Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Оптика | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

ФотографииВзрыв?..

Хроника одного расследования

Ясинский В.Б. (Карагандинский государственный технический университет)
Содержание

Голография - это не только голограммы

У любой великой идеи есть недостаток, равный или превышающий величие этой идеи.

Закон Ханта


Такой идеей, внесшей новую (как впоследствии выяснилось, довольно плодотворную) струю в проводимые работы, стала голография. В особенности один из ее методов - голографическая интерферометрия. Развивать это направление в нашей лаборатории довелось именно мне.
Необходимую аппаратуру в то время получить было крайне сложно. Дело было не в деньгах. Деньги на кафедре были - мы их заработали. Просто в дефиците было абсолютно все. Заявку на любое оборудование нужно было подавать за 2-3 года, и не было никаких гарантий его получения. Однако все препоны были преодолены, и в июне 1981 года в адрес кафедры поступила разработанная в московском ВНИИОФИ и изготовленная на вильнюсском заводе "Матас" импульсная голографическая установка УИГ-1М.
Весь свой отпуск (до него ли было!) и остаток того года я осваивал новую для себя область деятельности. Я окончил физфак по кафедре теоретической физики, но с удовольствием занимался именно экспериментом. Кстати, подготовка, полученная в качестве "теоретика", очень сильно помогла мне в дальнейшей экспериментальной работе, сделав меня во многом независимым и свободным в принятии решений.

Кому нужна неработающая установка?

Если зеленое или дергается - это биология.
Если дурно пахнет - химия.
Если не работает - физика.

Краткий определитель современных наук


Пока я разбирался с голографией и монтировал установку, работа по исследованию канала пробоя продолжалась. Наконец пришло время запускать установку.
И вот тут выяснилось, что
в поставляемом с завода виде голографическая установка УИГ-1М для исследований канальной стадии пробоя твердых диэлектриков абсолютно не годится!
Мало того, что работу рубинового лазера со штатным пассивным модулятором добротности практически невозможно было синхронизировать с нужной стадией исследуемого явления, но и управляющая лазером электроника вылетала почти при каждом пробое исследуемого образца.
Это было как шок. Столько трудов по монтажу, столько надежд и - все зря?
Пришлось залезть в теорию лазерной техники, основательно разобраться в способах защиты от помех и наводок, перелопатить гору литературы, съездить в несколько командировок - благо, с ними проблем не было. Результатом всего этого стала полная переделка всей системы управления и синхронизации установки УИГ-1М.
Подготовительная работа была проведена колоссальная. Параллельно с ней приходилось учиться, отрабатывать технологию регистрации голограмм и голографических интерферограмм, подбирать режимы химической обработки фотопластинок, отрабатывать методики расшифровки интерферограмм, продумывать план будущих экспериментов.
Лабораторный журнал тех лет сейчас читается как захватывающий детектив.

А нужна ли вообще нам голография?

Ничто так не способствует успешному внедрению новшеств, как отсутствие проверок.

