Полупроводниковые лазеры > Раздел для новичков
Объясните эффект
Anker:
Здравствуйте, форумчане.
Ввиду недостаточности собственного скромного багажа знаний, прошу помочь (в первую очередь,
опытного специалиста Gall) в объяснении некоторых непонятных для меня оптических явлений,
связанных с использованием лазеров.
Выдержка из текста:
"После появления когерентных лазерных источников было замечено (Ульянов, 1999), что
если лазерное излучение рассеивается на шероховатой поверхности или проходит через
рассеивающую среду типа матового стекла, то световой поток принимает пятнистый характер.
Рис. 2.4-3 Спекл-картина, получаемая при освещении лазером шероховатой поверхности.
Обнаруженные световые поля стали называть спекл-структурами (speckle – пятнышко). В настоящее
время оптика спеклов хорошо разработана, сформировалось новое направление оптики - спекл-
интерферометрия, которая широко используется для решения различных научных и практических
задач (Рябухо, 2001;Тарлыков и др.,2002).
Спеклы возникают из-за интерференции (алгебраического сложения) световых лучей, рассеянных от
разных участков шероховатой поверхности. Спекл-картина формируется во всей пространственной
области рассеянного луча. Как сгустки световой энергии, они имеют вытянутую форму вдоль
направления распространения света, их размеры увеличиваются с уменьшением диаметра светового
пятна на рассеивающем материале и увеличением расстояния от рассеивателя до точки наблюдения.
Если рассеяние лазерного пучка происходит на неподвижной поверхности, то спеклы тоже
неподвижны. Картина спеклов не меняется также в том случае, если рассеивающая поверхность
приближается или удаляется по направлению к точке наблюдения. Однако, при перемещении
поверхности рассеяния в направлении перпендикулярном оси наблюдения, картина спеклов следует
за ее смещением (Короленко, 1997).
В наших исследованиях луч лазера направлялся на механически жестко зафиксированный
покрывающий материал (черная бумага) используемый в качестве рассеивающей поверхности, а для
визуализации спекл-картины использовалась видеокамера (рис. 2.4-4).Геометрическое
Рис. 2.4-4 Схема проведения экспериментов по исследованию дистанционных влияний на
поведение спекл-картины рассеянного лазерного света.
положение лазера и видеокамеры подбирается так, чтобы на экране телевизора (или ЭВМ)
сформировалась контрастная и стабильная спекл-картина.
Исследования показали, что при приближении к неосвещенной стороне черной бумаги неживых
предметов, имеющих температуру окружающей среды спекл-картина не меняется. При приближении
биологического объекта на расстояние 1-2 см к рассеивающей поверхности возникает
поступательное смещение всей картины спеклов, приближение нагретого неживого предмета также
приводит к поступательному смещению спекл-картины, но в сторону, противоположную той, которая
наблюдается в случае биологического объекта. По существу, влияние биологических систем на
картину спеклов от неподвижного рассеивателя аналогично картине смещения спеклов при
перемещении рассеивающей поверхности в направлении перпендикулярном оси наблюдения. Прямыми
измерениями было показано, что смещение картины спеклов от приближения биологической системы
к рассевателю соответствует смещению спеклов, которое имеет место при сдвигах рассеивающего
материала на несколько миллиметров."
Вопросы:
- Что является причиной движения спекл -картинки при поднесении руки к рассеивателю?
- Почему биообъект и тёплый неживой предмет сдвигают картинку в противоположные стороны?
- Что определяет направление движения картинки?
Gall:
1. Спекл-картина получается за счет интерференции света, отраженного от шероховатостей поверхности. Происходит это не только с матовым стеклом, а вообще с чем угодно, кроме элементов оптики, специально отполированных, чтобы не иметь неровностей. Интерференционная картина очень случайна и сильно меняется от малейшего изменения шероховатости. Сдвига на сотые доли миллиметра достаточно, чтобы в глаз попали точки спекла от совершенно других деталей поверхности. Чувствительность АДСКАЯ - спекл практически невозможно удержать неподвижным, он прыгает от малейших движений. Нагрев теплом руки, дуновение воздуха, изменения влажности, проезжающая под окнами машина, играющие в соседней квартире дети - все это достаточно сильно смещает детали конструкции, чтобы спекл прыгал. Я видел прыжки интерференционной картины просто от звука голоса, например. Чтобы удержать картину неподвижной, нужны специальные меры - лаборатория в подвале, стол из гранитной плиты на мягких подушках и т.д.
2. Апофения и парейдолия. Никакой взаимосвязи нет, смещения спекла просто случайны. Более того, скорее всего речь шла не о смещении, а о полной смене всей картинки, а потом в новой картинке как-то ухитрились углядеть сходство со старой (которого на самом деле не было). Спекл настолько чувствителен к посторонним воздействиям, что без специальных мер реагирует на что угодно. Например, он мог меняться просто от того факта, что во время эксперимента что-то переставлялось на столе, и "живое-неживое" было на самом деле не с жизнью связано, а с тем, стояла ли в углу стола коробка или нет.
3. Теоретически картинка движется просто пропорционально движению шероховатой поверхности. Можно представить себе что-то вроде шероховатостей под огромным увеличением - спекл чем-то на это похож. Практически - все это настолько чувствительно, что в подобных опытах никакого контролируемого смещения вообще достичь не удастся, а будет полная смена картинки на новую. Для контролируемого смещения нужно делать серьезную тяжелую раму с защитой от вибраций, в сотни килограммов весом, потом принимать меры для стабилизации температуры в комнате, выдерживать все это несколько часов в полном покое, чтобы всякие движения затихли, и сам эксперимент ставить очень осторожно. Любым резким движением можно непреднамеренно сбить настройку. Речь идет о смещении спекл-картины не на "миллиметры", как авторы статьи пишут, а, возможно, и на метры.
Поэтому подобную работу правильнее всего охарактеризовать термином "алхимия". Существуют надежные методы наблюдения интерференции - от гладких поверхностей. Такая интерференция имеет вид полос или колец и легко поддается учету. Поверхности могут быть неподвижными или равномерно (известно) колеблющимися, во втором случае это будет Фурье-метод. Есть интерференция от регулярных структур - дифракционная решетка, или от структур, имеющих особый сложный порядок - голография. Этто все работает. А спекл - это та же интерференция, но полученная от "мусора", от случайных шероховатостей. Мусор на входе - мусор и на выходе, поэтому картина получается капризной, нестабильной и для практических применений, мягко говоря, малопригодной.
Gall:
P.S. Странный автор какой-то. "Было замечено (Ульянов, 1999)". Алё, какой 1999 и какой Ульянов, когда https://www.osapublishing.org/josa/abstract.cfm?uri=josa-66-11-1145 и http://www.springer.com/us/book/9783540380139 , 1970-е годы? Или автор в танке, или врет, и куда смотрит редактор?
Anker:
Уважаемый Gall, спасибо за ответ. Вы пишете:
--- Цитировать ---Я видел прыжки интерференционной картины просто от звука голоса, например. Чтобы удержать картину неподвижной, нужны специальные меры - лаборатория в подвале, стол из гранитной плиты на мягких подушках и т.д.
--- Конец цитаты ---
В вышеописанном опыте чувствительность относительно невысокая, поэтому никаких ухищрений вроде гранитных плит на подушках не требуется, достаточно весьма примитивной настольной установки, см. фото. Схема также работает и на свету. Черная или белая бумага (неважно), формирующая спекл-картину приклеена по кольцу нижнего держателя.
--- Цитировать --- Апофения и парейдолия. Никакой взаимосвязи нет, смещения спекла просто случайны. Более того, скорее всего речь шла не о смещении, а о полной смене всей картинки, а потом в новой картинке как-то ухитрились углядеть сходство со старой (которого на самом деле не было).
--- Конец цитаты ---
Смею вас заверить, что это не так. Ни о какой полной или частичной смене картинки в данном опыте не может быть и речи, спекл-картинка движется непрерывно и плавно при поднесении руки, и так же плавно возвращается на то же место после её удаления. Все детали изображения сохраняются, посмотрите ролик
Опыт обладает 100% повторяемостью, его легко реплицировать в домашних условиях.
Могли бы Вы как-то это прокомментировать?
Gall:
Ставлю на то, что у вас получился гигрометр. По типу волосяного, но с бумагой вместо волоса, и очень чувствительный.
--- Цитата: Anker от 15 Февраль 2018, 08:15:37 ---Уважаемый Gall, спасибо за ответ. Вы пишете:
--- Цитировать ---Я видел прыжки интерференционной картины просто от звука голоса, например. Чтобы удержать картину неподвижной, нужны специальные меры - лаборатория в подвале, стол из гранитной плиты на мягких подушках и т.д.
--- Конец цитаты ---
В вышеописанном опыте чувствительность относительно невысокая, поэтому никаких ухищрений вроде гранитных плит на подушках не требуется, достаточно весьма примитивной настольной установки, см. фото. Схема также работает и на свету. Черная или белая бумага (неважно), формирующая спекл-картину приклеена по кольцу нижнего держателя.
--- Конец цитаты ---
Так делать нельзя. Работать конструкция будет, но реагировать будет не на то, на что хочется. А именно: в ней решающую роль играет вовсе не оптика, а штативы и стол. Именно они, а вовсе не стекла и не бумажки, определяют, что именно будет видно и куда именно будет двигаться. Это реагирует на температуру и влажность, но не тем местом. На поднесение рук к штативам она реагирует, а не к стеклышку! Потому и видны странные вещи: вы следите за тем, как подносите руки к кольцам, но совершенно не обращаете внимание на самое важное - то, как руки и теплые предметы расположены относительно штативов и стола.
Конструкцию необходимо переделать так, чтобы исключить влияние штативов. Самый простой вариант, без ухищрений - такой: один штатив выкинуть, оставить строго один. Оба кольца закрепить на нем рядом, причем как можно ниже - чтобы не было вот этой оглобли, которая может гнуться и шататься. Чем ниже над столом, тем лучше. И держатели тоже не за конец крепить, а у самого колечка. Каждый лишний сантиметр длины - источник помех. Должен получиться один "комок" железа без каких-либо длинных палок, и уж точно без "креплений" в виде деревянного стола между штативами.
Еще лучше, если вообще химические штативы убрать, а взять более подходящие материалы для оптики. Подходящие - это массивные металлические детали, камень, армированные пластики, стекло.
Попробуйте, например, видоизменить конструкцию: вместо двух колец возьмите кусочек трубы. Чтобы два кольца стали одним целым. Еще можно взять два стальных кругляша и соединить тремя болтами с гайками, чтобы держались на расстоянии. Или возьмите кусок арматуры потолще и прикрепите кольца на него, лучше вообще сваркой. Вы сразу увидите, как сильно меняется результат от подобных "незначащих" переделок.
Еще: бумага - штука гигроскопичная, а рука - штука влажная. Сильно влажная. Бумага гарантированно прогибается от влаги руки, это тоже меняет расстояние (волосяной гигрометр знаете? бумага ничем не хуже волоса). Замените бумагу на черный пластик, или наклейте на стекло (по всей поверхности, без пузырей), или пропитайте воском, или еще что-нибудь в том же духе придумайте. На руку перчатку наденьте, а на лицо - марлевую маску, чтобы не дышать в сторону прибора. Он все это чувствует.
--- Цитировать ---спекл-картинка движется непрерывно и плавно при поднесении руки
--- Конец цитаты ---
Я тут вижу минимум три картины, наложенных друг на друга. Вторая движется противоположно первой, более яркой, а третья - вправо. На самом деле картин еще больше, просто разглядеть не удается. Какое из движений "правильное"?
--- Цитировать ---Опыт обладает 100% повторяемостью, его легко реплицировать в домашних условиях.
Могли бы Вы как-то это прокомментировать?
--- Конец цитаты ---
Схема такого рода реагирует на тепло и влажность, но не в том месте, где хотелось бы. Экспериментатор, конечно, подносит руки к элементам оптики, не так ли? Но тут два штатива, и расстояние определяется длинами ног этих штативов и столом между ними, а вовсе не элементами оптики! Решающую роль играет температура штативов и стола. Попробуйте класть теплые предметы на основания штативов, на стойки, на держатели - вы увидите, как сильно влияют на картину ничтожные изменения температуры в совершенно посторонних элементах конструкции. Попробуйте положить рядом мокрую тряпку - схему тоже "поведет".
Если хочется получить настоящий результат, а не сборище артефактов и ошибок, нужно тщательно исключать посторонние воздействия. В оптике главное постороннее воздействие - это "гуляние" деталей, которые теоретически должны бы стоять жестко, а практически - тепловое расширение, вибрации и влажность. На втором месте - движение воздуха, преломление света в воздухе и вызванные воздухом колебания деталей.
Анализируем эту схему. Что мы тут видим? Я в первую очередь замечаю, что два кольца связаны друг с другом очень длинным "контуром": лапка штатива, сам штатив, кусок стола, еще штатив, еще лапка. Он из довольно тонкого металла и длинный, т.е. пружинит, и стержни длинные, т.е. тепловое расширение. В принципе сразу ясно, что ваш интерферометр измеряет в первую очередь длину вот этой загогулины, и еще ясно, что вы совершенно не хотели это получить. Значит, загогулину устраняем. Крепим кольца вместе и рядом, а лучше - заменяем два кольца на одну деталь из цельного куска стальной трубы. (Удлинительные кольца от старого фотоаппарата на роль трубы подойдут, а вообще можно хоть водопроводную трубу взять, главное в черный покрасить.) На худой конец - просто два кольца на один штатив рядом (см. выше). Это уже сделает схему существенно лучше.
Второе: бумага. Она закреплена за края, а центр висит. Бумага - штука мягкая, постоянства положения от нее ждать не приходится. Воду впитывает и коробится от нее. Гигрометр вы тоже делать не собирались, верно? Значит, либо заменяем бумагу на более жесткий и менее чувствительный к влажности материал (пластмассу), либо защищаем от воды, либо крепим (наклеиваем на стекло или туго зажимаем между двух стекол).
Вообще черный список материалов: бумага, картон, дерево во всех видах, нитки и ткани, а также любые мягкие пластмассы. Белый список: металлы, мрамор, гранит, непористая керамика, твердые армированные пластмассы (бакелит, стеклопластик, карбон), стекло, толстое оргстекло, сухой хорошо просеянный и утрамбованный песок. Материалами из "черного списка" невозможно обеспечить долговременную жесткость, это 100% гарантия гуляния от температуры и влажности, т.е. - будут артефакты и ложные эффекты.
Общее правило для исследования этого и вообще всех подобных явлений: надо их "портить". Изменяйте конструкцию установки до тех пор, пока эффект не исчезнет. Таким образом вы найдете ту самую часть, которая за эффект отвечает. Например: черная бумага или кусок толстой жесткой черной пластмассы - ведь неважно должно быть, так? Или даже кусок стали, покрашенный матовой краской. А вот и проверьте: правда ли замена бумаги на другие материалы ничего не меняет? (Наверняка меняет.) Включите в комнате увлажнитель, нагоните влажность до 80% (сейчас зима, у вас наверняка жарят батареи и 30% влажность в комнате). Что теперь? Скрепите бумагу со стеклом непосредственно, без колец и штативов. Что теперь? Закрепите на заведомо плохом материале - вместо штативов возьмите сосновые занозистые палки (строительного качества) на саморезах. Что теперь? Наденьте на руку тонкую нитриловую перчатку - она не изолирует тепло, но изолирует влагу. Что теперь? Вы увидите, как сильно эффект меняется от "незначащих" деталей конструкции. Это означает, что источник эффекта находится вовсе не там, где кажется.
Перед любыми экспериментами прогревайте лазер и держите его все время включенным. Лазеру может требоваться до получаса, чтобы выйти на стабильную генерацию. Уберите из окрестностей установки все посторонние предметы, особенно жидкости (кружку с кофе вообще в комнату не приносите) и не экспериментируйте рядом с батареями отопления. Лучшее место для экспериментов с оптикой - подвал. Первый этаж лучше, чем последний, а стол в середине большой комнаты лучше, чем стол у стены. Серьезные установки ставят прямо на пол.
Навигация
[0] Главная страница сообщений