Файл: Применения лазеров..pdf

ма была значительно ниже и приблизительно в 20 раз пре­ вышала диаметр частицы. Точность определения углового положения треков достигала ±4°.

Пузырьки моделировались с помощью стеклянных ша­ риков диаметром 150 мкм, свободно падающих через ячей­ ку, заполненную полигликолем. Показатель преломления шариков равнялся 1,52, а показатель преломления жид­ кости 1,45. При реконструкции голограмм этих шариков получались изображения с весьма хорошим разрешением. Относительная точность определения диаметров частиц составляла ~3% . Точность определения положения рав­ нялась 10—20 диаметрам частицы, что хуже точности, достигаемой в распространенном методе триангуляции, в котором используется пара фотографий пузырьковой ка­ меры. Это ограничение для данной голографической схемы носит фундаментальный характер и зависит от эффективной апертуры схемы голографической регистрации, которая определяется диаметром голограммы, создаваемой отдель­ ной частицей. Значение эффективной апертуры рассчи­ тывается просто и хорошо согласуется с результатами эк­ спериментов, упоминавшихся выше. Увеличение точности определения положений частиц потребовало бы исполь­ зования пленок с более высоким разрешением, что неже­ лательно при регистрации изображений пузырьковой ка­ меры.

В дальнейших экспериментальных исследованиях для подавления изображений лишних треков была применена оптическая пространственная фильтрация [93].

Частицы очень малых размеров. Ряд успехов был дос­ тигнут в этой области сравнительно недавно. Хиклинг [52] получил голограммы Фраунгофера с помощью ЭВМ. Го­ лограммы давали хорошие реконструкции. Для синтеза голограмм сферических жидких капель, освещаемых плос­ кой волной монохроматического линейно поляризованно­ го света, Хиклинг использовал электронно-лучевую труб­ ку, соединенную с ЭВМ.

Определение картины дальнего поля излучения, рас­ сеянного каплями, проводилось на основе классической теории Ми. Наиболее ярко выраженные максимумы и ми­ нимумы в картине рассеянного излучения имеют место недалеко от переднего лепестка диаграммы рассеяния,

46 Брайен Дж. Томпсон

если частица наблюдается в плоскости, перпендикулярной направлению поляризации падающей волны. Характерные максимумы и минимумы регистрировались на голограмме. При расчете в качестве источника опорного пучка был взят электрический диполь с осью поляризации, параллельной поляризации излучения, освещающего частицы. Изобра­ жения с голограмм, полученных в результате расчета, восстанавливались с помощью Не—Ne-лазера небольшой мощности. Восстановленные изображения обнаруживали все соответствующие максимумы и минимумы картины рас­ сеянного излучения.

Хиклинг предложил использовать голографию для оп­ ределения размеров сферических жидких капель диамет­ ром 0,5—20 мкм. Метод основан на технике получения голограмм, синтезированных на ЭВМ. Его эффективность зависит от соотношения угловых положений максимумов и минимумов, от длины волны излучения и от размеров частиц.

В работе [130] показана возможность обнаружения суб­ микронных частиц, определения их концентрации и про­ странственного положения в исследуемом объеме. Частицы диаметром менее 1 мкм ведут себя подобно точечным рассе­ ивателям. Голограмма образуется сложением сферической волны от точечного рассеивателя и фона нерассеянной плоской волны. Когда голограмма субмикронных объектов освещается восстанавливающим пучком, распределение ин­ тенсивности в изображении совпадает с импульсным от­ кликом всей системы, помещенной в местоположение исход­ ного точечного объекта. Приведены результаты, полученные с мелкодиспергированным гидрозолем латекса, сферичес­ кие капли которого со средним диаметром 0,365 мкм поме­ щались на покровном стекле микроскопа.