Закон Муэнча


Действительно, стоило ли создавать себе лишние сложности, которые пришлось героически преодолевать? Может ничего принципиально нового этот метод исследования не дает и это только дань моде?
Такие мысли просто не могли не появиться в данной ситуации. Уже выполненный объем работ по переделке установки и, проглядывающиеся сложности в перспективе, невольно заставляли задумываться.
Однако проведенный анализ все же пролил бальзам на израненные души и позволил несколько успокоиться - не все так мрачно в подлунном мире.
В тезисном виде результаты анализа выглядели следующим образом:
  • Теневые, поляризационные, интерферометрические и голографические оптические методы исследования основываются на измерении рефракции, амплитуды, состояния поляризации или фазы прошедшего через изучаемый объект зондирующего излучения. Каждому из перечисленных методов присуща своя специфика, накладывающая определенные ограничения на область его применения
  • Деление оптически прозрачных объектов на фазовые, амплитудные и рефрагирующие достаточно условно. Реальные объекты, с которыми приходится иметь дело в экспериментах, изменяют и фазу и амплитуду и направление распространения зондирующего излучения. Это приводит к тому, что основным критерием применимости каждого конкретного метода становится величина ошибки, вносимой им в конечный результат. Однако и ее зачастую оценить заранее достаточно трудно.
  • Исследования методом фотоупругости процессов, происходящих в оптически активных средах, априори требует полной оптической однородности среды. Дело в том, что замороженные статические напряжения и связанные с ними дополнительные искажения состояния зондирующего излучения способны полностью смазать картину исследуемого явления.
  • Единственным оптическим методом, использующим рефракцию в чистом виде, является теневой. Все его разновидности позволяют по измерению освещенности в плоскости регистрации определить углы отклонения зондирующего излучения. По этим данным с помощью соответствующего алгоритма можно восстановить поле градиента, то есть первой производной, показателя преломления внутри изучаемого объекта и связанных с ним величин. Однако это становится возможным только при тщательном учете поглощения объектом зондирующего излучения, фоновой засветки при исследовании самосветящихся объектов и искажений, вносимых конечностью линейного участка кривой почернения и фотохимической обработкой регистрирующего материала, в случае его применения. Все это сопряжено со значительными экспериментальными трудностями и не гарантирует полного учета вносимых искажений.
  • Классическая интерферометрия также предъявляет повышенные требования к оптической однородности исходного состояния объекта. Кроме того углы рефракции на самом объекте не должны превышать 0.1 мрад, иначе интерференция несоответственных лучей исказит картину исследуемого явления. Если же в изучаемом объекте присутствует сильное поглощение на длине волны зондирующего излучения или объект излучает в этом же диапазоне, то качество получаемой интерференционной картины может ухудшиться настолько, что расшифровка ее может стать практически невозможной.
  • Голографические методы не чувствительны к некогерентной засветке, позволяют работать с оптически неоднородными средами в оптических трактах, но по отношению к рефракции аналогичны интерференционным методам.
  • Уровень рефракции нашего объекта можно было проверить, причем предварительные данные уже говорили в пользу возможности применения интерферометрии.
    Перспективы же использования в экспериментах оптических элементов обычного качества без ухудшения вида получаемой интерференционной картины и возможность исследовать процессы в оптически неоднородных средах были решающими, поскольку все неоднородности оптического тракта, неизменные в обеих экспозициях, компенсируются.
    И что еще делало голографию очень привлекательной для целей изучения канальной стадии пробоя твердых диэлектриков, так это то, что из-за высокой селективности регистрирующих материалов (голографических фотопластинок) и специфических особенностей процесса записи голограммы даже очень яркая, но некогерентная (как при пробое) засветка, не приводит к сколько-нибудь существенному ухудшению голографических интерферограмм.
    Короче говоря, голография способна была помочь получить новые, ранее недоступные нам сведения об изучаемом явлении.

    Первые интерферограммы и первые вопросы

    Число гипотез, объясняющих данное явление, обратно пропорционально объему знаний о нем.

    Теория Эдингтона

    Все великие открытия делаются по ошибке.

    Закон Янга


    В конце 1982 и начале 1983 годов, наконец, появились первые результаты.
    Человеку свойственно забывать неудачи и помнить только о своих успехах. Но скрывать не буду, ошибок и неудач в процессе работы было много. Гораздо больше, чем хотелось бы. Мы учились. Быстро учились. Но почти всегда на своих собственных ошибках. Тогда не было сегодняшнего информационного пространства типа Internet, да и проконсультироваться по нашим бедам, в общем-то, было не у кого.
    Времени от момента получения голографической установки до запуска ее в эксплуатацию прошло довольно много. План предстоящих экспериментов тоже был, вроде бы, продуман достаточно подробно. Однако далеко не все получалось сразу так, как хотелось.
    Первая двухэкспозиционная ГИ, полученная при настройке на бесконечно широкую полосу, приведена на Рис.1. Она снималась с диффузным рабочим и расходящимся опорным пучками по самой простой оптической схеме.
    Одноракурсный голографический интерферометр

