Особенности многоцветных виртуальных голографических интерферограмм
, ,
Наиболее перспективным практическим применением многоцветной цифровой голографической интерферометрии (ЦГИ) является измерение наноперемещений (нанотехнологии, цифровая микроскопия) в связи с возможностью использования низко когерентных перестраиваемых по частоте источников лазерного излучения фемтосекундного диапазона для проведения измерений с высоким временным разрешением, а также дешевых перестраиваемых по частоте лазерных диодов. В ЦГИ проводится математическая обработка цифровых полей, полученных с помощью записи реальных полей методами цифровой голографии (ЦГ) [1]. Математическая обработка основана на принципах Гюйгенса – Френеля, преобразовании Фурье, численных алгоритмах развертывания фазы и обработки цифровых изображений [2]. В отличие от обычной интерферометрии, в которой для получения фазовой интерферограммы необходимы два или несколько когерентных фазовых полей, в ЦГИ можно расчетным путем получать интерферограммы некогерентных между собой фазовых полей, например, полей, которые существовали в разное время и реально не могли интерферировать между собой. В результате цифровой “интерференции” таких полей получается виртуальная интерферограмма.
Цифровая 2-х экспозиционная голографическая интерферометрия позволяет получать разностную фазовую поверхность, несущую информацию об изменениях в исследуемом объекте за время между экспозициями [3]. Фундаментальным условием в одноволновой ЦГИ является необходимость того, что разница оптических путей между соседними пикселами не должна превышать половину длины волны l/2. Это условие ограничивает диапазон одноволновых измерений в ЦГИ. Если фазовые изменения между соседними пикселями больше π, то при развертывании фазы возникает неопределенность равная по модулю 2π. Для устранения этой неопределенности, присущей всем измерительным интерферометрическим методам, использующим в качестве реальной меры длину волны лазерного излучения, используют разноцветные лазерные источники [4]. Для этого цифровые голограммы, полученные с использованием излучений с длинами волн λ1 и λ2, сохраняются в виде двух массивов данных, по которым затем вычисляется фазовая разница между пикселями для эквивалентной длины волны Λ12=λ1λ2/|λ1-λ2|, в предположении, что эта разница между соседними пикселями меньше Λ12/2. Это снимает неопределенность и увеличивает чувствительность, но при этом возрастают шумы. Для нахождения приемлемого компромисса между неопределенностью и шумами используют различные комбинации Λ12, λ1 , λ2 в виде опорных и объектных волн при реконструкции фазовой интерферограммы.
В наших исследованиях виртуальных интерферограмм использовались интерферометры, собранные по схеме Маха–Цендера и Майкельсона. Первичные цифровые голограммы записывались в излучении лазера с длиной волны l = 1,06мкм, 0,53мкм, 0,35мкм и длительностью импульсов t = 30 нс, 50 пс, 200 фс и в излучении непрерывного He–Ne лазера на цифровую камеру типа ТМ-1020- 15CL с размерами пикселя 9х9 мкм. На рис.1 показана схема записи фазовых голограмм.
В качестве объектов исследований использовались оптический клин из стекла К-8, пластина нелинейного кристалла LiNbO3 и пластина фоторефрактивного кристалла LiNbO3:Fe. По записанным разноцветным голограммам методом 2х экспозиционной цифровой интерферометрии [5] были получены виртуальные интерферограммы – наклонной поверхности, различных этапов релаксации фазовой неоднородности записанной в объеме фоторефрактивного кристалла LiNbO3:Fe, поверхностных акустических волн [6], возбужденных на поверхности линии задержки с встречно штыревыми преобразователями на кристалле LiNbO3. По полученным интерферограммам восстановлены фазовые фронты несущие количественную информацию о исследуемых образцах. Проведено сравнение полученной информации – величина угла наклона, изменение показателя преломления, амплитуда и длина поверхностных акустических волн, в различных сочетаниях разноцветных первичных фазовых фронтов. На рис.2 показана фазовая поверхность лазерного излучения прошедшего через оптическую неоднородность, записанную в фоторефрактивном кристалле LiNbO3:Fe. Поверхность восстановлена из интерферограммы, полученной из первичных голограмм Г1 (λ1=0,53мкм, τ=50пс) и Г2 (λ2=1,05мкм, τ=200фс). Такое сочетание разноцветных голограмм позволило восстановить фазовую поверхность с минимальной амплитудой шумов.
1. W. Jueptner and U. Schnars. “Digital Holography.” – Berlin: Springer Verlag, 2004.
2. , , . “Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на LabVIEW и IMAQ Vision”.-М.: ДМК Пресс,2007.
3. J. Schwider, R. Burow, K.-E. Elssner, J. Grzanna. R. Spolaczyk and K. Merkel. “Digital Wave-Front Measuring Interferometry: Some Systematic Error Sources,” Appl. Opt. 22, 3
4. Y.-Y. Cheng and J. C. Wyant, “Two-Wavelength Phase Shifting Interferometry,” Appl Opt. 23, 4
5. V. I.Redkorechev, I. A.Kulagin, V. S.Gurevich, M. E.Gusev, Yu. N.Zakharov. “Picoseconds three-color digital holographic interferometry”. Techn. Program. Int. Conf. “Laser Optics 2008”, June 23-28, St. Petersburg, Russia, 2008. P.52.
6. , , «Применение цифровой голографической интерферометрии для измерения полей перемещений нанометрового диапазона». Сборник трудов и официальные материалы научно-практической конференции "Голография в России и за рубежом, наука и практика", 5-я международная конференция Голография экспо - 2008, 1-2 июля 2008, Санкт-Петербург, сс. 100-105.
