激光在檢測計量中的應(yīng)用

1、激光在檢測計量中的應(yīng)用 目錄第1章 綜述激光在檢測計量方面的應(yīng)用.11.1激光準(zhǔn)直導(dǎo)向.1 1.2 激光測長.11.3激光測距.21.4激光雷達(dá).2 1.5 激光測速.31.6 激光超聲.31.7全息檢測.41.8本章小結(jié).4第2章 激光超聲.62.1 定義及基本原理.62.1.1 激光超聲的定義.62.1.2 基本原理.62.2 激光超聲的應(yīng)用.62.2.1用壓電換能器接收激光超聲脈沖.72.2.2用外差干涉儀接收激光超聲脈沖.72.2.3用共焦法布里泊羅干涉儀接收超聲波.82.3 激光超聲的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景.82.3.1 激光超聲的優(yōu)缺點.82.3.2 應(yīng)用前景.8第3章 激光全息干涉檢測

2、技術(shù).9 3.1 激光全息術(shù)的基本原理.9 3.2 激光全息干涉技術(shù)的應(yīng)用.123.2.1 激光全息干涉技術(shù)原理.123.2.2 用激光全息干涉技術(shù)對文物進(jìn)行檢測.133.3 激光全息干涉技術(shù)的優(yōu)點及其局限.143.3.1 激光全息技術(shù)的優(yōu)點.143.3.2 激光全息技術(shù)的局限.143.4 本章小結(jié).14參考文獻(xiàn).15第1章 綜述激光在檢測計量方面的應(yīng)用引言激光是高強(qiáng)度的相干光，具有單色性和方向性，因而是精密計測的理想光源1。當(dāng)前激光檢測已發(fā)展為一個廣闊而活躍的激光應(yīng)用領(lǐng)域，受到科學(xué)與工業(yè)界的極大重視。利用激光的某一特性或幾種特性，可以進(jìn)行多種幾何和物理參數(shù)的激光檢測。目前,激光檢測技術(shù)已涉及

3、精密測量、計量、生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控以及科學(xué)研究多方面的應(yīng)用?，F(xiàn)選擇準(zhǔn)直導(dǎo)向、測長、測速、產(chǎn)品尺寸與表面缺陷檢測、全息檢測等幾方面來分析一下國內(nèi)外激光檢側(cè)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀。1.1激光準(zhǔn)直導(dǎo)向原理：利用激光的方向性,把激光當(dāng)作直線，或由激光掃出一個光束平面,就可以用來進(jìn)行精密的定位、導(dǎo)向、安平等2。優(yōu)點：與目視光學(xué)儀器相比，具有工作距離長、測量精度高、便于自動控制、操作方便等。缺點：在自由度測量時，分辨力較低。這類激光儀器在建筑、工礦、農(nóng)業(yè)以及大地測量等方面得到滿意效果，有些已得到普遍應(yīng)用。國外在大型土木建筑工程中，如管道工程、隧道工程、土方工程、疏浚工程、高層建筑以及設(shè)備安裝等工作中采用了激光，

4、達(dá)到了很好的效果。這種激光應(yīng)用提高了測量精度，也提高了生產(chǎn)效率。1.2激光測長原理：利用激光的良好方向性和極高的亮度，以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)，用干涉條紋來反映被測量的信息1。方法：干涉法、掃描法、光強(qiáng)法和準(zhǔn)直法。優(yōu)點：非接觸測量、具有高的測量靈敏度和精度，而且應(yīng)用范圍廣泛。缺點：與環(huán)境控制、濕度、溫度、氣壓等的控制有關(guān)。目前,國際上已能達(dá)到氦氖激光頻率穩(wěn)定值10-1210-13，復(fù)現(xiàn)性為10-11，激光測長干涉儀準(zhǔn)確度為10-8量級。今年10月的國際第17屆計量大會確定基于光速值的新的米定義。全世界將統(tǒng)一采用激光代替氪86作為長度標(biāo)準(zhǔn)。隨著激光測長技術(shù)的發(fā)展,各種激光干涉儀產(chǎn)品也發(fā)展起來。196

