Применение цифровой голографической интерферометрии

                              для измерения высокочастотных колебаний.

Введение

Важнейшим фактором, ограничивающим применение цифровой голографической интерферометрии (ЦГИ) для исследования динамических процессов, является частота колебаний поверхности исследуемого объекта. В литературе приводятся данные о применении ЦГИ для измерения колебаний на частотах до 100 кГц / 1 /. Сведения об использовании голографических методов для визуализации и измерения колебаний на более высоких частотах отсутствуют.  В настоящей статье приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по измерению колебаний мегагерцового диапазона.

 

Теоретическое обоснование методики записи высокочастотных колебаний

 

       Для получения интерферограмм двухэкпозиционным методом осуществляется запись и интерферометрическое сравнение двух голограмм, одна из которых зарегистрирована в состоянии покоя, а вторая – после возбуждения колебаний в образце. При  этом важнейшим параметром, определяющим контраст полос и саму возможность проведения измерений, является скважность k, определяемая как:

 

k = T/t

 

где  T – период колебаний поверхности объекта,

t – длительность экспозиции ( продолжительность записи голограммы).

Известно, что для обеспечения возможности записи голограммы колеблющейся поверхности при амплитудах колебаний на уровне  длины волны лазерного излучения скважность должна иметь величину не менее 10. При этом в случае стоячей волны экспозиция должна быть синхронизирована с моментом амплитудного отклонения вибрирующей поверхности / 2 /.

В стандартном интерферометре с лазером непрерывного излучения длительность экспозиции устанавливается программным способом путем регулировки времени очувствления  ПЗС-матрицы в диапазоне 1/15 … 1/16000 с и величина скважности k = 10 может быть обеспечена для частот колебаний, не превышающих 1600 Гц.Таким образом, при использовании имеющейся системы при частотах колебаний поверхности объекта в диапазоне 10…200 МГЦ, скважности будут иметь значение много меньше единицы.При значениях скважности много меньше 1 происходит усреднение интенсивности объектной волны за время экспонирования вибрирующего объекта. Сравнение такой голограммы с голограммой, зарегистрированной в состоянии покоя, приводит к образованию т.н. квазибинарной интерферограммы / 3 /. По такой интерферограмме проводить визуализацию и измерение параметров колебаний невозможно, т.к. на интерферограмме не образуется соответствующего градиента интенсивности.

Таким образом, из теоретических представлений можно сделать вывод, что стандартный интерферометр не позволяет производить визуализацию и измерение параметров колебаний на частотах мегагерцового диапазона вследствие значительной длительности экспозиции.

Для обеспечения необходимых значений скважности при частотах колебаний до 200 МГц (период колебаний 5 нс) длительность экспозиции не должна превышать величины  500  пикосекунд.

 Экспериментальная проверка методики.

      Объектом испытаний служил кристалл ниобата лития с плоской полированной ( зеркально отражающей) поверхностью, в котором с помощью встречно-штырьевого преобразователя возбуждались поверхностные акустические волны ( ПАВ) на двух различных резонансных частотах. При этом расчетные параметры ПАВ имели следующие значения:

 

— резонансная частот ПАВ – 17 МГц;

— амплитуда ПАВ – 2-4 нм

— длина волны ПАВ – 255 мкм

— резонансная частот ПАВ –  60 МГц;

— амплитуда ПАВ – 2-4 нм

— длина волны ПАВ – 66, 6 мкм

 

Голографическая визуализация и измерение параметров ПАВ производились на фрагменте поверхности размером 6 х 6 мм ( на частоте 17 МГц) и  2, 6 х2, 6 мм ( на частоте 60 МГц)

Контроль наличия ПАВ и установка резонансной частоты осуществлялись по максимальному значению амплитуды сигнала на экране осциллографа.

В качестве источника излучения использовался импульсный лазер с длительностью импульса 30 пс, длина волны излучения лазера –  0,354 мкм.

Экспериментальные результаты, представленные на рис. 1- 4, полностью согласуются с указанными расчетными значениями.

 Заключение

 

1. Теоретически показано, что основным фактором, определяющим предельную частоту колебаний исследуемого объекта при голографической записи, является длительность экспозиции.
2. Экспериментально подтверждена возможность голографической визуализации и измерения параметров колебаний поверхности в диапазоне частот колебаний до 60 МГц при использовании для записи голограмм импульсного лазера с длительностью импульса 30 пс.

 Литература

1. V.A. Deason, K.L.Telchow, S.Watson Imaging of Acoustic Waves in Sand, INEEL|CON-03-00022, Preprint, August,2003.
2. Ю.И.Островский и др. Голографическая интерферометрия.,Наука, М.1977
3. D. Borza, Vibration amplitude field estimation based on high-resolution time-averaged  Interferograms. Proceedings of SPIE — Volume 6341, Speckle06: Speckles, From Grains to Flowers, Pierre, Slangen, Christine Cerruti, Editors, 63411N (Sep. 15, 2006)

Рис 1. Визуализация ПАВ на частоте 17 МГц  на фоне термических деформаций образца

                Рис 2.   Измерение  параметров ПАВ при возбуждении  на частоте 17 МГц .

Цена пиксела при увеличении 1,5 : 1 составляет  6 мкм. Длина ПАВ – 38 пикселов х 6 мкм = 240 мкм, амплитуда ПАВ – 3-3,5 нм

Рис 3. Визуализация ПАВ на частоте 60 МГц  на фоне термических деформаций образца