3.3.6. Голографический эффект

Голографический эффектзаключается в записи, воспроизведении и преобразовании волновых полей. Структурная схема голографического эффекта показана на рис. 3.25.

В основе эффекта лежат явления дифракции и интерференции волн. Если на регистрирующую среду (фотопластинку) одновременно направить две волны А₁и А₂ (рис. 3.26), то в результате сложения этих двух когерентных волн получится интерференционная картина, в которой распределение интенсивности света описывается выражением [23]

где и– комплексные амплитуды колебаний волн А₁и А₂;J₁,J₂ иφ₁,φ₂– амплитуды и фазы волн А₁и А₂.

Рис. 3.25 1 – лазер; 2 – светоделитель;

3 – фотопластинка; 4 – объект

Рис. 3.26

Проявленная фотопластинка с изображением, соответствующим распределению интенсивности света I_∑, названаголограммой.Она содержит информацию о разности фаз волны А₁(опорная волна) и волны А₂(сигнальная, или предметная волна) и представляет собой сложную дифракционную решетку. Если голограмму снова осветить опорной волной А₁, то получится новая волна с комплексной амплитудой:

. (3.54)

Члены, содержащие амплитуду и фазу предметной волны, описывают волну, которая образует трехмерное изображение.

Следует отметить, что тонкая фотопластинка позволяет зарегистрировать интерференционное поле опорной и сигнальной (предметной) волн в одном его сечении, информация о распределении плотности потока энергии электромагнитного поля в соседних сечениях теряется. С увеличением толщины фотопластинки на ней зарегистрируются другие сечения. Для получения трехмерного изображения объекта необходимо, чтобы толщина фотоэмульсии была больше длины волны излучения.

Голография широко используется для бесконтактного измерения геометрических размеров, параметров рельефа различных объектов, контроля их состояния и др. Например, для контроля деформации объекта при различных температурах на одну и ту же пластинку последовательно во времени записывают две голограммы контролируемого объекта. Одна голограмма отражает состояние объекта при температуре Т₁, а другая – при температуре Т₂. При восстановлении такой «двойной» голограммы формируются две волны, которые интерферируют между собой. Если состояние объекта изменилось при изменении его температуры (изменились его геометрические параметры), то в результате восстановления голограммы получим изображение, покрытое интерференционными полосами, отражающими характер происшедших изменений.

3.4. Физические эффекты с тепловыми результатами воздействия

Тепловое излучение

Любой объект, атом и молекула совершают колебательные движения. В свою очередь вибрирующие частицы являются источниками электромагнитного поля, которое распространяется со скоростью света. Таким образом, любой объект является источником электромагнитного излучения. Полный спектр электромагнитного излучения имеет диапазон от радиоволн до γ-излучения.

Спектральная плотность потока излучения (светимость) связана с абсолютной температурой излучающего объекта. Эта связь выражается законом Планка, который для абсолютно черного тела (АЧТ) имеет вид

, (3.55)

где λ – длина волны;Т – абсолютная температура;С₁= 3,74183 2^.10^-16 Вт^.м²;С₂= 0,01 438 786 м^.К;М_λ,Т– плотность потока излучения (мощность электромагнитного потока на единицу длины волны).

При малых λТ можно вместо выражения (3.55) пользоваться законом Вина

. (3.56)

Полная мощность излучения (суммарная светимость) АЧТ определяется законом Стефана–Больцмана:

(3.57)

где σ = 5,67 032 ^.10^-8Вт/(м^2.К⁴) – постоянная Стефана–Больцмана.

Так как температура является статистическим выражением средней кинетической энергии, она определяет наиболее вероятную частоту и длину волны колеблющихся частиц. При увеличении температуры максимумы кривых М_λ,Тсдвигаются в ультрафиолетовую область спектра. Сдвиг максимума излучения подчиняется закону смещения Вина, который устанавливается в виде двух зависимостей:

;(3.58)

где А = 28 978 ^.10^-7м^.К;b₁= 1 2816^.10^-9Вт/(м^3.К⁵).

Спектр излучения, его мощность и пространственные характеристики зависят от температуры тела и его излучающей способности, что позволяет использовать тепловое излучение для измерения и контроля температуры различных объектов бесконтактным методом. Так как однозначная зависимость между мощностью, спектром излучения и температурой существует только для АЧТ, то для оценки излучательной способности реальных (серых) тел вводят понятие коэффициента излучения ε_λ. Для АЧТ и серых телε_λ = α_λ, т. е. коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения реального тела. Для реальных объектов введены понятия эквивалентных температур [8], к которым относятся яркостная температура, радиационная (энергетическая) температура и цветовая температура.

Яркостная температураТ_Ясерого излучателя – это температура АЧТ, при которой его спектральная плотность для некоторой длины волны λ равна спектральной яркости данного излучателя при той же длине волны:

(3.59)

где Т_И– истинная температура излучателя.

Радиационная (энергетическая) температураТ_Эсерого излучателя – это такая температура АЧТ, при которой его яркость равны яркости данного излучателя:

(3.60)

Цветовая температураТ_Цсерого излучателя – это такая температура АЧТ, при которой «цвета» их излучений совпадают:

, (3.61)

где λ₁и λ₂– длины волн, на которых сравнивается цветность излучения;

и– коэффициенты излучения на длинах волн λ₁и λ₂.

Теоретически спектр тепловых излучений является бесконечным. На практике наиболее широко используется инфракрасный (ИК) диапазон излучения. Использование чувствительных приемников ИК излучения позволяет применять пирометрические методы для измерения не только высоких, но и низких температур. На практике широко используются пирометры частичного излучения (яркостные пирометры), действие которых основано на законеПланка, пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры), в которых используется зависимость от температуры отношения спектральных плотностей энергетических яркостей на двух или нескольких длинах волн, ипирометры полного излучения (радиационные пирометры), воспринимающие полную энергию излучения. Также законы теплового излучения широко используются для получения видимого изображения и регистрации температурного поля поверхности различных объектов с помощью тепловизоров, термографов и других устройств.