动态散斑全息术一种结合成像和散射的高效光学技术

导读 哈佛大学和石油大学的研究人员最近开发了动态散斑全息术 (DSH),这是一种结合成像和散射方法来测量位移的三维 (3D) 地图的新技术。发表

哈佛大学和石油大学的研究人员最近开发了动态散斑全息术 (DSH),这是一种结合成像和散射方法来测量位移的三维 (3D) 地图的新技术。发表在《物理评论快报》上的一篇论文中介绍了这种技术,它可以检测几厘米内小至 10 纳米的位移,因此显着优于传统成像技术。

“DSH 出生于哈佛大学的 Weitzlab,我在 2018 年至 2020 年期间在那里做博士后,”该研究的首席研究员 Stefano Aime 告诉 Tech Xplore。“我的博士后项目之一是关于多孔介质中的裂缝传播,这让我着迷,尽管它与我的科学背景相距甚远。作为一个局外人,我开始观看其他人的实验并想知道究竟是什么导致了裂缝,是什么决定了它的方向和速度,在边界或缺陷附近发生了什么,以及类似的问题。”

当 Aime 开始研究裂缝扩展时,他的学术导师 Dave Weitz 鼓励他相信自己的好奇心并进行自己的实验,而不是仅仅在现有文献中寻找答案。在对光散射有了很好的理解之后,他开始尝试不同的技术和方法。

“有一天,我决定将激光瞄准开裂的样品并记录散射光的视频,”Aime 解释说。“我采用的光学装置与光子相关成像相同,因此本身并没有什么特别之处。然而,结果令人惊讶。我发现了一个有趣的蝴蝶状图案,它随着裂纹尖端移动并深入材料中,离裂缝很远,即使在显微镜下也看不到任何运动。我不知道那个信号是什么,但我觉得它很可爱,值得研究。”

在他的实验中,Aime 意识到他观察到的信号是他在博士期间研究的另一种现象的概括,即投影到散射矢量上的样品弹性变形产生的信号。这一认识激发了他开发一种新技术,该技术使用两个激光器和两个摄像头来测量样品的完整 3D 变形场。使用他开发的技术,Aime 能够学到更多关于裂缝扩展的知识,而如果他只是回顾现有文献,他会学到更多。

“与普通光相比,激光照明总是呈现出非常不同的画面,”参与该研究的另一位研究员 Lizhi Xiao 告诉 Tech Xplore。“这是因为激光的相干性和一些小特征可以产生闪烁的亮点。意识到这种闪烁(或斑点)可以与成像结合以实现 DSH 来观察微小应变及其传播,这是令人兴奋的。 ”

全息术是一种旨在从 3D 对象的 2D 图像重建其完整形状的技术。DSH 背后的想法是相似的:每个散射矢量(即入射激光束 + 光圈/镜头/相机的组合)允许一个人探测位移场的一个投影。

“我们通过结合使用不同散射向量(2 束入射激光束和 2 组收集光学器件的 4 种组合)获得的信息来重建完整的 3D 位移场,”Aime 说。“这就是使 DSH 成为一种全息技术的原因。不是在标准意义上(它不重建任何 3D 对象),而是在广义意义上(它重建 3D 位移场)。”

当使用传统全息术时,被检查物体的表面会反射激光。但是,当物体是透明的,例如水或透明塑料时,到达检测器的光将仅来自激光对颗粒或裂纹表面的反射。这些反射的大小可能非常小,使用传统显微镜无法检测到。

“当这些小特征移动的距离与光的波长相当时,干涉图案可能会发生变化,从而将移动转化为光强度,”肖说。“人们可能会认为 DSH,Stefano 开发的技术,是一种非常灵敏的传感器,可以将机械运动/应变转换为光。”

DSH 将成像和散射相结合,在大至几厘米的视场上创建小至十纳米的位移的 3D 地图。为了实现这一点,Aime 的技术关了被检查样品散射的激光散斑图案的图像。

“时间相关性的衰减可以转化为亚微米的局部运动,其幅度和方向可以通过利用来自三个激光源的同时照明来精确重建,”Aime 说。“因为 DSH 依赖于探测运动的干扰,所以它对比任何其他成像技术更小的位移敏感,因为这些方法都依赖于检测图像中特征的运动。”

Aime 和他的同事开发的技术的主要优点是它的高灵敏度和大视野。这两个特性使 DHS 显着优于传统成像系统,为研究许多以宏观距离相关的微小运动为特征的物理现象(包括流体流动和机械不稳定性)开辟了新的令人兴奋的可能性。

“Stefano 使用他开发的技术对裂缝扩展的观察是惊人的,”肖说。“破裂现象发生在如此多的领域,应用范围也非常广泛。然而,实际上研究材料中的破裂过程是非常困难的,因为大多数真实的材料是不透光的。”

在硬质材料中,裂纹扩展(即裂纹在材料或物体上的物理传播)会发生得非常快。裂缝扩展的速度还取决于材料的多种属性,例如非均质性、层理平面、围压、内部应变、流体孔隙压力和渗透率。地质材料中的裂缝研究对于地球科学研究和工业生产都至关重要。

Aime 开发的新技术已经使人们对裂缝扩展有了更好的了解。未来,全球其他团队可以使用它来进一步研究硬质和多孔材料的断裂机制。

“这项工作只是一个开始,因为我们可以对在异构环境中传播的裂缝进行大量 DSH 实验,我们目前正在分析这些,以学习新的东西,”Aime 说。“一年前,我搬到了巴黎,在那里我开始了新的项目,再次朝着不同的方向发展。然而,我的大部分博士后项目仍在进行中:它们太有趣了,不能被抛在后面。而且我相信最好的还在后面!”

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