Semestrální práce z předmětu Technická diagnostika konstrukcí Diagnostika mechanických vlastností materiálu metodou Holografické interference Jiří Polívka FAV / AFI / 4. ročník jiri_polivka@post.cz

Historie holografie - Objevitelem anglický fyzik maďarského původu D. Gábor při snaze zdokonalit zobrazování elektronového mikroskopu - 1947–48 J. Williamsom a Gábor první plošné hologramy při ohybu záření rtuťové výbojky - velký pokrok po oběvu laseru, američtí radiofyzici Leith a Upatnieks (1963) - J.N. Denisjuk (1962) publikuje práci o objemových hologramech

Základní pojmy v holografii holografie - perspektivní metoda záznamu optické informace. Obsahuje úplnou informaci o vlně tedy o její amplitudě i fázi Optická holografie - založena na interferenci koherentního světla Holografie vyžaduje, aby světlo bylo chápáno jako vlnění. Dvě veličiny - amplituda a fáze

Záznam a rekonstrukce hologramu Pro pořízení hologramu vyžadováno koherentní svazek světelného záření: - neměnný fázový rozdíl jednotlivých částí svazku záření - docíleno použítím laseru (Helium - Neon) Při záznamu interferují svazek světla dopadající a rozptýlený na předmětu - předmětový svazek a svazek světla dopadající přimo na záznamovou (fotografickou) desku - referenční svazek (obr. 1)

Schéma klasického záznamu hologramu a – laser, b – delič, c, d – zrcadla, MO – mikroobjektív,O – objektív, g – předmět, f, e – čočka, h – holografická deska

Rekostrukce hologramu Po vyvolání filmu hologram vložen do původní polohy a osvícen pouze referenčním světelným svazkem. Pozorovatel v důsledku difrakce osvětlujícího referenčního svazku vidí přes hologram v důsledku mřižkové struktury hologramu předmět P v původní poloze (obr. 2)

Rekostrukce hologramu (obr. 2)

Vlastnosti hologramu Při holografii se zaznamenává prostorová struktura světelné vlny rozptýlené předmětem (amplituda i fáze) X klasická fotografie pouze amplitudu Zajímavé vlastnosti hologramu: - při rozřezání hologramu na malé části se z každé získá obraz celého původního předmětu (obr. 3) - Na jednu holografickou desku možno zaznamenat více hologramů při záznamech z různých úhlů

Vlastnosti hologamu (obr.3) záznam objektu na libovolné malé části holografické desky

Využití holografie (holografická interference) - možné vlastnosti ke zkoumání Objekty odrážející světlo: - mechanické deformace - tepelné deformace - vibrace - malé posuvy Transparentní objekty: - objemové nehomogenity - prostorový záznam částic v tekutinách

Podmínky pro použití holografie k diagnostice - použití „dokonalých“ koherentních zdrojů světla (časově i prostorově koherentní - monochromatický a bodový zdroj = laser) - ochrana proti otřesům z okolního prostředí (hydraulické stoly) - kompaktnost celého zařízení - obvyklé zatemnění pracoviště - záznamová média: analog - fotografická citlivá vrstva (např. 649F, AGFA Geavert Scientia) digitál - CCD kamera => obvykle splněno jen pro laboratorní podmínky

Holografická interferometrie - optická zobrazovací metoda - založena na interferometrickém posunu fází paprsků odrážejících se od předmětu - umožňuje výzkum mechanických deformací povrchu, vibrací, malých posuvů objektu s přesností na zlomky vlnové délky použitého laseru - přesnost měření deformace povrchů až 10–4 mm

Princip holografické interferometrie - interference svazků paprsků z dvou různých stavů objektu (např. před a po zatížení) => 2 krokový proces - porovnává mezi sebou dvě informační vlny, které původně neexistovaly vedle sebe v reálném čase => zavedení časové proměnné - referenční vlna pro záznam hologramu nemá přímý vliv na výslednou informaci a může mít libovolnou prostorovou strukturu - diferenční charakter měření - eliminace nedokonalostí používaných optických soustav

Přednosti interferometrických metod - umožňuje bezkontaktní měření, průběh deformace je daný výhradně vlastnostmi objektu, jeho uložením a zatížením - Pozorovaná oblast není narušena snímači nebo sondami - Světelné svazky možno považovat za zbavené setrvačnosti, lze zaznamenávat okamžité dynamické děje - umožňuje zviditelnit teplotní a koncentrační pole u transparentních, tvarově složitých předmětů - neklade vysoké nároky na kvalitu zaznamenávaného povrchu, možno měřit přímo na objektu

Nevýhody interferometrických metod - zařízení pro interferenci poměrně složité a investičně náročné - velikost zkoumaného objektu omezena velikostí zorného pole objektivu - metodu možno aplikovat převážně v laboratorních podmínkách z důvodu stability optické soustavy - při použití skutečné interferometrické aparatury nutno brát v úvahu odchylky od ideální soustavy a započítat korekce -není možné vidět, zda rozdíl fázového posuvu je pozitivní, nebo negativní - např. směr působící síly která vyvolá deformaci - použitelné jen pro menší deformace, pak interferenční obrazec ztrácí přehlednost

