Спеклы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Спеклы (от англ. speckle - пятнышко, крапинка) - пятнистая структура в распределении интенсивности когерентного света, отражённого от шероховатой поверхности, неровности к-рой соизмеримы с длиной волны света

, или прошедшего через среду со случайными флуктуациями показателя преломления. С. возникают вследствие интерференции света, рассеиваемого отд. шероховатостями объекта. Т. к. поверхность предмета освещается когерентным светом, то интерферируют все рассеянные лучи и интерференц. картина имеет не периодическую, а хаотич. структуру. На рис. 1 представлена фотография спекл-структуры, возникающей при рассеянии высокоинтенсивного (лазерного) пучка света, проходящего через матовое стекло.

Можно различить два случая образования С.- в пространстве предметов и в пространстве изображений. В пространстве предметов возникают т. н. объективные С. Свет от лазера (рис. 2) освещает шероховатую, диффузно рассеивающую поверхность; полная амплитуда световой волны в точке наблюдения является суммой векторов амплитуд волн, рассеянных всеми точками освещённой поверхности. Эти волны имеют случайные фазы, и в результате их сложения получается случайная результирующая амплитуда. При изменении координат точки наблюдения полная амплитуда (и интенсивность) принимает различные, также случайные значения, что и обусловливает появление С. Поперечное смещение точки наблюдения (без изменения расстояния до рассеивающей поверхности) ведёт к быстрому изменению разности хода между интерферирующими волнами и, соответственно, к мелкомасштабным изменениям интенсивности. Продольное смещение точки наблюдения ведёт к относительно медленным изменениям разности хода и, соответственно, к относительно крупномасштабным флуктуациям интенсивности. Др. словами, отдельные С. имеют вытянутую вдоль направления наблюдения сигарообразную форму.

Рис. 2. Схема образования объективной спекл-структуры: Л - лазер; РП - рассеивающая поверхность; S - точка наблюдения.

где

- угл. диаметр освещённой когерентным светом шероховатой поверхности. Средний продольный размер спекла

В пространстве изображений образуются т. н. субъективные С. При наблюдении субъективных С. изображение предмета оказывается промодулированньш спекл-структурой. В этом случае ср. размеры С. также описываются ф-лами (1) и (2), где

- угл. размеры линзы, образующей изображение (рис. 3). Субъективные С. обусловлены интерференцией волн, исходящих из всех элементов микроструктуры поверхности объекта в пределах пятна разрешения оптич. системы, т. е. предполагается, что оптич. система не разрешает микроструктуру поверхности.

Рис. 3. Схема образования субъективной спекл-структуры (структуры изображения): Л - лазер; РП - рассеивающая поверхность; L - линза; S - точка изображения.

Спекл-структура изображений проявляется как при фотографировании в когерентном свете, так и в голографии. В последнем случае размеры С. также определяются по ф-лам (1) и (2), где

- угл. размеры голограммы.

Спеклы мешают рассматриванию объектов, освещённых когерентным светом, поэтому для их устранения используют разл. методы, сводящиеся либо к существ. уменьшению размеров С., либо к усреднению спекл-структуры во времени при случайном изменении распределения фазы волны, освещающей объект (или голограмму). Но С. имеют и широкое практич. применение в спекл-фотографии и спекл-интерферометрии [1-3, 5] для регистрации перемещений и деформаций объектов с диффузной поверхностью, для измерения шероховатостей поверхности, в астрономии для измерения видимого диаметра звёзд и при изучении двойных звёзд.

Простейший вариант спекл-фотографии сводится к фотографированию объекта на одну и ту же фотопластинку до и после смещения или деформации. При освещении полученной таким способом спекл-фотографии нерасширенным лазерным пучком в дальней зоне наблюдается гало дифракции с полосами Юнга (рис. 4), ориентация и период к-рых определяются направлением и величиной смещения объекта между экспозициями. При изменениях микроструктуры объекта между экспозициями, что может быть обусловлено эрозией или коррозией поверхности, контактными взаимодействиями с др. телами, износом и т. д., идентичность спекл-структур, образованных объектом до и после смещения, нарушается и контраст полос Юнга уменьшается, что используют для изучения указанных явлений.

Кроме фотогр. вариантов спекл-фотографии и спекл-интерферометрии развивают и электронные варианты этих методов, к-рые сводятся к электронной записи и сравнению спекл-структур, записанных до и после изменений, произошедших с объектом, напр. с помощью телевиз. систем [2, 3].

Литература по спеклам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.