工程测试第三讲-20150116

激光全息摄影技术及激光诱导荧光法第三讲激光全息摄影技术一、历史回顾二、全息术的基本原理三、全息图的分类四、激光全息技术在测量中的应用一、历史回顾全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物体逼真的三维像。由于记录了物体的全部信息(振幅和位相)，因此称为全息术或全息照相。一、历史回顾全息术是英国科学家丹尼斯·加伯(DennisGabor)在1947年为提高电子显微镜的分辨率，在布喇格(Bragg)和泽尼克(Zernike)工作的基础上提出的。由于需要高度相干性和大强度的光源，直到1960年激光出现，以及1962年利思(I‘etth)厄铂持尼克斯(UPatnieks)提出离轴全息图以后，全息术的研究才进入一个新阶段，相继出现了多种全息方法，开辟了全息应用的新领域，成为光学的一个重要分支。一、历史回顾Dr.DennisGabor他为此获得了1971年诺贝尔物理学奖光全息术的发展到现在可分为三代，第—代是用水银灯记录同轴全息图，这是全息术的萌芽时期。其主要问题是再现原始像和共扼像不能分离，以及没有好的相干光源。第二代是用激光记录，激光再现；以及利恩和厄帕特尼克斯提出离轴全息图，把原始像和共轭像分离，这一阶段全息术在理论上建立了基础．在可能的应用范围内作了大量的实验，取得丰硕的成果。相应地在全息记录材料方面也得到发展。第三代是激光记录白光再现的全息术．主要有反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息，使全息术在显示方面展现出其优越性。一、历史回顾二、基本原理全息照像过程分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将物体衍射(被激光照时)的光波与另一相干光波—参考光波相干涉，用照像方法将干涉条纹记录在全息记录介质上，称为全息图或全息照片。全息图具有复杂的光栅结构。当用原记录时的参考光或其它合适的光波照射全息图时，光通过全息图时的衍射和衍射光之间的干涉形成与物体光波相似的光波，即物体波前的再现，构成物体的再现像。二、基本原理He-Ne激光器定时阀物体全息平台反射镜分束镜二、基本原理【实验原理】物光波的复振幅分布为：yxjyxOyxoo,exp,,0振幅相位+=物体的全部信息yxjyxRyxrr,exp,,0yxjyxCyxcc,exp,,0参考光波的复振幅分布为：再现光波的复振幅分布为：xy平面上物光和参考光重叠后的强度公式干板上透过率表达式再现光表达式二、基本原理U’(x,y)=C0(O02+R02)exp[jfc(x,y)]+C0O0R0exp[j(fo–fr+fc)]+C0O0R0exp[-j(fo–fr+fc)]与再现光相似包含物的位相信息包含物的共轭位相信息三、全息图的分类1、共轴和离轴全息图1－共轴，其余离轴2、平面全息图和体积全息图1、2平面，3、4体积3、第4位置叫反射全息图，可以白光再现。三、全息图分类参考光物光4、吸收全息图和相位全息图•相位全息图的优点在于具有很高的衍射效率，理论上可以达到100％，实际上可以达到30％，而吸收全息图只有6％左右。因此制作相位全息图可以提高再现像的亮度。•方法：将吸收全息图通过漂白处理转变为浮雕型全息图，或者折射率型全息图。三、全息图分类5、像全息像全息图也可以用白光再现三、全息图分类7、彩虹全息——像全息的一种特例三、全息图分类三、全息图分类8、彩色全息人类视觉模型三、全息图分类在色度学中三原色波长由国际照明委员会制定标准1931CIE—RGB系统为：红（645．2nm）、绿（526．3nm）、蓝（444．4nm）。彩色全息所用激光器：彩色全息选用的三原色激光波长三、全息图分类连续激光器的一般波长三、全息图分类反射全息图的形成三、全息图分类四、全息技术的应用1、多幅全息高速摄影光电开关多脉冲红宝石激光器扩束镜被摄物体干板四、全息技术应用2、微小粒子的测量四、全息技术应用3、全息干涉学的应用当一张全息图内储存有一个以上的光波动时，则在相干光的照明下再现被波动之间(或与其它由照明光源引起的位相相关的波动之间)会发生干涉。全息干涉学属于干涉学中的一个新分枝。四、全息技术应用（1）实时干涉法将全息图片放回到它原来曝光时所在的位置，并用原来的参考光来照明。透过全息干板观察原来的物体。则虚像和实像重合。在张力作用下的金属叉上的实时干涉条纹四、全息技术应用子弹激起的冲击波2、双曝光干涉法•将同一拍摄对象不同时刻的全息像记录在一个干板上•用原来的参考光同时再现出不同时刻的物象•这两个物象产生干涉现象，出现条纹•条纹代表光程的变化四、全息技术应用3、全息干涉无损检测假设：当物体内部存在缺陷时，在整体变形时，会产生局部畸变。通过外力、加热、腐蚀产生整体变形。采用实时全息干涉，或双曝光干涉法获得变形干涉条纹，并加以分析。四、全息技术应用局部脱胶检测四、全息技术应用压力传感器膜片检测四、全息技术应用金属蜂窝蒙皮缺陷检测四、全息技术应用4、全息云纹干涉测量四、全息技术应用四、全息技术应用十多年来云纹法在光测力学学科发展很快。例如利用错位云纹干涉法，引入适当载波及相应的滤波、错位处理，可以实现二维位移导数分量的直接、同步测量。