Objekty zkoumání Základní dělení: - průhledné (transparentní) - nepruhledné (difůzně odrážejí světlo) Od reálných difůzních předmětů se světelná vlna odráží, transparentními prochází V některých případech se pro zlepšení odrážecích charakteristik pokrývá povrch difůzních objektů odrážející vrstvou. Např. aluminiovou barvou

Základní charakteristiky objektů zkoumání Charakteristiky a kritéria objektů zkoumání: - stupeň transparentnosti - stupeň odrazu - mikroreliéf povrchu - vnějsí rozměry - tvar a stabilita v čase Rozměry zaznamenávaných objektů by měli odpovídat kritériím: - výkon a koherentní délka zdroje záření (laseru) - rozlišovací schopnost - rozměr záznamového materiálu

Záznam holografického interferogramu Podobně jako podle obr. 1 se vytvoří záznam hologramu nejprve v počáteční fázi a poté se předmět umístí do původní polohy a vytvoří se další hologram v jiné fázi (např. po zatížení). Po vyvolání a osvětlení hologamu referenčním svazkem pozorujeme přez hologram oba dva stavy předmětu (např. před a po deformaci). Tyto vlnoplochy mezi sebou interferuji, coz se projeví vznikem interferenčních proužků na zobrazeném předmětu. V místě větší deformace bude i více interferenčních proužků a v místě menší deformace bude proužků méně a budou širší Používané metody: - metoda v reálném čase - metoda dvou expozicí - sendvičová metoda

Metoda v reálném čase časový interval mezi interferujícími vlnoplochami můžeme libovolně měnit, metoda tzv. „živých proužků“. Změny interferenčních obrazu jsou pozorovatelne v čase. Podstata metody: - nejprve záznam počáteční fáze předmětu (interference objektové a referenční vlny) - poté změna stavu a rekonstrukce hologramu pomocí referenční vlnoplochy - rekonstruovaný obraz interferuje s předmětovou vlnou v aktuálního stavu objektu - při použití nastavení interferometru na konečnou šířku proužků se po deformaci a interferenci proužky deformují a mění tvar

Schema pro výklad Metody v reálném čase L – laser, D – dělič, Z1, Z2 – zrcadla, O – objektiv, H – hologram, P – rekonstruovaný obraz předmětu, P’ – okamžitý stav předmětu, MO – mikroobjektív, R – rozptylka, U0 – vlna odražená od předmětu P, U0‘ – vlna odražená od předmětu P‘

Metoda dvou expozicí Při každém exponování se fixuje světelná vlna deformovaná fázovým předmětem a nebo difuzně odražená, přičemž např. veličiny deformace se liší jedna od druhé Interferenční obraz charakterizuje změnu objektové vlny, která vznikla v čase mezi objema expozicemi. Je založena na interferenci dvou rekonstruovaných vln Dvojitá expozice dovoluje zaznamenat změny, které se postupně dějí v jednom směru a to tak, že následující referenční stavy jsou postupně zaznamenávány jako stavy předcházejících změn Umožňuje trvale zaznamenat holografický interferogram a posloupnost změn

Schema pro výklad Metody dvou expozic L – laser, D – delič, Z1 – zrcadlo, PF1 – prostorový filtr, O – objektiv, H – hologram, P, P’ – rekonstruovaný obraz předmětu před a po deformaci

Porovnání obou metod Metoda reálného času: - pomocí jednoho hologramu počátečního stavu lze pozorovat časový průběh vývoje interferenčního obrazce - umožňuje zkoumání dynamických dějů a jejich záznam kamerou - vyžaduje menší stabilitu optické soustavy než metoda dvou expozicí Metoda dvou expozicí: - technicky snadněji realizovatelná - vyšší kontrast interferenčního obrazu - trvale zachovává informaci o změnách objektu

Holografická interferometrie s dvěma vlnovými délkami Pro měření s dvěma vlnovými délkami současně je třeba mít k dispozici dva lasery s různými vlnovými délkami (co největší diference mezi sebou) Dráhy svazků pro obě vlnové délky jsou identické Pro záznam nutný fotografický materiál schopný zaznamenat oba snímky současně s různými vlnovými délkami Upřednostňují se takové látkové systémy, u kterých je možné s dostatečnou přesností odlišit a určit přenosové koeficienty pro přestup tepla a přenos látky Použití např. při sušení, hoření

Klasifikace holografických soustav Základní holografické soustavy podle druhu zkoumaného předmětu: - soustavy pro difůzně odrazivé předměty  metoda s dělením vlnoplochy  metoda s dělením amlitudy - soustavy pro transparentní (fázové) předměty

