котрі, у свою чергу, за допомогою дзеркал пропускаються через решітку у зворотному напрямку. Як видно із цього малюнка пучок I_м, що вийшов з решітки, являє собою результат інтерференції двох пучків, I_п(d) (який пройшов) і I_д(d) (який дифрагував). Глибина модуляції досягала (85%). Такі пристрої можливо застосовувати як фазово-амплітудний перетворювач для аналізу фазових модуляцій сигнальної хвилі.

2. Пристрій для вимірювання лінійних переміщень у нанометровому діапазоні. Якщо розірвати ланцюг керування п'єзокерамікою, а решітку - ГОЕ жорстко закріпити на вимірюваному об'єкті, схему просторової стабілізації інтерференційної картини можна використати для виміру лінійних переміщень. У цьому випадку залежність значення величини зсуву решітки (об'єкта) x, характеризується положенням робочої точки 3 на еліпсі і обумовлюється формулою

, (6)

де d - товщина решітки.

Якщо підібрати решітку, для якої а=в, то траєкторія є окружністю. Тоді маємо



. (7)

Напрямок зсуву решітки по осі X визначається по тому, як зміщається промінь осцилографа на еліпсі - по або проти ходу часової стрілки.

Максимальна помилка утворюється при Y_t/X_t=1 і складає:

(8)

Максимальна помилка виміру в працюючому макеті пристрою при d450 нм і 10^-3 становила

(x)_max0,32 нм=3,2 Е

При використанні решіток з меншим періодом точність вимірювання може бути істотно підвищена.

3. Безконтактний метод виміру лінійних переміщень у нанометровому діапазоні. У випадку, якщо розмістити дифракційну решітку безпосередньо на об'єкті й забезпечити крізь неї необхідний хід променів не вдається, може бути використаний пристрій виміру лінійного зсуву об'єкта безконтактним методом.

Для виконання умови точного узгодження світлових пучків у прямому й зворотному напрямках об'єкт повинен мати дзеркальну поверхню, або на ньому закріплюється відбивальне дзеркало. Відбиті промені I_Д(0) і I_п(0), які вийшли з решітки I_Д і I_п, повинні бути спрямовані точно під кутом Брэгга для використовуваної в даному конкретному випадку решітки. Фазова неузгодженість Дц між пучками I_Д(0) і I_П(0) створюється в результаті зсуву об'єкта 7.

При зазначених умовах сигнал I, який знімається з фотодіода 8, являє собою результат інтерференції двох сполучених пучків I_Д(d) та I_П(d). Пучок I_Д(d) - являє собою послідовне перетворення дифрагованого пучка I_Д в пучок I_Д(0) який пройшов через решітку 5 в зворотному напрямі після віддзеркалення від дзеркала 6. В свою чергу, пучок I_П(d) - є перетворення пучка I_П (що пройшов решітку 5 у прямому напрямі) в відбитий об'єктом 7 пучок I_П(0), а потім зворотно дифрагований решіткою 5.

Інтенсивність пучка, що вийшов з решітки, I можна представити:

(9)

Тут враховано, що решітка чисто фазова й, отже, , а .

Дифрагований пучок Iп(d) формується в результаті відбиття пучка Iп(0) від оптично більш щільних площин решітки, де

тут - середній показник заломлення решітки. Врахувавши втрату півхвилі при відбитті

Цп-ЦД=р,

отримаємо остаточне вираження для I при тому, що

. (10)

При даному методі виміру зсуву принципово виявляється неоднозначність, котра пов'язана з взаємодією періодичної структури голограми з періодом інтерференційної картини, яка накладена на дифракційну решітку, що й видно з (10). Важливо те, що вимірювання зсувів з великою точністю відбуваються в межах одного періоду.

Похибка виміру величини x оцінювалася з урахуванням періодичності зміни I і становить

,

.

Для реалізації даного способу в схемі пристрою використовувалася об'ємна голографічна дифракційна решітка, записана в ХСН. Дифракційна ефективність (ДЕ) - з решітки на =632,8 нм становила 0,5 (або 50%).

4. Реєстрація й відтворення світлових пучків з топологічними дефектами з використанням ПТДС. Дислокації світлового хвильового фронту (ХФ) можна розглядати як оптичні аберації, принципово відмінні від тих, які розглядаються у класичній оптиці. Результатом таких аберацій є утворення топологічних особливостей ХФ, однією з яких є гвинтова дислокація (ГД).

