Двухдлинноволновая цифровая голографическая интерферометрия в технических приложениях

Введение. Исследован метод двухдлинноволновой цифровой голографической интерферометрии анализа и контроля формы поверхности для технических приложений. Данный метод является бесконтактным и применим для поверхностей, которые подвержены воздействию, в том числе высокотемпературной плазмы в термоядерных реакторах. Показана возможность применения метода с использованием перестраиваемых по длине волны лазеров и миниатюрных вертикально-излучающих диодов. Метод. В основе метода лежит двухдлинноволновая (длины волн 854,000–854,082 нм и 779,900–779,870 нм) цифровая голографическая интерферометрия. Для получения информации о форме объекта выполняется сравнение фазы отраженных от объекта волновых фронтов, зарегистрированных на разных длинах волн. Чувствительность метода определяется величиной синтетической длины волны, которая равна разности длин волн, используемых при записи цифровых первичных голограмм. Основные результаты. Показана возможность применения в рассматриваемом методе вертикальноизлучающих диодов (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) в качестве когерентного источника лазерного излучения. Установлено, что VCSEL имеют длину когерентности около 20 см, а длина волны излучения линейно зависит от величины проходящего тока. Продемонстрирована стабильность длины волны излучения в пределах 1 % в течение 24 часов непрерывной работы. Показаны возможности метода двухдлинноволновой голографической интерферометрии для измерения формы объектов на примерах элемента кузова автомобиля и защитного элемента внутренней стенки реактора Токамак. Обсуждение. Результаты исследований подтвердили возможность применения техники двухдлинноволновой голографической интерферометрии для измерения формы поверхности технических объектов различного типа. Известный и широко применяемый метод проекции полос недостаточно надежно работает на слабо рассеивающих или зеркально отражающих поверхностях. Использование известной системы Лидар требует проводить сканирование поверхности в течение определенного промежутка времени, что при нестабильности объекта (механические перемещения, вибрации) может приводить к ошибкам измерений. В отличие от данных методов исследованный метод позволяет повысить точность измерений за счет малого времени экспозиции камеры (миллисекунды, микросекунды или с использованием импульсов до 10 нс). Недостатком метода двухдлинноволновой голографической интерферометрии является зависимость взаимной корреляции спекл-структур на голограммах от разности длин волн. Для увеличения чувствительности метода необходимо увеличивать эту разность, что ухудшает соотношение сигнал-шум и снижает точность полученных данных.

1. Pedrini G., Zou Y.L., Tiziani H.J. Digital double-pulsed holographic interferometry for vibration analysis // Journal of Modern Optics. 1 9 9 5 . V. 4 2 . N 2 . P. 3 6 7–374.https://doi.org/10.1080/09500349514550321

2. Pedrini G., Zou Y.-L., Tiziani H.J. Simultaneous quantitative evaluation of in-plane and out-of-plane deformations by use of a multidirectional spatial carrier // Applied Optics. 1997. V. 36. N 4. P. 786–792. https://doi.org/10.1364/ao.36.000786

3. Pedrini G., Tiziani H., Zou Y. Digital holographic interferometry // Digital Speckle Pattern Interferometry and Related Techniques / ed. by P.K. Rastogi. Chichester, N.Y.: Wiley, 2001. P. 337–362.

4. Alexeenko I., Gusev M., Gurevich V. Separate recording of rationally related vibration frequencies using digital stroboscopic holographic interferometry // Applied Optics. 2009. V. 48. N 18. P. 3475–3480. https://doi.org/10.1364/ao.48.003475

5. Vandenrijt J.-F., Thizy C., Martin L., Beaumont F., Garcia J., Fabron C., Prieto É., Maciaszek T., Georges M.P. Digital holographic interferometry in the long-wave infrared and temporal phase unwrapping for measuring large deformations and rigid body motions of segmented space detector in cryogenic test // Optical Engineering. 2016. V. 55. N 12. P. 121723–121723. https://doi.org/10.1117/1.oe.55.12.121723