Soustavy pro difůzně odrazivé předměty Metoda s dělením vlnoplochy Metoda s dělením amplitudy a – laser, d – objekt, b – rozptylná čočka, c – zrcadlo, e – holografická deska a – laser, f – objekt, c – zrcadlo,g – hol. deska,b – delič

Soustavy pro transparentní (fázové) předměty Metoda s dělením vlnoplochy Metoda s dělením amplitudy a – laser, d – objekt, b – rozptylná čočka, c – zrcadlo, e – holografická deska a – laser, f – objekt, c – čočka, e - zrcadlo, g – hol. deska,d – delič

Srovnání obou metod Metody s dělením amplitudy: - nejvíc využívají světelný tok laserového záření - dovoluje zkracovat dobu expozice - univerzálnější Metody s dělením vlnoplochy: - jednodušší - menší množství optických prvků

Stabilita interferenčního pole Zabezpečení stability optické soustavy po dobu expozice značný problém Při pohybu některé části zařízení po dobu expozice tak, že se interferenční obrazec překryje z max. osvětlení do min. a naopak, potom na záznamu nevznikne interferenční struktura Pro kontrolu stability optické soustavy se využívá Michelsonův interferometr (viz obr.)

Michelsonův interferometr - kontrola stability a) stabilní interferenční pole b) nestabilní interferenční pole

Digitalizace záznamu holografického interferometru - dříve často používaný fotografický záznam - nevýhoda zdlouhavého vyvolávání - výhoda snadné dostupnosti, nízké náklady - dnes použití počítačů, digitalizace záznamu - přímé snímání obrazu pomocí CCD kamer - digitalizace analog. záznamu scannováním - možno digitální záznam upravovat přímo v Software - reprodukce a kopie záznamu bez šumu

Aplikace holografické interferometrie - diagnostika korpusu houslí - experimentální metody mají stále v analýze stavu deformace a diagnostiky i přes rozvíjející se numerické metody stále své místo - v současnosti významné použití holografie k nedestruktivnímu testování korpusu houslí a jeho částí - technologie stavbu houslí, zavedení určitých předpětí do horní a spodní rezonanční desky nelze zjistit roentgenem nebo ultrazvukem, ale spolehlivě jen holografickou metodou - v důsledku zatížení korpusu houslí vzniká v místech vzájemného působení jednotlivých částí náhlá změna tvaru interferenčních proužků rekonstruovaného obrazu

Popis experimentu Experimentální výzkum diagnostiky vrchní rezonanční desky se uskutečnil dvouexpoziční metodou holografické interferometrie Metodou reálného času se posuzovala možnost zobrazení basového trámce, přilepeného k vnitřní straně rezonanční desky Zároveň se ověřovaly optimální velikosti mechanického a teplotního zatížení, při kterém je možno vyšetřované změny nejlépe zviditelnit Tyto informace posloužily k získání interferogramu metodou dvou expozicí, který bylo možné dále studovat

Basový trámec - obrázky Zviditelnění působení basového trámce na vrchní rezonanční desku při působení všech strun Zviditelnění basového trámce při mechanickém namáhaní

Výsledky a diskuse - získané výsledky prezentované na obrázcích ukázali přítomnost basového trámce z vnější strany vrchní rezonanční desky, vznikem poruch interferenčního pole při mechanickém namáhání strun - náhlé změny interferenčního pole mohou být způsobeny větším průřezem basového trámce a nebo malou tloušťkou vrchní rezonanční desky - na kvalitním hudebním nástroji nebyly zaznamenány prudké změny interferenčních proužků. Tam je zřejmá vyváženost průřezu basového trámce a tloušťky rezonanční desky, viz obr.

Výsledky a diskuse - obrázky Zviditelnění basového trámce při tepelném namáhaní Vliv basového trámce na vrchní desku u kvalitního nástroje (koncertní housle)

Závěr, zhodnocení experimentu - holografickou interferometrii lze s výhodou použít jako diagnostickou a defektoskopickou metodu k identifikaci basového trámce, jeho uložení a působení na vrchní rezonanční desku houslí - dále pro zjišťování odlepení jednotlivých částí nástroje, šíření trhlin na vrchní a spodní rezonanční desce, vlastností nátěrových látek, předpětí ve vrchní rezonanční desce, napadení dřeva škůdci a mnoha dalších atributů, které ovlivňují výslednou kvalitu nástroje - holografická interference hraje významnou roli v oblasti výzkumu a vývoje strunových hudebních nástrojů, převážně z důvodu bezkontaktního měření mechanických vlastností částí nástrojů

Literatura Černecký J., Pivarčiová E., Holografia a jej technické aplikácie, www. holografia.szm.sk Balaš, J. – Szabó, V.: Holografická interferometria v experimentálnej mechanike. Bratislava, Veda 1986. Miler, M.: Holografický záznam v neideálních: podmínkách. JMNO č. 10, 1978, s. 271– 274.