5、5年美國雜志報導(dǎo)激光干涉儀已在車間使用后，1970年美國已有6家大廠生產(chǎn)激光干涉儀。近來，美國在激光干涉儀方面已有多種產(chǎn)品提供各種應(yīng)用，包括測量波長、表面不平度、距離等。1.3激光測距原理：利用激光集中不發(fā)散的特性，根據(jù)發(fā)出和返回光束之間的時間差乘以光速，來測量距離3。方法：脈沖法、相位法等。優(yōu)點：較紅外測距來講，具有探測距離遠(yuǎn)、測距精度高，抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，且激光測距儀具有體積小、重量輕、重復(fù)頻率高等特點4。缺點：對氣候的依賴關(guān)系很強(qiáng)。 在生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中，常常會遇到測量距離的問題。例如，在大地測量和地質(zhì)勘探中，需要測出兩個山頭之間的距離；在建造大橋時，需要測量大江兩岸的間隔；在軍

6、事上，炮位的瞄準(zhǔn)、遠(yuǎn)距離打擊等更離不開對距離的正確測量。不同于激光測長，激光測距所能測量的長度要大得多。若按策程劃分，激光測距大體有三類：短程激光測距儀，它的測程僅在5km以內(nèi)，適用于各種工程測量；中長程激光測距儀，測程為五至幾十千米，適用于大地控制測量和地震預(yù)報等；遠(yuǎn)程激光測距儀，用于測量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離。在成功地進(jìn)行了月球和人造地球衛(wèi)星的激光測距后，各種民用和軍用激光測距儀歷經(jīng)幾代的研究改進(jìn)，現(xiàn)已大量用于實際工作中。1.4激光雷達(dá)原理：利用分光方法，對特定的大其成分的分布進(jìn)行測定，是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達(dá)系統(tǒng)，其原理與構(gòu)造與激光測距儀極為相似。優(yōu)點：與普通微

7、波雷達(dá)相比，具有分辨率高、隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)、低空探測性能好、體積小、重量輕等。缺點：工作時受天氣和大氣影響大、波束窄，在空間搜索目標(biāo)困難等。目前，激光雷達(dá)在低空飛行直升機(jī)障礙物規(guī)避、化學(xué)生物戰(zhàn)劑探測和水下目標(biāo)探測等方面已進(jìn)入實用階段，其它軍事應(yīng)用研究亦日趨成熟。 直升機(jī)在進(jìn)行低空巡邏飛行時，極易與地面小山或建筑物相撞。為此，研制能規(guī)避地面障礙物的直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)是人們夢寐以求的愿望。目前，這種雷達(dá)已在美國、德國和法國獲得了成功。 美國研制的直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng)，使用固體激光二極管發(fā)射機(jī)和旋轉(zhuǎn)全息掃描器可檢測直升機(jī)前很寬的空域，地面障礙物信息實時顯示在機(jī)載平視顯示器或頭盔顯示器上

8、，為安全飛行起了很大的保障作用。1.5激光測速原理：利用激光照射到運動物體上所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)來測量運動物體速度。 激光多普勒測速儀就是利用這個原理1。方法：脈沖法測速、相位法測速、多普勒測速等。優(yōu)點：與傳統(tǒng)測速方法相比，具有非接觸測量，不影響流場分布;測速精度高，一般可達(dá)12%；空間分辨率高，已可測直徑10um、深度100um的小體積流速，測速范圍廣，可從10um/s至8M；動態(tài)響應(yīng)快，可實時測量,是研究湍流、測量脈動速度的有效手段;可同時進(jìn)行多維測量，具有良好的方向靈敏度等。缺點：散射影響較大。首先，人們利用這項測速技術(shù)，進(jìn)行了大量的空氣動力學(xué)和流體力學(xué)研究。從層流的流場分布到湍流強(qiáng)度的測

9、量，這些測量工作現(xiàn)在啟經(jīng)變成常規(guī)。血流測速是低速測量中較為困難的一種應(yīng)用，因為各種散射影響很大，光的利用差，而且信噪比很低，這就必須使用合適的信號處理機(jī)來獲取數(shù)據(jù)。雖然存在這些困難，但是對于復(fù)雜的光散射作了理論分析,信號處理方法也有改進(jìn)，正在取得重大進(jìn)展。較困難的應(yīng)用有內(nèi)燃機(jī)、透平機(jī)以及磁流體動力學(xué)裝置中的側(cè)量。這類測量，由于環(huán)境復(fù)雜，光的利用差，粒子引入困難。激光多普勒測速往往是獲得理想結(jié)果的唯一方法，經(jīng)過努力，在這些復(fù)雜測量方面取得了重大進(jìn)展。例如，近幾年來英、美、日等國特別熱心于激光流速計在內(nèi)燃機(jī)中的研究。1.6激光超聲 原理：激光超聲是樣品在激光脈沖的作用下產(chǎn)生的，超聲波在樣品表面和內(nèi)

