第五章 光学全息无损检测

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1、第五章 光学全息无损检测,一 全息照相的概念,二 全息照相基本原理,三 激光全息检测基本原理,四 激光全息检测方法,五 激光全息检测的应用,一 全息照相的概念,全息照相术是一种新型的照相技术，其成像过程是： 利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹的形式把图像记录下来，然后用光照射这种干板（称作全息干板），就能以立体形式再现出原来的物体像。,全息照相有一些突出的特点：比如它的像有三维立体性、其干板具有可分割性、可多次记录性等等。普通照相在胶片上记录的仅是物光的振幅信息（即光强分布），而全息照相记录了物光的振幅及相位信息，“全息”也因此而得名。,全息照相术的起源,全息术最初是由英国科

2、学家丹尼斯伽柏（Dennis Gabor）于1948年提出来的，伽柏并因此在1971年获得了诺贝尔物理学奖。当初的目的是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率，伽柏当初使用汞灯作为光源，但是汞灯作为光源还不是很理想，这种技术由于要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢,1960年，梅曼（Maiman） 研制成功了红宝石激光器。1961年，贾范（Javan）等制成了氦氖激光器 一种前所未有的优质相干光源诞生了。1962年，美国科学家E.N.利思和J.乌帕特尼克斯用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展。近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新

3、领域，成为近代光学的一个重用分支。,全息照相术的发展,如图1，使从点光源（可以认为是从物体上的一点反射出来的光，也可考虑为有一个针孔）发出的相干激光束A与另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生干涉。形成如图2所示的那样的干涉条纹。如果将这种干板冲洗后则可变成一种衍射光栅如图3 ，即全息照片（或全息图） .,图1,图2,图2,图2,图3,二 全息照相基本原理,如果将全息照片置于原来的位置，并在与记录干涉条纹的参考光照射的方向相同的方向上用相干光照射，则此照射光在冲洗后的干板（衍射光栅）上被衍射。由图4可知，在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角

4、小。结果，整个衍射光就好像从原来点光源所在位置传播过来的方向上被衍射。,图4,二 全息照相基本原理,同样，如果放置两个点光源，通过与另外的相干光形成干涉条纹，并记录在干板上，则自然会有两种不同的干涉条纹相重叠地被记录下来。 并且，每种干涉条纹都具有与各自的点光源的光强相应的反差，从而起衍射光栅的作用，使得衍射光象是从原来两个点光源所在位置传播过来似的被衍射。在类似的点光源极多的情况下，也可按这种方式处理。,二 全息照相基本原理,被光照射的物体可以看作是无数点光源的集合体。在这种情况下，非常复杂的干涉条纹被记录下来，当用相干光照射干板时，光在与原物体存在时相同的方向上被衍射。,换言之，在物体原来

5、所在的位置上将再现它的像，这就是全息照相的原理。,干涉条纹间距：如图5，用分束镜将一束相干光分为两束，它们再以某一角度在干板上叠加，则会形成大致一样的干涉条纹。这些干涉条纹的间距为 x的大小由波长和两束光的夹角决定,图5,二 全息照相基本原理,空间频率或空间载波：这样产生的干涉条纹如图6所示，是黑白相间周期性重复的排列。每一毫米内存在的干涉条纹数称作空间频率或空间载波，这样产生的空间载波未受任何调制。,图6,如图7所示，如果在一个方向上的光束中途放置一块幻灯片之类的透射体，利用从透射体透射出来的光，或者是利用照射物体时产生的反射光，与另一方向上的相干光（即参考光）叠加而形成干涉条纹，则这样形成

6、的干涉条纹不再是规则排列的清晰条纹，而是变成了复杂的干涉条纹。这种情况，可以认为是空间载波被物体所调制。,图7,二 全息照相基本原理,这样记录下来的受到物体光波调制了的干涉条纹，就是全息图。图8是全息图实际记录过程的图解，,如果要由全息图再现原物的形状和位置，则如图9那样，用同一波长的相干光照射全息图，被调制的空间频率就像一种衍射光栅一样把光波衍射。由于被衍射的光是沿着与透过物体的光或被物体反射的光相同的方向行进，所以再现的像在空间也有景深，从而可观测到三维的立体象。,相对而言，一般照相技术仅仅是个记录过程，而全息照相术具有记录和再现过程两个阶段，再现出来的像恰是来自物体的光的波面本身,二 全

7、息照相基本原理,三 激光全息检测基本原理,1 激光全息检测的原理（1） 激光全息检测的原理 激光全息检测：是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。 因为物体在受到外界载荷作用下会变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。 在不同的外界载荷作用下， 物体表面变形的程度是不相同的。 激光全息照相是将物体表面和内部的缺陷通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察分析， 然后判断物体内部是否存在缺陷。,P,1） 两束光频率相同， 且有相同的振动方向和固定的相位差 2） 两束光波在相遇处所产生的振

8、幅差不应太大，否则与单一光波在该处的振幅没有多大的差别，因此也没有明显的干涉现象3） 两束光波在相遇处的光程差不能太大， 即两束光波传播到该处的距离差值不能太大,（1） 激光全息检测的原理,相干振动合成,（1） 激光全息检测的原理,（1） 激光全息检测的原理,2 激光全息检测的特点（1） 由于激光全息检测是一种干涉计量技术，其干涉计量的精度与波长同数量级，因此，极微小的变形都能检验出来， 检测的灵敏度高。 （2） 由于激光的相干长度很大，因此，可检验大尺寸物体，只要激光能够充分照射到的物体表面，都能一次检验完毕 （3） 激光全息检测对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测

9、。 （4） 可借助于干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和深度，便于对缺陷进行定量分析。 ,该检测方法：还具有非接触、直观、检测结果便于保存等特点。但是，物体内部缺陷的检测灵敏度取决于物体内部缺陷在外力作用下能否造成物体表面相应变形。,四 激光全息检测方法1 物体表面微差位移的观察方法 （1） 实时法 先拍摄物体在不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄的位置上，并用与拍摄全息图时同样的参考光照射，则全息图就会再现出物体三维立体像(物体的虚像)， 再现的虚像完全重合在物体上。 这时对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量

10、的光程差。 由于两个光波都是相干光波(来自同一个激光源)，并几乎存在于空间的同一位置，因此， 这两个光波叠加就会产生干涉条纹。 由于物体的初始状态(再现的虚像)和物体加载状态之间的干涉度量比较是在观察时完成的，因此称这种方法为实时法。,实时法的优点是： 只需要用两张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。 因此，这种方法既经济，又能迅速而确切地确定出物体所需加载量的大小。 其缺点是： 1） 为将全息图精确地放回到原来的位置，就需要有一套附加机构，以便使全息图位置的移动不超过几个光波的波长。 2） 由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，

11、当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现。 3） 显示的干涉条纹图样不能长久保留。,（2） 两次曝光法 将物体在两种不同受载情况下物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，而这两个再现光波叠加时仍然能够产生干涉现象。 这时所看到的再现图像，除了显示出原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹图样。 这种条纹表现在观察方向上的等位移线，两条相邻条纹之间的位移差相当于再现光波的半个波长，若用氦氖激光器作光源，则每条条纹代表大约0.316 m的表面位移。 可以从这种干涉条纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。 ,两次曝光法干涉原理：,设被摄物光波为：,变

12、形后的物光波为：,参考光波为：,设两次曝光时间分别为：,在线性记录条件下全息图的振幅透过率与曝光量成正比：,如果用参考光再现，则再现光场为：,式中1、4项为直射项；2、5项为原始像项，对应物体的两种状态；3、6项为共轭项。我们观察的是原始像项，其复振幅为：,两束光干涉时，振幅相等，则条纹反衬度最好，故记录时应使：,在满足上式时，略去不重要常数项，可得有用干涉光场强度,2. 激光全息检测的加载方法 （1） 内部充气法：对于蜂窝结构(有孔蜂窝)、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气法加载。蜂窝结构内部充气后，蒙皮在气体的作用下向外鼓起。脱胶处的蒙皮在气压作用下向外鼓起的量比周围大，形成脱胶处

13、相对于周围蒙皮有一个微小变形。,（2） 表面真空法：对于无法采用内部充气的结构，如不连通蜂窝、叠层结构、钣金胶结结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形。 （3） 热加载法：这种方法是对物体施加一个适当温度的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度要高。因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。,3 全息检测实例,（1）反射式全息：是利用后照相乳胶的布拉格衍射效应来实现的，如图10所示。激光细光束经扩束镜L扩束后照射在全息干板H上作为参考光，透过H的光照明物体，经物体漫

14、反射的光成为物光，干板的乳胶面向着物体，由于乳胶感光材料的透过率为30%50%，若物体的反射率较高，则光束比能满足全息图的记录条件。,图10,在这种记录中，物光和参考光之间的夹角接近180，因而在记录介质中能建立起驻波。所形成的干涉条纹基本上平行于记录介质表面，条纹实际上是层状的，其间距约为介质中光波长的一半。对光的衍射作用与三维光栅衍射一样。,布拉格条件：,在再现过程中，根据布拉格衍射原理，再现光在这种三维干涉面上的衍射极大值必须满足下列条件：光从衍射面上反射时，反射角等于入射角；相邻两干涉层的反射光之间的光程差必须是k。这就是布拉格条件。,反射式全息图的角度选择性和波长选择性：当照明干板的

15、光束为单色光时，只有在某些特定的角度下才能观察到再现像；当不同波长的混合光（例如白光）以一确定的入射角照明干板时，只有某些特定的波长满足布拉格条件而产生再现像，其中只有一种波长的衍射效率为最高。,（2）两次曝光法测定金属板的杨氏模量,全息干涉计量：是全息术应用的一个重要方面。全息干涉与普通干涉十分相似，其干涉理论和测量精度基本相同，只是获得相干光的方法不同。普通干涉中获得相干光的方法基本分成两大类：分振幅法和分波阵面法。全息干涉的相干光则是采用时间分割法而获得的，也就是将同一束光在不同的时刻记录在同一张全息干板上，然后使这些波前同时再现并产生干涉。时间分割法的特点是：相干光束由同一光学系统产生

16、，因而可消除系统误差，从而可降低对光学系统中各光学元件的精度要求，这也是全息干涉计量的一个很重要的特点,普通干涉：只能测量表面经过抛光的透明物体或反射面全息干涉：不仅可以测量透明物体，也可以测量不透明物体，并且表面可以是散射体。此外采用全息干涉还可以通过表面的变化来检测物体内部的缺陷，这就是全息无损检测。学习二次曝光法测定金属板的杨氏模量：有助于加深对全息干涉计量基本原理的理解，以及了解全息干涉法的基本技术及其应用。,两次曝光法测定金属板的杨氏模量光路如图，激光束经扩束镜照射在干板上为参考光，透过干板后的光束经铝板反射后照射在干板上即为物光。首先在铝板自由端未受力时作第一次曝光，干板上记录了铝板处于原始状态时的全息图，然后通过加力装置对铝板的自由端加力后作第二次曝光，干板上又记录了铝板受力变形后的全息图。再现时同时复现铝板两个状态下的物光波前，这两个波前产生干涉，形成一簇等光程差的干涉条纹。如能测出某级亮纹或暗纹所在处沿铝板纵轴方向的位置，即可算出其杨氏模量,