    Настройка на бесконечно широкую полосу
    Рис. 1. Голографическая интерферограмма плазменного факела

    Рис. 2. Схема образца с одним направлением выброса плазмы из канала пробоя

    Информации такая ГИ практически не несет. Хотя, как сказать. Вам это ничего не напоминает? Вот-вот, именно такие мысли возникли и у нас. Попробовали разобраться. На Рис.2 показана схема образца, при пробое которого и был получен этот снимок.
    Попробовали изменить схему эксперимента (Рис. 3).
    Рис. 3. Схема образца с двумя направлениями выброса плазмы из канала пробоя

    Настройка на бесконечно широкую полосу. Рабочий пучок диффузный.
    Рис.4. ГИ, полученная для двух направлениях выброса плазмы

    Новая голографическая интерферограмма принесла только новые вопросы.
    Факт, как говорится, был на лицо. А вот удобоваримой трактовки ему не было. Один из вариантов объяснения заключался в том, что все дело в конфигурации магнитного поля, возникающего при протекании по каналу пробоя электрического тока (его амплитудное значение достигает нескольких килоампер). Но все попытки построения картины силовых линий этого поля и объяснения наблюдаемого явления, ни к чему хорошему не привели. В отрицании такого варианта объяснения сыграло роль и изменение геометрии эксперимента, при которой было опробовано несколько способов взаимной ориентации электродов и капилляра: оба электрода располагались параллельно друг другу, капилляр ориентировался по нормали к плоскости расположения электродов и так далее. Однако поведение плазменных факелов не менялось.
    Экспериментально была отвергнута и попытка объяснить все происходящее образованием воздушных потоков из-за вибраций образца при пробое. Последующие съемки с разнообразно расположенными отсекающими экранами и в откачанной до давления порядка 0,01 мм. рт. ст. камере принципиального изменения в получаемую картину не привнесли.
    Зацикливаться на первом же непонятном факте было бы глупо. Нужны были новые данные. Причем, количественные. Данная же схема съемки ГИ количественной информации не давала. Надо было переходить к ГИ в полосах конечной ширины.
    Что же касается интерферограммы с Рис.1, то в этой хронике разговор о ней будет продолжен несколько позже. Для любопытных скажу, что первое впечатление не всегда бывает ошибочным.

