Научная Сеть >> Лазерный спекл-коррелятор для исследования поверхностных процессов

Наука >> Физика >> Физические измерения >> Техника эксперимента >> Методы измерений | Научные статьи

Лазерный спекл - коррелятор для исследования поверхностных процессов.

к. ф.-м. н. Пресняков Ю.П.
Опубликовано на сайте Laboratory.Ru, 22.06.2000 г.

Лазерный спекл - коррелятор для исследования поверхностных процессов.

Схема коррелятора показана на рис. 1 , где 1 - гелий неоновый лазер, 2 - мотовое стекло , 3,5 - объективы, 4 - спекл - транспарант, 6 - фотодетектор, 7 - цифровой осциллограф или компьютер.

Рис. 1. Схема коррелятора.

При освещении шероховатой поверхности или матового стекла "но просвет" при когерентном источнике освещения распределение интенсивности излучения является случайной функцией координат [М. Франсон, 1980]. Подробное описание этого эффекта рассмотрено во многих публикациях, наиболее полное приведено, на мой взгляд , в работе [J.C. Dainty и др., 1975]. Существенной характеристикой спекл-эффекта является интервал корреляции интенсивности определяемой формулой:

$\delta ({\vec \rho})=\int I(\vec r)I({\vec r}+{\vec \rho})d^2{\vec r}$

(1)

которую можно найти в книгах по теории случайных процессов. Наиболее полное изложение и близкое к оптическим явлениям представлено в фундаментальной монографии [С.М. Рытов, Ю.А. Татарский, 1978].

Как показано в цитированных выще источниках, интервал корреляции имеет оценку для кругового пятна лазера на поверхности:

$\delta (\rho)\cong 1,2\frac{\lambda z}{d}$

где $\rho =|{\vec \rho}|$ ,

d - размер луча лазера на шероховатой поверхности по уровню e^-1,

z - расстояние от матовой поверхности до плоскости наблюдения,

$\lambda$ - длина волны лазера.

Случайные процессы, такие как коррозия, истирание в результате трения, осаждение частиц на поверхность или ее испарение и т.д. приводит к случайным изменениям микрорельефа , что служит причиной уменьшения функции корреляции (1) которая в этом случае принимает следующий вид:

$\delta (t)=\int I({\vec \rho},0)I({\vec \rho},t)d^2\rho$

(2)

где $I({\vec \rho},0)$ - распределение интенсивности до начала процесса,

$I({\vec \rho},t)$ - интенсивность в момент времени t после начала процесса,

Реализация метода измерения, описываемого формулой (2) осуществляется записью функции $I({\vec \rho},0)$ на фотопластине или в памяти компьютера и в последующем измерении светового потока интенсивностью $I({\vec \rho},t)$ прошедшем фототранспорант или записью функции $I({\vec \rho},t)$ в памяти компьютера и вычисление функции (2).

Практическое опробование метода осуществлялось для процесса исследования осаждения паров воды на матовую поверхность стекла. Носителем информации о функции $I({\vec \rho},0)$ служил негативный фототранспорант изготовленный на фотопластине Agta Gevaert, проявленной на месте экспозиции. Фотоэлектрическим детектором служил кремниевый фотодиод, с выхода которого электрический сигнал после усиления подавался на запоминающий цифровой осциллограф. На рис. 1 показана оптическая схема исследования поверхностных процессов "на просвет". При исследовании непрозрачных объектов "на отражение" лазер и фототранспорант находятся по одну сторону от поверхности.

Скорость осаждения приведена на рис.2. Обработка Электрического сигнала выполнялась в предположении равномерной плотности вероятности распределения прироста рельефа поверхности благодаря конденсации паров. Расчетная формула получена с использованием вывода из [С.М. Рытов, Ю.А. Татарский, 1978] для корреляции 4-го порядка для комплексной амплитуды световой волны V, интенсивность которой I=|V|²

Рис.2. Результаты экспериментов.

h - измерение средней глубины микрорельефа.

w - скорость конденсации паров воды (нижний график) и скорость испарения (верхний график).

Литература.

М. Франсон. Оптика спеклов. М., Мир, 1980.
Laser Specle and Related Phenomena. Edited by J.C. Dainty. Applied Physics. vol. 9. 1975. p. 123-286.
С.М. Рытов, Ю.А. Татарский. Введение в статистическую радиофизику. М. : Наука. 1978.

Laboratory.Ru

Написать комментарий