Для проведення досліджень в цій галузі необхідно мати прості й надійні способи перетворення пучка із ГД у пучок із плоским ХФ або навпаки.

З експериментальної точки зору найкращим є використання як джерело ГД - ГОЕ, за допомогою якого можна здійснювати практично будь-які перетворення оптичних полів.

Спочатку створюється пучок із ГД по одній із стандартних методик, а потім за його допомогою записується голограма, що сама може служити джерелом ГД у подальших експериментах. У якості опорного служив пучок із плоским або сферичним ХФ. Показана картина інтерференції пучка із ГД і пучка-аналізатора із плоским ХФ.

При відновленні голограми дифрагувавший на ній пучок містить ГД.

У пропонуємій роботі для створення ГОЕ було використано розроблений у НДІ фізики новий голографічний матеріал - галогенсрібну фотографічну емульсію із ГМК, на якій була записана голограма - ГД. Така емульсія в цьому випадку володіє всіма необхідними властивостями (товщиною, ДЕ, світлочутливістю, малою усадкою).

Четвертий розділ присвячений використанню ПТДС для завдань інтерферометрії. У розділі розглядаються можливості застосування методів голографічної інтерферометрії для визначення геометричних параметрів (деформації, неплощинності та ін.) листових матеріалів, визначення їх механічних і структурних властивостей.

Голографічне інтерферометрування проводилося як у реальному масштабі часу, так і методом подвійної експозиції із проміжним збуджуючим впливом. Запис голограм здійснювався He-Nе - лазером як на промислових голографічних пластинах марки ПФГ-2, так і на розробленій емульсії із ГМК.

У якості збуджуючого впливу на зразок-об'єкт, при якому його дефекти виявляються особливо яскраво, застосовувалося точкове нагрівання й точковий механічний вплив на його центральну частину.

Якщо пластина досить ізотропна по своїх механічних і теплових характеристиках і в ній немає внутрішніх локальних напруг, то виникаюче внаслідок збуджуючого впливу поле деформацій буде центрально-симетричним і тоді інтерференційна картина, відповідно, буде являти собою систему концентричних кілець. При цьому необхідно, щоб кріплення зразка не приводило до виникнення додаткових зовнішніх напруг у зразку, що маскують картину власних внутрішніх напружень.

Будь-які порушення такої центрально - симетричної картини свідчать про дефектність зразка, наявності в ньому структурних неоднорідностей, механічних напруг і ін.

Той же метод було використано для визначення чисельних значень механічних параметрів зразків, для чого було вжито механічний межекспозиційний вплив. Показано, що даний прецизійний метод є найкориснішим при визначенні складних механічних характеристик анізотропного матеріалу, наприклад, коефіцієнта Пуасона, процес визначення якого, як відомо, відрізняється великою складністю, оскільки вимірювані зсуви знаходяться за гранню чутливості звичайних тензометричних датчиків. Аналіз інтерферограм пластин, на які між експозиціями діяв згинаючий момент, дозволяє визначити як величини компонентів коефіцієнта Пуассона, так і їхній знак. При його позитивних значеннях інтерференційна картина має вигляд сім'ї гіпербол, а при негативних - сім'ю вкладених друг у друга еліпсів.

Також був здійснений контроль товщини кремнійових пластин з використанням прозорого для зразка випромінювання (=1152 нм), для чого розглядалися інтерферограми, які були утворені відбиттями від передньої й задньої сторін пластини. Показана отримана таким чином інтерферограма і її розшифровка - профіль відхилення товщини пластини від мінімального значення в припущенні, що усередині пластини відсутні значні варіації показника заломлення.

Очевидно, що застосовані інтерференційні методи є універсальними й дозволяють на одній установці з мінімальним переналагодженням виявляти й візуалізувати анізотропію, неоднорідності структури й інші дефекти досліджуваних зразків, а також їх внутрішні механічні напруги та інші механічні параметри.



ВИСНОВКИ

У заключній частині наведені основні результати дисертаційної роботи.

1. Запропоновано спосіб активної просторової стабілізації інтерференційної картини при запису голограм у фотохромних середовищах, що базується на динамічній взаємодії голограми, яка записується з інтерференційною картиною, що її формує. Крім того, метод покладений в основу перспективних досліджень механізмів фотоіндукованих процесів у різних ФХС під впливом просторово-періодичних світлових полів.