10、部的傳播情況與樣品的性能和結(jié)構(gòu)有關(guān)。在遇到異質(zhì)界面時，激光超聲會產(chǎn)生反射、透射、折射和散射等現(xiàn)象。通過對探測到的激光超聲信號進(jìn)行分析和處理，可以獲得樣品信息5 。 方法：缺陷共振法、反射系數(shù)法、飛行時間方法以及脈沖反射法。優(yōu)點：非接觸、高速、高精度、大量程、遠(yuǎn)距離、檢驗一致性等。 近年來，國內(nèi)外對激光超聲進(jìn)行了大量實驗，尤其是德國、美國、加拿大等國家對激光超聲的研究比較先進(jìn)。我們實驗室從1989年開始進(jìn)行了激光超聲的研究工作。已成功地用YAG脈沖激光器分別在銅、鋼和鋁質(zhì)樣品中激發(fā)出激光超聲脈沖并對激光超聲在金屬中的傳播樣品材料的厚度，缺陷對激光超聲的響應(yīng)等進(jìn)行了初步研究。在接收方面除成功地用壓

11、電換能器接收到激光超聲外，還研制了用光外差干涉儀和共焦法布里泊羅干涉儀探測激光超聲，并取得了一定的進(jìn)展。1.7全息檢測 原理：利用全息干涉計量技術(shù)，把相干性好的激光照射到試件表面，通過熱、機(jī)械等加載方式使試件表面產(chǎn)生微小變形，比較加載前后的兩組光波波前的形狀，根據(jù)干涉條紋的變化來判斷是否有缺陷6。方法：實時法、二次曝光法、時間平均法。 優(yōu)點： 激光全息干涉計量技術(shù)具有靈敏度高、檢測速度快、不用探頭接觸零件表面、不需要耦合劑、對構(gòu)件的形狀和表面狀態(tài)無特殊要求、能全面直觀顯示缺陷情況等優(yōu)點，而且檢測結(jié)果易于保存。缺點：對環(huán)境要求十分苛刻，嚴(yán)格的防震性和避光性要求，加載條件也十分嚴(yán)格，同時還具有銀鹽

12、記錄介質(zhì)在實施全息干涉記錄中無法記錄瞬態(tài)連續(xù)變化等問題。近期，于在實驗室之外獲得了更實際應(yīng)用。國外現(xiàn)在?？稍诠I(yè)流水線上看到全息系統(tǒng)。隨著新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，全息檢測技術(shù)終于在實驗室之外獲得了更實際應(yīng)用。國外現(xiàn)在?？稍诠I(yè)流水線上看到全息系統(tǒng)。另外，最近出現(xiàn)的熱塑材料和機(jī)器觀察必將促進(jìn)全息檢測的實用。熱塑記錄材料使記錄技術(shù)得列革新，記錄后幾秒鐘即可原地顯影，檢測之后可擦除，而幾秒鐘后又可重新使用。實驗室的觀察系統(tǒng)可用顯微鏡、照相機(jī)，長期觀察則可用閉路電視。以后隨著圖象處理技術(shù)的發(fā)展，將可采用圖象分析計算機(jī)來完成，同一計算機(jī)也能用來控制機(jī)器人裝卸檢驗部件。1.8本章小結(jié) 本章簡單介紹激光在檢測

13、計量方面的具體應(yīng)用，以及各種技術(shù)的優(yōu)缺點和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)簡單總結(jié)一下激光應(yīng)用在檢測計量方面的特點，以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。激光應(yīng)用在檢測計量方面的特點：1. 激光在相干性、單色性、方向性等方面的幾個主要特點在檢測技術(shù)中得到普遍應(yīng)用，優(yōu)點得到充分的發(fā)揮；2. 激光用于檢測，其可測參量之多，涉及面之廣，為其它許多技術(shù)所不及；3. 激光檢測技術(shù)在我國經(jīng)過研究、開發(fā)，已逐步進(jìn)入實用階段,并深入科研、國防及國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域；4. 激光檢測技術(shù)還在進(jìn)一步向高精度、高難度發(fā)展，前景無限，大有可為。國內(nèi)激光檢測計量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展：1. 利用相干法測長度及其它參量的技術(shù)，在我國是較為成熟的，浙江大學(xué)采用激光干涉

