Holografia a jej technické aplikácie

Holografická interferometria

Holografická interferometria je optická zobrazovacia metóda, ktorá umožňuje výskum mechanických deformácii povrchov, tepelných deformácii povrchov, vibrácií (Mikleš, Tuhársky,1999), malých posuvov objektov a to s presnosťou až na zlomok vlnovej dĺžky použitého laserového žiarenia. Presnosť merania deformácie povrchov dosahuje až 10–4 mm. Tieto metódy sú založené na princípe interferometrického posuvu fázy lúčov odrážajúcich sa od povrchov. Pri meraní deformácií, posunutí, vibrácii interferujú medzi sebou lúče pochádzajúce z dvoch rôznych stavov povrchov (napr. pred a po mechanickom zaťažení). U topografickej metódy spolu interferujú lúče pochádzajúce z dvoch rôznych spôsobov sledovania povrchov. Holografická interferometria porovnáva medzi sebou dve informačné vlny, ktoré pôvodne neexistovali v tom istom čase. Tým vzniká kvalitatívne nová možnosť zohľad­niť pri meraní vplyv ďalšej nezávislej rozmerovej veličiny – časovú premennú. Referen­čná vlna, potrebná pre záznam hologramu nemá priamy vplyv na výslednú informáciu a môže mať ľubovoľnú priestorovú štruktúru. S ohľadom na diferenčný charakter metódy sa eliminujú prípadné nedokonalosti používaných optických prvkov zariadenia a preto na ich kvalitu nie sú také prísne požiadavky ako v klasickej interferometrii. Holografický interferometer predstavuje dvojlúčový interferometer, v ktorom sa interfe­rujúce lúče šíria po rovnakých, priestorovo neseparovaných dráhach a preto je hologra­fická interferometria podstatne menej citlivá na vplyv okolitého prostredia.

Holografická interferometria je typický dvojkrokový proces, pri ktorom informá­ciu vo forme pozorovateľného (makroskopického) interferenčného obrazu dostávame pri rekonštrukcii záznamu, v ktorom sú zakódované informácie, charakterizujúce aspoň jeden fyzikálny stav skúmaného objektu.

Zo získaných záznamov je obvykle možné priamo kvalitatívne posudzovať sledovaný dej. Pre kvantitatívne vyhodnotenie vizualizačných záznamov fázových predmetov (FP) (resp. transparentných predmetov) treba najskôr stanoviť rozloženie indexu lomu v objekte a z neho ďalej vypočítať rozloženie žiadaných fyzikálnych veličín. Zmenu indexu lomu možno určiť z interferogramu zo zaznamenanej zmeny interferenčného rádu alebo vzniku interferenčného rádu (Pavelek, Štětina, 1997), (Trolinger, 1996).

Ako už bolo vyššie uvedené, metódy holografickej inreferometrie sa využívajú pri sledovaní deformácií objektov, nachádzajú uplatnenie v oblasti mechaniky tekutín, prenosu tepla, prenosu látky, v technike prostredia, a hlavne ako vizualizačné metódy pri sledovaní fyzikálnych polí (Pavelek, Janotková, 2001), (Urgela, 1999), (Longauer, 1994), (Marko, 1999), (Šályová, 1999). Optické metódy získavajú informácie o stave v sledovanom objekte prostredníctvom svetelného žiarenia, ktoré neovplyvňuje proces na danom objekte resp. v danom objekte u fázového predmetu.

Vzhľadom na požiadavky kladené na experimentálne zariadenie a jeho prevádzku, používajú sa optické vizualizačné metódy väčšinou len pre laboratórne merania, a to prevažne na špeciálne upravených modeloch, ktoré opticky sprístupňujú sledovanú oblasť.

Interferometrické metódy pre transparentné objekty majú v porovnaní s inými experimentálnymi metódami nasledovné prednosti:

• Holografická interferometria umožňuje zaznamenať celé teplotné alebo koncentračné pole použitím holografického interferometra.
• Pozorovaná oblasť nie je narušovaná snímačmi alebo sondami, ktorými sa zisťujú lokálne hodnoty v meracom priestore.
• Svetelné lúče možno považovať za úplne zbavené zotrvačnosti, čo umožňuje zaznamenávať okamžité deje.
• Holografická interferometria umožňuje zviditeľniť rozloženie teplotných a koncentračných polí v tvarove zložitých predmetoch (Rezníček, 1980).
• Zostava holografického interferometra je lacnejšia než klasický interferometer, pretože nekladie vysoké nároky na kvalitu optických prvkov (šošoviek a zrkadiel).

Prednosti holograficko-interferenčných metód pri výskume difúzne odrážajúcich predmetov možno zhrnúť do nasledujúcich bodov:

• Interferometrické merania umožňujú bezkontaktné meranie; prie­beh deformácie je daný výhradne vlastnosťami objektu, jeho uloženia (upevnenia) a jeho zaťaženia.
• Holografická interferometria nekladie vysoké nároky na kvalitu zaznamenávaného povrchu objektu, preto meranie možno uskutočňovať na skúmanom objekte, pričom netreba vyrábať fyzikálne podobné modely.
• Pomocou metód holografickej interferometrie možno porovnávať tvary už neexistujúcich predmetov a následne ich analyzovať.
• Výhodnou vlastnosťou holografie je možnosť získania trojrozmerného zobrazenia objektu, čo umožňuje určiť tri zložky vektora posunutia z jednej holografickej dosky.
• Pozorovaná oblasť nie je narušovaná snímačmi alebo sondami, ktorými sa zisťujú lokálne posunutia.

Interferometrické metódy majú napriek svojim výhodám aj nevýhody, ktoré nemožno zanedbať:

• Zariadenie pre holografickú interferometriu je pomerne zložité a investične náročné (lacnejšie než v klasických interferometroch) a obmedzené laboratórnymi podmienkami.
• Veľkosť skúmaného objektu je obmedzená veľkosťou zorného poľa objektívu.
• Metódu holografickej interferometrie možno aplikovať v prevažnej miere v laboratórnych podmienkach – z dôvodu stability holo­grafického zariadenia (s výnimkou holografickej inreferometrie v impulznom režime).
• Experimentálne zariadenia na skúmanie objektov musia vyhovovať špecifikám holografického interferometra čo do veľkosti a konštrukcie.
• Použitím skutočnej interferometrickej aparatúry treba mať na zreteli odchýlku od ideálneho interferometrického systému a túto odchýlku opraviť zavedením korekcií.
• Pri pohľade cez hologram nie je možné vidieť, či rozdiel fázového posuvu je pozitívny alebo negatívny (napr. nie je možné zistiť či sa jedná o prestup tepla zo steny dosky do potenciálneho prúdu alebo naopak). Pri interpretácii holografického interferogramu je nutné na okrajoch zmerať čidlami, alebo stanoviť z povahy experimentu. Týka sa to aj interpretácie holografickej interferometrie difúzne odrážajúcich predmetov – teda pri interpretácii holografického interferogramu sa nedá určiť, ktorým smerom pôsobí zaťažujúca sila (napr. určenie deformácie zaťažovaného nos­níka upnutého v stene).
• Pri interpretácii holografického interferogramu difúzne odrážajúcich predmetov väčšie deformácie vedú ku vzniku nerozlíšiteľnej interferenčnej štruktúry.