Исследование размеров частиц методом электронно­ лучевой голографии. Один из самых интересных результа­ тов был получен в работе [135] по оптическому восстанов­ лению изображений из электронных голограмм Фраунго­ фера. Непрозрачные частицы золота диаметром 100 Â освещались коллимированным квазимонохроматическим пуч­ ком электронов с длиной волны Хе= 0,037 Â, а восстанов­ ление осуществлялось светом Не—Ne-лазера.

3.3. Определение размеров частиц методом голографирования

свнеосевым опорным пучком

Определение размеров микрочастиц очень сложно с эк­ спериментальной точки зрения. Поэтому не удивитель­ но, что здесь были испробованы и другие подходы. Брукс и др. [12] сконструировали и построили ряд различных «го­ локамер» для анализа размеров частиц и, в частности, для исследования аэрозолей в ракетных двигателях. В качестве источника излучения они использовали импульсный руби­ новый лазер по тем же причинам, что и в ранее описанных голографических камерах.

фикации рубинового лазера с целью увеличения его временной и пространственной когерентности. Использова­ ние отдельного опорного пучка ставит также задачу тща­ тельного согласования оптических путей, проходимых объектным и опорным пучками.

Схема голокамеры, предназначенной для исследования процессов в камере сгорания двигателя диаметром 450 мм и силой тяги 11,2 т, приведена на фиг. 17. Лазерный пу­ чок расширяется и коллимируется посредством галиле­ евского телескопа (/, 2, 3), после чего расщепитель луча 10 разделяет его на опорный 11 и на объектный пучки 13. Пучок, освещающий объект, проходит через расщепитель и отражается зеркалом с передней отражающей поверхно­ стью 14 и уголковым отражателем (с углом 90°) 15 на приз­ матическую пластинку и диффузный рассеиватель из ма­ тового стекла 17. Призматическая пластинка направляет луч параллельно оси двух фокусирующих линз 19, соби­ рающих свет от диффузного рассеивателя на плоскость голограммы 22. Опорный пучок отражается от расщепи­ теля, проходит через трубу диаметром 15 см и отражается двумя зеркалами 21 на плоскость голограммы. Угол между двумя пучками на голограмме равен 45°. Он определяется характеристиками фотоэмульсии Agfa 10Е75. В системе имеется два затвора (электрический колпачковый и меха­ нический шторного типа), которые инициируют гене­ рацию лазера. Использование узкополосных светофильт-

I1LI - Se

о°=5 u

s I

3--SiS! ^ 5ж-©*

S в cf’Ö' о

3 c I

"’S C S S*

aagj s

I а ? і сй

* I I «8 Я0"!1§ О ^ Üs я; a. . . .Ё^S 4 P Ug\0

кЯОтЖ£ о S«я °

■з а >. со^а

" >» 5

излучения пламени в камере сгорания и рассеянный сол­ нечный свет.

На фиг. 18 показан общий вид системы. Получаемые голограммы восстанавливаются излучением Не—Ne-ла­ зера. Разрешение изображения исследуемой области луч­ ше 100 мкм.

3.4. Фотография

3.4.1.Импульсная лазерная фотография

Голографическими методами можно усовершенствовать фотографию процессов, изменяющихся во времени, или быстропротекающих событий, особенно если точно не известно, где в заданном объеме может произойти это собы­ тие/ Поэтому можно попытаться применить голографичес­ кую технику исследования размеров частиц в микрофото-

в режиме свободной генерации, а также в режиме модуляции добротности, тщательно согласуя длины оптического пути опорного и объектного пучков.

На фиг. 19 показана схема установки, разработанной

довольно интересны, но аналогичные изображения можно получить с помощью обычной высокоскоростной фотогра­ фии. Голографический метод, однако, дает большую глу­ бину поля изображения.

Таннер [119] показал, как применить эту технику в исследованиях механики жидкостей и газов, продемонстри­ ровав ее возможности на газовом пламени. Очень важным результатом этой работы является следующее: если получена голограмма объекта, то изображение его можно регистри­ ровать и наблюдать так, как если бы оно было зарегистри­