第五章-光学全息无损检测

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学家•丹尼斯·伽柏（DennisGabor）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HC1C2OM3M2M1KBSHe–NeLaser激光全息照相检测的光路图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θ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Δx的大小由波长λ和两束光的夹角θ决定sinx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。为了了解这种检测方法的原理，首先简单介绍光的干涉现象根据电磁波理论，表示光波中电场的波动方程为tAEcos0其中：A0为光波的振幅；ω为角频率；t为时间。相干光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）相干振动合成分别引起P点的振动y1A1cost+(j1)y2A2cost+(j22pr12pr2)合振动yy1+y2Acos(t+j)AA12A22A1A2cos2j2j12p()r2r1jj12pr1)(A1sinj22pr2)(A2sinj12pr1)(A1cosj22pr2)(A2cosA2A1Ay10A10cos(t+j1)y20A20cos(t+j2)两相干波源的振动方程（1）AA12A22A1A2cos2(j2j12p)r2r1r2r12p（0,1,2,)当时则合成振动的振幅最大即光程差为零或为波长的整数倍时，各质点的振幅最大，干涉相长。r2r12p（0,1,2,)当时则合成振动的振幅最小即光程差为半波长的奇数倍时，各质点的振幅最小，干涉相消。（1）全息照相的拍摄原理•拍摄全息照片的基本光路大致如图•一激光光源（波长为λ）的光分成两部分：直接照射到底片上的叫参考光；•另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片，称为物光。•参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像。•关于强度：显然参考光各处的强度是一样的，•但由于物体表面的反射率不同，所以物光的强度各处不同。•因此，参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹各处浓淡也就不同。全息照相的拍摄原理•关于相位:如图,设O为物体上某一发光点．•设参考光在a处的波动方程为:)cos(0jtAypjjppjpjjppjpjjjpjj2/)2(22/])12[()12(/2)/2cos(:)cos(0101101111krkkrkrrtAyatAyO处为明条纹，解得处为暗条纹，解得由干涉知：：参考光与物光的相位差。点处的波动方程为物光在点处的波动方程为：物光在全息照相的拍摄原理sin/sin.xxdd•设a、b为相邻的两暗纹,由干涉知：•a、b两处的物光与参考光必须都反相.•因为ab两处的参考光相同,所以其物光的波程差为λ.由几何关系知:由此可知:当θ不同时----物光与参考光形成的干涉条纹的间距也不同----而θ的大小----反映出物光光波的相位.再根据条纹的方向----可确定出物体的前后,上下,左右的位置.全息照相的观察原理•观察全息照片的光路图如下：全息照片不同于普通照片,其底片不显示物体的形象,而是干涉条纹叠加后的图像。冲洗时只是改变了不同部分的透光性，观察时,需利用与拍照时同频率的光的衍射原理。仍考虑相邻的两条纹a和b,此时二者为两透光缝。由惠更斯-菲涅耳原理知:处于同一波阵面上的a、b可以当成子波波源,其强度皆为激光光源的强度。沿原来从物体上O点发来的物光的方向的两束衍射光,由几何知识知其光程差恰为λ。由发光点O在底片上各处造成的透光缝透过的光形成的衍射条纹会使人眼感到原来的O点处有一发光点O’。所有发光点的对应的衍射条纹会使人眼看到一个处于原来位置的完整的立体虚像。全息照相的特点1.全息照片衍射形成的立体虚像是一个真正立体的,当人眼换一个位置时,便可以看到物体的侧面像,即物体上原来被挡住的部分也可以看到。2.即使是全息照片的一块残片,也可以看到整个物体的立体象.因为拍摄照片时,物体上的点发出的物光在整个底片上处处与参考光发生干涉,也就是说,在底片上处处都有某一点的记录。3.在用光照射底片时,在与原来物光对称方向的两束光,其光程差也为λ,光线汇聚将会在O”处形成一实像。2．（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。（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。四1．物体表面微差位移的观察方法（1）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，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0.316μm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：)],([0),(yxjeyxOj变形后的物光波为：参考光波为：)],([ReyxjRj设两次曝光时间分别为：21tt和)](['2)](['222'2]([1)]([1221000000ReRe)(ReRe)(),(RRRRjjjjOtOtROtOtOtROtyxjjjjjjjjjj在线性记录条件下全息图的振幅透过率与曝光量成正比：)],(),(['00),(yxyxjeyxOjj如果用参考光再现，则再现光场为：)]2([2'2)]([2'2][22'2]2([21]([21][221)],([000000Re)(R