    Как вытащить информацию из интерферограммы

    Работая над решением задачи, всегда полезно знать ответ

    Правило точности


    Для получения конкретных количественных данных с интерферограмм прозрачных объектов необходимо, чтобы этот объект удовлетворял определенным требованиям.
    В идеале объект должен быть фазовым. Это общее и обязательное требованиедля классической и голографической интерферометрии.Однако на практике деление оптически прозрачных объектов на фазовые, амплитудные и рефрагирующие достаточно условно. Реальные объекты, с которыми приходится иметь дело в экспериментах, изменяют как фазу, так и амплитуду и направление распространения зондирующего излучения.
    Для интерферометрических измерений (как уже отмечалось) достаточно, чтобы углы рефракции на самом объекте не превышали 0,1 мрад, Что же касается изменения амплитуды прошедшего через объект зондирующего излучения, то это обходится выбором длины волны излучения и подбором его интенсивности.
    Поскольку плазменный факел нами уже исследовался теневыми и шлирен методами, определить величину рефракции было нетрудно. Проверили и убедились, что в указанный критерий применимости интерферометрических методов мы укладываемся.
    Длина волны рубинового лазера (694,3 нм) лежала вне полос поглощения нашей плазмы. Это проверили тоже.
    Интенсивность лазерного излучения и селективность процесса записи голограмм снимали последнее препятствие.
    Казалось, что оставалось выбрать оптическую схему, отснять интерферограммы и попробовать их расшифровать. Однако опять не все было так просто.
  • Для расшифровки интерферограммы необходимо знать не только величину набега фазы, но и знак ее изменения в каждой точке интерференционной картины.
    При настройке любого интерферометра (голографический - не исключение) на бесконечно широкую полосу информацию о знаке изменения набега фазы интерференционные полосы не несут. Эти сведения нужно добывать другим путем или знать априорно. В данном случае такое положение дел устроить не могло, поскольку в плазменном факеле предполагалось неоднородное внутреннее строение, которое собственно и надо было выяснить.
    Помочь могла только настройка на полосы конечной ширины, при которой знак изменения набега фазы задается заранее при создании системы опорных полос.
    Систему таких полос можно создать несколькими способами и предстояло еще выбрать из них наиболее удобный.
  • Надо было определиться с и вопросами локализации интерференционной картины.
  • Длина волны рубинового лазера, с которым записываются голограммы (694,3 нм), и He-Ne лазера, который их восстанавливает (632,8 нм) отличаются. Поэтому для получения точной информации с интерферограммы необходимо учесть и изменение масштаба.
  • Пересъемка полученных интерферограмм тоже имеет свои нюансы, так как именно фотоснимок в конечном итоге и подвергается обработке. Их также предстояло осмыслить.
  • И, наконец, на последнем этапе, когда интерферограмма в полосах конечно ширины уже получена и переснята, ее еще надо расшифровать. А это, сама по себе, очень сложная и не однозначно решаемая задача.
  • В общем, снова впереди маячил непочатый край работы. Свет в конце туннеля отодвигался и отодвигался.
    Постепенно все перечисленные пункты были закрыты ("глаза боятся, а руки делают"). Не до конца решенным остался только выбор метода и алгоритма расшифровки интерферограмм. Однако и здесь наметился некоторый просвет.
    Было известно, что лучше всего и надежнее работают алгоритмы обработки интерферограмм аксиально-симметричных объектов. Предварительные экспериментальные данные говорили в пользу как раз такой структуры плазменного факела. Однако для полной уверенности нужно было именно интерферометрическое подтверждение этого факта.
    Забегая вперед скажу, что это подтверждение получено было. Но только после отладки всей технологии съемки голографических интерферограмм.
    А пока подготовительная работа продолжалась.

    Без качества нет и количества

    Внутри каждой большой задачи сидит маленькая, пытающаяся пробиться наружу.

    Закон больших задач Хоара


    Один из законов диалектики говорит о переходе количества в качество. Но похоже, в данном случае все верно с точностью до наоборот. Достоверную количественную информацию с голографической интерферограммы можно получить только при ее безупречном качестве. Естественно, идеал недостижим, но стремиться к нему приходилось - другого выхода просто не было.
    Именно в связи с этим и появилось несколько новых задач, которые вытекали из того, что для получения достоверной количественной информации с голографической интерферограммы необходима хорошая ДЭ (*).
    Это достигалось одновременным решением двух групп задач:
  • Поскольку все съемки проводились с импульсным лазером в режиме гигантского импульса длительностью от 40 до 20 нс, то достижение высокой ДЭ при работе методом двух экспозиций в моно- и двухимпульсном режиме работы лазера требует:
    • качественной селекции как продольных, так и поперечных мод в лазерном импульсе,
    • гарантированной стабильности геометрии оптической схемы между экспозициями.
  • Столь же необходимо было устранить или свести к минимуму влияние самих фотоэмульсий на конечный результат. Вот почему пришлось
    • подбирать и отлаживать процедуры подготовки пластинок к съемке и последующей фотохимической обработки отснятых голограмм.

