Лазерный спекл-коррелятор для исследования поверхностных процессов

В этом докладе изложен принцип оптического метода исследования поверхностных явлений - коррозии, конденсации, испарения и тому подобных. Рассмотрена оптическая схема и прибора, реализующего изложенный принцип.

ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКЛ v КОРРЕЛЯТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ.

к. ф.-м. н. Пресняков Ю.П.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

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

Рис. 1 (33KB)
Схема коррелятора.

При освещении шероховатой поверхности или матового стекла ?но просвет¦ при когерентном источнике освещения распределение интенсивности излучения является случайной функцией координат /1/. Подробное описание этого эффекта рассмотрено во многих публикациях, наиболее полное приведено, на мой взгляд , в работе /2/. Существенной характеристикой спекл-эффекта является интервал корреляции интенсивности определяемой формулой:

(1)

которую можно найти в книгах по теории случайных процессов. Наиболее полное изложение и близкое к оптическим явлениям представлено в фундаментальной монографии /3/.

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

где,

-размер луча лазера на шероховатой поверхности по уровню,

- рассьояние от матовой поверхности до плоскости наблюдения,

-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:

(2)

где - распределение интенсивности до начала процесса,

- интенсивность в момент времени после начала процесса,

Реализация метода измерения, описываемого формулой (2) осуществляется записью функции на фотопластине или в памяти компьютера и в последующем измерении светового потока интенсивностью прошедшем фототранспорант или записью функции 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 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.

Рис.2. (62KB)
Результаты экспериментов.

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 /3/ для корреляции 4-го порядка для комплексной амплитуды световой волны, интенсивность которой.

Литература.

1. М. Франсон. Оптика спеклов. М., Мир, 1980.

2. Laser Specle and Related Phenomena. Edited by J.C. Dainty. Applied Physics. vol. 9. 1975. p. 123-286.

3. С.М. Рытов, Ю.А. Татарский. Введение в статистическую радиофизику. М. : Наука. 1978.