2. Розроблено методики створення ПТДС оптичного діапазону з контрольованими й керованими властивостями в ЩГК і ХСП. На їхній основі вперше створені одно- й двопроменеві способи амплітудної модуляції та системи безконтактного виміру малих лінійних переміщень із великою точністю.

3. Уперше для одержання ПТДС використана голографічна емульсія із ГМК. Використання такої емульсії для запису голограм дозволяє реалізувати в збіжних пучках ТПГ з високою ДЕ та з високими спектральною та кутовою селективністю.

4. Зазначені емульсії із ГМК були використані для одержання ГОЕ, зокрема для створення голографічних генераторів ХФ із заданими топологічними дефектами та для запису пропускаючих голограм, які можуть відновлюватися у білому світлі.

5. З використанням голографічної інтерферометрії розроблений метод неруйнівного контролю якості монолітних і композиційних матеріалів листової форми, що дозволяє досліджувати однорідність і ізотропність матеріалу, а також виявляти наявні в матеріалі внутрішні механічні напруги.

6. Методи голографічної інтерферометрії застосовані для визначення таких механічних характеристик анізотропних листових матеріалів, як модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона.

7. Показано можливості використання методів класичної й голографічної інтерферометрії у видимому й інфрачервоному діапазоні для дефектоскопії й контролю геометричних параметрів кремнійових пластин, які дозволяють діагностувати та візуалізувати дефекти пластин у реальному масштабі часу.



СПИСОК ДРУКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Белоус В.М., Мандель В.Е., Попов А.Ю., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Метод измерения малых линейных перемещений в нанометровом диапазоне //Доклады АН Украины. -1994. -№9. -С.91-94.

2. Мандель В.Е., Нечаева Т.А., Попов А.Ю., Рыжков А.В., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Применение объемной стационарной решетки для амплитудной модуляции света //Оптический журнал. -1994. -№10. -C.19-21.

3. Мандель В.Е., Попов А.Ю., Попова Е.В., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Определение параметров и дефектности кремниевых пластин интерферометрическим методом //Оптический журнал. -1995. -№1. -С.71-74.

4. Белоус В.М., Мандель В.Е., Попов А.Ю., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Диффузионный механизм голографической записи в аморфном сульфиде мышьяка //Голографические методы исследования в науке и технике. -Ярославль: ЯГПУ. -1997. - C.114-119.

5. Белоус В.М., Манченко Л.И., Попов А.Ю. Тюрин А.В. Чурашов В.П., Шугайло Ю.Б. Фотографическая эмульсия с гетерофазными микрокристаллами - новая среда для записи глубоких трехмерных пропускающих голограмм //Оптика и спектроскопия. -1999. -Т.86, №2. -С.344-348.

6. Popov A.Yu., Belous W.M., Mandel V. E., Shugailo Yu.B., Tyurin A.V. Drift model of photoinduced processes in alkali-halide crystals during volume hologram recording //Fourth International Conference on Correlation Optics Proceedings. Chernivtsy Univ. (Ukraine). -1999. -Р.195-200.

7. Popov A.Yu., Belous W.M., Churashev V.P., Manchenko L.I., Mandel V. E., Shugailo Yu.B., Tyurin A.V. Method of small linear displacement determing //Fourth International Conference on Correlation Optics Proceedings. Chernivtsy Univ. (Ukraine). -1999. - Р.201-205.

8. Попов А.Ю., Манченко Л.И., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Регистрация и воспроизведение световых пучков с топологическими дефектами //Фотоэлектроника, Одесса: Астропринт. -2000. -вып.9. -С.126-129.

9. Попов А.Ю., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б., Гохман А.Р., Жуковский В.К. Диагностика структурных неоднородностей и механических свойств листов титанового сплава ВТ5-1 методом голографической интерферометрии //Вісник Одеського національного университету. Серія: фіз.-мат.науки. Одеса: Астропринт. -Т.4, вип.5. -2000, -С.25-31.

10. Мандель В.Е., Попов А.Ю., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Бесконтактный метод измерения линейных перемещений в нанометровом диапазоне //Оптический журнал. -2003. -Т.70, № 6. -С.57-61.

11. Мандель В.Е., Попов А.Ю., Тюрин А.В., Шугайло Ю.Б. Способ пространственной стабилизации интерференционной картины при записи объемных пропускающих голограмм //Оптический журнал. -2003. -Т.70, № 10. -С.72-76.

Размещено на Allbest.ru