6. Dyomin V., Gribenyukov A., Davydova A., Zinoviev M., Olshukov A., Podzyvalov S., Polovtsev I., Yudin N. Holography of particles for diagnostics tasks // Applied Optics. 2019. V. 58. N 34. P. G300–G310. https://doi.org/10.1364/ao.58.00g300

7. Belashov A.V., Zhikhoreva A.A., Semenova I.V. Recording of long low-amplitude bulk elastic waves in transparent solid waveguides by digital and classical holography // Applied Sciences. 2022. V. 12. N 3. P. 1687. https://doi.org/10.3390/app12031687

8. Zou Y.L., Pedrini G., Tiziani H.J. Two-wavelength contouring with a pulsed ruby laser by employing TV-holography // Journal of Modern O p t i c s . 1 9 9 6 . V. 43. N 3. P. 653–646. https://doi.org/10.1080/09500349608232771

9. Wagner C., Osten W., Seebacher S. Direct shape measurement by digital wavefront reconstruction and multi-wavelength contouring // Optical Engineering. 2000. V. 39. N 1. P. 79–85. https://doi.org/10.1117/1.602338

10. Carl D., Fratz M., Pfeifer M., Giel D.M., Höfler H. Multiwavelength digital holography with autocalibration of phase shifts and artificial wavelengths // Applied Optics. 2009. V. 48. N 34. P. H1–H8. https://doi.org/10.1117/1.602338

11. Pitts R.A., Bonnin X., Escourbiac F., Frerichs H., Gunn J.P., Hirai T., Kukushkin A.S., Kaveeva E., Miller M.A., Moulton D., Rozhansky V., Senichenkov I., Sytova E., Schmitz O., Stangeby P.C., De Temmerman G., Veselova I., Wiesen S. Physics basis for the first ITER tungsten divertor // Nuclear Materials and Energy. 2019. V. 20. P. 100696. https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.100696

12. Razdobarin A.G., Gasparyan Y.M., Bogachev D.L., Dmitriev A.M., Elets D.I., Koval A.N., Kurskiev G.S., Mukhin E.E., Bulgadaryan D.G., Krat S.A., Marenkov E.D., Alekseenko I.V. Diagnostics complex of the first wall and divertor of tokamak with reactor technologies: control of erosion and temperature and monitoring of fusion fuel build-up // Plasma Physics Reports. 2022. V. 48. N 12. P. 1389–1403. https://doi.org/10.1134/s1063780x22700283

13. Schnars U., Juptner W. Digital Holography. Springer-Verlag and Heidelberg GmbH & Company K, 2005. 164 p.

14. Takeda M., Ina H., Kobayashi S. Fourier-transform method of fringepattern analysis for computer-based topography and interferometry // Journal of the Optical Society of America. 1982. V. 72. N 1. P. 156– 160. https://doi.org/10.1364/josa.72.000156

15. Friesem A.A., Levy U. Fringe formation in two-wavelength contour holography // Applied Optics. 1976. V. 15. N 12. P. 3009–3020. https://doi.org/10.1364/ao.15.003009

16. Kreis T. Handbook of Holographic Interferometry: Optical and Digital Methods. Wiley, 2005. 554 p.

17. Claus D., Alekseenko I., Grabherr M., Pedrini G., Hibst R. Snap-shot topography measurement via dual-VCSEL and dual wavelength digital holographic interferometry // Light: Advanced Manufacturing. 2021. V. 2. N 4. P. 403–414. https://doi.org/10.37188/lam.2021.029

18. Pedrini G., Alekseenko I., Jagannathan G., Kempenaars M., Vayakis G., Osten W. Feasibility study of digital holography for erosion measurements under extreme environmental conditions inside the International Thermonuclear Experimental Reactor tokamak // Applied Optics. 2019. V. 58. N 5. P. A147–A155. https://doi.org/10.1364/ao.58.00a147

19. Goodman J.W. Wavelength and angle diversity // Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications. Greewood Village: Roberts and Company Publishers, 2006. P. 153–169.