    В итоге пришлось предпринять целый ряд дополнительных мер:
  • Повысить энергию в лазерном импульсе.
  • Разобраться с управлением модуляцией добротности.
  • Модифицировать резонатор для повышения селекции мод.
  • Решить вопросы конструкции оптического стола.
  • Особое внимание было уделено отработке технологии предварительной подготовки и химической обработки голографических фотоэмульсий.
    Но указанными моментами все проблемы не исчерпывались. Только решалась одна задача, как выяснялось, в затылок дышит следующая. И что самое удручающее, конец этой очереди просматривался с трудом.
    Некоторые проблемы лезли без очереди. Например, одна за другой начали вдруг взрываться лампы накачки для лазера . "Подарок", конечно, был еще тот. На выяснение и устранение причин (работать же было нельзя) пришлось затратить кучу времени. Я уже был аспирантом. Сроки поджимали, а аппаратура этого факта учитывать не желала.
    Для интересующихся, кстати, могу отметить, что Законы Мэрфи, вынесенные в эпиграф каждого раздела этой хроники, - являются абсолютной и многократно подтвержденной на практике истиной.Это мне пришлось прочувствовать на своем опыте.
    Все, что могло ломаться, ломалось.
    Все, что даже и в принципе не могло ломаться, ломалось тоже.

    В частности, из 3-х лет моего аспирантства не менее полутора лет ушло на выяснение причин всевозможных отказов экспериментальной аппаратуры и их устранение. Так что КПД работы вряд ли был выше 50%.

    Проблемы плодятся и размножаются

    Когда дела идут хорошо, что-то должно случиться в самом ближайшем будущем.

    Второй закон Чизхолма

    Когда мы пытаемся вытащить что-нибудь одно, оказывается, что оно связано со всем остальным.

    Закон Муира


    Увы, но оставалось только констатировать, что перечисленными выше и достаточно удачно разрешенными техническими вопросами проблема успешной регистрации ГИ не исчерпывалась.
    Во-первых, поскольку данные теневых и шлирен методов, позволившие сделать вывод о применимости интерферометрии к нашему объекту (напомню, что это плазма), показали, что рефракция в нем находится почти на самой границе максимально допустимых значений, необходимо было принять дополнительные меры по ее учету. В противном случае о надежности получаемых при обработке интерферограммы данных можно было бы и не говорить.
    Во-вторых, нелишним было бы независимое от голографии подтверждение принципиальной возможности получения количественной информации с голографических интерферограмм. То есть убедиться, что картина интерференционных полос действительно позволит получить данные о распределении показателя преломления.
    В-третьих, хорошо бы еще точно знать какие именно компоненты и процессы исследуемой плазмы вносят основной вклад в набег фазы и, соответственно, в показатель преломления. Но это пришлось оставить на потом и пока поверить взятыми из литературы данными о преимущественно электронной вкладе.
    Если "во-первых" можно было разрешить путем построения специальных оптических схем непосредственно в процессе съемки, то "во-вторых" требовало привлечения других экспериментальных методик.
    Задача разрасталась как снежный ком. Для ответа на "во-вторых" был использован активный лазерный интерферометр (АЛИ) или, как его еще иначе называют, интерферометр Эшби.
    Разумеется, полученные с помощью АЛИ результаты в рассматриваемом случае носили оценочный характер и давали только некое среднее значение. Однако проведенные эксперименты показали, за время прохождения плазменного выброса через АЛИ полного срыва генерации лазера не наблюдалось, а суммарный набег фазы давал такие значения концентрации электронов, которые позволяли уверенно применять интерферометрию.
    Последние препятствия были устранены. Все вопросы вроде бы тоже были выяснены. Можно было снимать приступать к съемке голографических интерферограмм в полосах конечной ширины.

    * ДЭ - это дифракционная эффективность голограммы. То есть, отношение интенсивности восстанавливающего пучка к интенсивности восстановленного с голограммы изображения. Измеряется ДЭ в %. Другими словами, ДЭ - показывает какая часть энергии освещающего голограмму пучка пошла на формирование восстановленного с нее изображения.

    Назад | Вперед


    Написать комментарий
     Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования