激光全息技术综述

激光全息技术综述08090308杨天龙激光全息检测诊断技术是20世纪60年代末发展起来的，并且是激光技术在无损检测领域应用最早、用得最多的方法。在近几十年来，全息无损检测的理论、技术和照相系统都有了很大的发展，使该技术在更广泛的工业领域应用的可行性和实用性有了长足进展，成为无损检测工程学的重要组成部分。目前，激光全息无损检测工程学的重要组成部分。目前，激光全息无损检测约占激光全息总应用的25%。激光全息无损检测应用领域涉及航空航天产品中常用的蜂窝夹层机构脱胶缺陷的检测、复合材料层压板分层缺陷的检测，印刷电路板内焊接头的虚焊检测、压力容器寒风的完整性检测、火箭推进剂药柱中的裂纹和分层、壳体和衬套间的分层缺陷检测、飞机轮胎中的胎面体脱粘缺陷检测、反应堆核燃料元件中的分层缺陷检测等。特别是在对复合材料、蜂窝结构、叠层结构、航空轮胎和高压容器的检测，具有某些独到之处，解决了用其他方法无法解决的问题。激光全息技术的原理：与普通照相原理比较，激光全息技术比较复杂。平时我们的照相原理是把物体上一个点的一条光线投射到胶片上，之后在感光物质的作用下记录下来，之后得到物体的像。而激光全息技术的成像原理则比之较为复杂。全息技术是将物体反射的光与一条光线想干涉的结果记录下来之后在胶片上反应出来的。在胶片上的到不再是直接像，而是一条一条的干涉条纹，这些条纹记录下了物体的信息，通过之后的再成像使观察者如同看到了真实的物体一样。其形成原理就是当激光从激光器发出后，经过分光器分成两束光。一束光线经过扩束镜将光线扩大到整个物体表面范围，然后再经过物体的反射，将光反射到胶片上，这股分光叫做物体光束，另一束光经过分光器分光后，再由扩束镜扩大，然后直接反射到胶片上，这部分光叫做参考光束。在胶片上，就会出现由物体光束和参考光束干涉后得出的干涉条纹。这些条纹有明有暗。条纹的明暗取决于两束光波到达该处的位相差。如果位相差为π的偶数倍，也就是两束光波到达该处的位相相同时，就产生了亮条纹，这时叫做相长干涉；如果两束光波到达该处的位相差为π的奇数倍即位相相反时，就产生了暗条纹，这时就叫相消干涉。如果两束光波到达该处的位相既不相同也不相反时，则形成干涉条纹的亮度相应地介于上述两种明暗条纹之间，而条纹的间距，取决于这两束光的夹角θ。夹角大的地方，条纹间距就大；夹角小的地方，条纹间距就小。这样就形成了刚才所说的明暗相间的条纹。这些条纹就记录了被拍摄物体的信息。如下两个图表示了两种成像的不同。物体针孔或透镜底片物体底片参考光源普通照相全息照相激光全息技术的特点：1.激光检测技术使一个干涉技术，其灵敏度很高，可以检测到很微小的缺陷。2.对于大尺寸产品，由于其激光干涉相干量大，所以它能够对大尺寸产品一次检测完毕。3.该技术可以对任何材料和粗糙表面进行检测。4.可由条纹的数量和分布来确定缺陷的大小、部位以及深度，便于定量分析。5.检测结果直观，是未接触检测，其检测结果便于保留。此外，激光全息照相其成像与原物无任何相似之处，其再现的像是立体的，具有分割性，并且该技术可以使胶片多次记录不同的图像。当然，拍摄全息图像没有那么简单，还需要一些条件。第一是激光摄影的光源。因为激光全息技术是一个建立在干涉上的技术。而干涉需要良好的空间相干性。目前，用于全息摄影比较理想的激光光源有连续波的氦氖激光器，氩离子激光器和脉冲红宝石激光器。第二是激光全息摄影用的感光材料。全息激光是相互干涉的过程，被全息底片记录下来的干涉条纹频率很高，在记录三维物体时频率还要增加。为了达到记录这些高频率信息的要求，就必须使用全息记录介质。常用的记录介质见下表。表8-1全息记录介质分类表分类记录过程调制方式重复使用存贮时间卤化银乳胶还原金属银光密度改变否永久重铬酸盐明胶光致铰链折射率改变否永久光致抗蚀剂形成有机酸，光致铰链或光致聚合表面浮雕否永久光致聚合物光致聚合折射改变或表面浮雕否永久光导热塑料形成带电场地静电潜影，产生热塑料变形表面浮雕可永久光致变形材料一般是光诱导出新的吸收带光密度改变或折射率改变可几分钟或几个月第三是激光全息摄影过程中的防震：为保护记录在胶片上的干涉条纹的反差，要求物光和参考光之间光程差随机变化小于四分之一波长。若在长时间曝光时间内（比如氦氖激光器，需要10多秒），就不能保证拍摄到全息图，所以就要求将全息摄影的所有设备包括被拍摄物体都放到防震台上。当然，如果曝光时间很短，就不用防震台了。最后，说说其他的条件。除了上面说到的三个条件之外，在拍摄全息照时还应该注意物光与参考光的等光程问题，物光与参考光的光强比等问题。激光全息检测原理：全息检测是利用全息照相来检测物体表面和内部是否存在缺陷的一种检测技术。物体在受到外界载荷时会产生变形，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，全息照相是将物体表面和内部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，用全息照相的方法来观察和比较这种变形，并记录下在不同外界载荷下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷。激光全息检测方法：实时法：先在物体不受力时拍摄全息图，然后把全息图准确的放在原来的物体上，并用拍摄时的光照射，这时就会出现与物体重合的全息图。这时对物体加载，物体就会出现变形。由于光源一样，并且环境相同，所以这两束光可以进行干涉。如果干涉条纹是连续均匀的，那么说明物体的这些部位没有缺陷，如果干涉条纹出现了突出或者与外轮廓不协调、不连续，那么就说明物体的这一部分有缺陷。这种方法能经济、迅速而准确地确定出物体所需加载量的大小。但应该注意的是，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导波长，同时虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现，并且显示的干涉条纹图样不能长久保留。两次曝光法：将物体两次加载的全息图拍摄在一张胶片上，然后再现出像。这样除了能看到像以外，还可以看到较为粗大的干涉条纹，并查看缺陷。该方法不但可以避免物体复位带来的不精确的缺点，还可以避免感光乳胶层收缩不稳定的影响。并且它可以永久记录。但是它对于每一种加载量都需要摄制一张全息图，无法再同一张全息图上看到不同加载情况下物体表面的变形状态，这对于确定加载参数是比较费事的。时间平均法：在比震动周期长的多的时间内对震动物体进行多次曝光，可以理解为多次的两次曝光法，这样可以把每一次起点和终点的全息图进行干涉，通过干涉条纹判断缺陷。这种方法对于稳定的周期振动分析非常有效，是迄今为止振动分析方法中最好的一种。θ2θ1asin(wt+α0)稳定周期振动全息激光的加载方法：机械加载：包括拉伸、弯曲、扭转和集中力等方法。其常用来检测金属、陶瓷、混凝土等材料的裂纹缺陷，同时也常用于对结构进行应力应变分析。它是一种常用的加载方法，容易实现，在高温和腐蚀条件下页可以进行。冲击加载：用摆锤或自由落体撞击被测物体。其只限用于固体脉冲激光为光源的全息干涉计量。它可以对涡轮叶片、钢板、铝板、压力容器的缺陷进行检测。增压加载：对于有孔蜂窝接口、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气增压加载的方法进行全息检测。真空加载：对于叠层结构，钣金胶接机构，无期空蜂窝夹层结构以及轮胎等可以采用抽真空的方法进行加载，同样能够造成缺陷表面内外压差，引起表面变形。加热法：利用温度对物体形变的影响，使得有缺陷的部位温度更高，变形更大，在干涉中就会出现不协调的干涉条纹，从而检测出缺陷。这种加载方法比较方便。声震动法：通过对物体表面调节驱动电压来改变震动频率，这样在缺陷处振幅就会比其他区域大，从而在干涉条纹的图像上就会出现不同效果。它的特点是能够提供缺陷大小和深度的一种量度。虽然现在由于与计算机图像结合的技术还不是很成熟，加之检测规模的限制，激光全息检测技术还没有大规模的或者说是普遍的应用的各个领域中。但是，随着科技水平的不断提高，这种利用干涉技术，由激光来检测缺陷的较高精度检测方法将会有很大的潜力，其将会得到很大的发展。