还有偏振错位云纹干涉．可以消除面内位移条纹的干扰，从而得到清楚的面内位移导数场条纹图。如果采用4000cy／mm的试件栅，使用微机处理数据，灵敏度可达纳米量级：四、全息技术应用5、光纤传感器将光纤作为传感元件的一部分代替原干涉仪的一部分光路，可以发展为光纤传感器。光纤传感器以单模光纤为基础。与传统干涉仪相比，稳定性、抗环境干扰能力强，仪器体积小，使用方便。可用于位移、流体速度、压力力、磁场、温度的测量四、全息技术应用迈克尔逊光纤干涉仪四、全息技术应用光纤陀螺1976年v．vail提出了光纤陀螺的概念用长为580m的单模光纤，绕在直径D＝14cm的芯棒上，能测得的长期灵敏度为0．2。／h，短期灵敏度可达0．02。／h。四、全息技术应用二、激光诱导荧光法测量荧光和荧光分析法荧光分析法的特点激光诱导荧光法的应用一、荧光和荧光原理当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。当采用某种波长的激发光线照射某些物质的时候，这些物质会发射出波长更长的光，而当激发光停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。一、荧光和荧光原理荧光分析是由试样溶液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量。荧光分析的灵敏度一般都高过应用最广泛的比色法和分光光度法．比色法及分光光度法的灵敏皮通常在千万分之几；而荧光分析法的灵敏度常达亿分之儿甚至有千亿分之几的。如果荧光分析法与纸层析或薄层层析等方法结合进行，还可能达到更高的灵敏度。一、荧光和荧光原理荧光的产生吸收光谱和荧光光谱能级跃迁示意图一、荧光和荧光原理产生荧光的过程和条件荧光物质产生荧光的过程可以分为这样四个步骤：1．处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照射，吸收了和它具有的特征频率相一致的光线，跃迁到第一电子激发态的各个振动能级。2．被激发到第一电子激发态的各个振动能级的分子，通过无辐射跃迁，降落到第一电子激发态的最低振动能级；3．降落到第一电子激发态的最低振动能级的分子继续降落到基态的各个不同振动能级，同时发射出相应的光量子这就是荧光：4．到达基态的各个不同振动能级的分子再通过无辐射跃迁最后回到基态的最低振动能级。一、荧光和荧光原理一、荧光和荧光原理硫酸奎宁的激发光谱及荧光光谱蒽的激发光谱（虚线）和荧光光谱（实线）荧光光谱S0→S1*激发光谱产生荧光的条件具有和激发光相对应的电子能级差。具有比较高的荧光效率一、荧光和荧光原理荧光效率(fluorescenceefficiency)荧光量子产率(fluorescencequantumyield)吸收激发光的光子数发射荧光的光子数f物质f溶剂荧光素钠0.92水荧光素0.65水蒽0.30乙醇菲1.00乙醇第三节定量定性分析方法一．荧光强度与物质浓度的关系IoIF荧光强度正比于荧光物质吸收的光强度，F∝(Io–I)F=K’(Io–I)I=Io×10-ECLK’为常数，取决于荧光效率，Io----入射光强度，I----透射光强度，C----溶液浓度，L----液层厚度,E----物质吸光系数当浓度C很小，ECL也很小，ECL≤0.05,上式中第二项后可以忽略，F=2.3K’IoECL=KC，在低浓度时，荧光强度与溶液中荧光物质浓度呈线性关系。ECL＞0.05，荧光强度与溶液中荧光物质浓度不呈线性关系。F=K'Io(1-10-ECL)=K'Io(1-e-2.3ECL)=K'Io[1-(1+(-2.3ECL)1!+(-2.3ECL)22!+------)]=K'Io[2.3ECL-(-2.3ECL)22!-(-2.3ECL)33!-------]二、荧光分析法的特点荧光分析的灵敏度一般都高过应用最广泛的比色法和分光光度法．比色法及分光光渡法的灵敏度通常在千万分之几；而荧光分析法的灵敏皮常达亿分之儿甚至有千亿分之几的。荧光分析法的另一优点是选择性高。荧光分析法也有它的不足之处．主要是指它比起其它方法来说应用范围还不够广泛。因为有许多物质本身不会产生荧光。三、激光诱导荧光法的应用1、测量燃烧火焰中的OH基浓度参数：波长283nm脉冲宽度5ns能量7mj/pulse激光诱导荧光法的应用火焰自发光图像LIF图像遥感－激光荧光雷达0号柴油的荧光喷雾浓度测量方面的应用燃烧定容装置原理图荧光剂：奈、二甲基对苯二氨光学发动机喷雾粒子直径SMD分布测量激光诱导荧光法在发动机浓度场测量中应用的注意点温度的影响，温度越高，荧光效率越低；氧气的影响，氧气是荧光熄灭剂；对于喷雾场浓度的测量，由于喷雾粒子对入射光的衰减，以及对荧光的吸收，不能得到真正定量的测量结果思考题1、什么是全息照片的再现过程，对再现光有何要求？2、简述双曝光法测量物体位移或密度场变化的原理？3、用式表达荧光强度与入射光强度、被测物质浓度之间的关系。参考文献1、于美文著，《光全息学及其应用》，北京理工大学出版社，1996年2、夏锦尧编著，实用荧光分析法，中国人民公安大学出版社，1991年3、孙长库，叶声华编著，《激光测量技术》,天津大学出版社，2001年7月（上一讲文献3）