14、頻比計。數(shù)法測量低頻大振幅振動，與低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺配合，可用于標(biāo)定低頻振動傳感器的靈敏度及頻響，也可用于測量其它正弦振動物體的振幅、速度及加速度。2. 橫向剪切干涉術(shù)在干涉儀中有廣泛的應(yīng)用前景。上海激光所通過理論分析和實驗驗證,采用空間濾波技術(shù)，解決了光柵剪切干涉在高精度測試中存在的某些問題，對于所選用的光柵取得了最佳的靈敏度。3. 在我國,利用激光的方向性進(jìn)行檢測,也有較長歷史，近年來水平又有提高。4. 上海交大發(fā)展了一種激光動態(tài)測角系統(tǒng)，具有合理使用光能、抗千擾性能好、使用方便等特點，較之跟蹤測角系統(tǒng)有更多功能。5. 現(xiàn)在除了廣泛利用激光相干性、方向性等特性外，還注意利用激光偏振態(tài)變化、以單

15、色性為基礎(chǔ)的高分辨率吸收光譜等特性，發(fā)揮它們在檢測技術(shù)中的特殊優(yōu)點。國外激光檢測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展：(1) 大部分激光檢測系統(tǒng)能做到精度高，可靠性好，側(cè)量速度快。有些高水平的工作還在精益求精；(2) 檢測系統(tǒng)的產(chǎn)品往往實現(xiàn)快,規(guī)格品種較全，結(jié)構(gòu)緊湊、輕便，并注意多功能；(3) 有些檢測系統(tǒng)已直接配上計算機(jī)和自動顯示系統(tǒng),做到自動實時處理測量(4) 信息，分析試驗數(shù)據(jù)并得出結(jié)果，做到測控兼能。(5) 應(yīng)用面較廣，許多系統(tǒng)已進(jìn)入生產(chǎn)線，并取得顯著經(jīng)濟(jì)效果，正吸引著更多的用戶。 第2章 激光超聲2.1 定義及基本原理 2.1.1 激光超聲的定義 激光超聲是指脈沖激光所產(chǎn)生的脈沖超聲。目前人們在努力研究

16、利用激光干涉儀來測量超聲，所以有時又偶然把利用激光來產(chǎn)生超聲和測量超聲統(tǒng)稱激光超聲。這里的激光是指脈沖激光，不指連續(xù)激光，也不指幅度調(diào)制的連續(xù)激光7。 2.1.2 基本原理 原理如圖l所示。用從較遠(yuǎn)處發(fā)射脈沖激光轟擊樣品表面,使材料內(nèi)部非接觸地產(chǎn)生超聲振蕩。由于超聲波在固體中傳播,并在固體幾個表面之間來回反射,使固體表面產(chǎn)生垂直于表面的位移。當(dāng)用另一束穩(wěn)頻激光束照射到固體表面時,其超聲位移會使激光頻率發(fā)生多普勒頻移,被調(diào)制的激光經(jīng)樣品散射后,進(jìn)入干涉儀,由干涉儀把加載在激光頻率上的超聲波信號重新解調(diào)出來,由光電探測器接受后顯示在示波器上或由其它處理儀分析處理,通過對波形的分析,就可以計算出樣品

17、的厚度以及材料內(nèi)部缺陷的大小和分布情況8。圖12.2 激光超聲的應(yīng)用 近年來,國內(nèi)外對激光超聲進(jìn)行了大量實驗,尤其是德國、美國、加拿大等國家對激光超聲的研究比較先進(jìn)。我們實驗室從1989年開始進(jìn)行了激光超聲的研究工作。已成功地用YAG脈沖激光器分別在銅、鋼和鋁質(zhì)樣品中激發(fā)出激光超聲脈沖并對激光超聲在金屬中的傳播,樣品的厚度以及材料的缺陷對激光超聲的響應(yīng)等進(jìn)行了初步研究。在接收方面除成功地用壓電換能器接收到激光超聲外,還研制了用光外差干涉儀和共焦法布里一珀羅干涉儀探測激光超聲,并取得了一定的進(jìn)展,現(xiàn)簡介如下:2.2.1 用壓電換能器接收激光超聲脈沖 實驗裝置如圖7所示。我們分別對鋁、黃銅和鋼樣品

18、投射激光脈沖,并且從接收的波形中可以計量出樣品的厚度,同時還進(jìn)行了樣品表面狀態(tài)對激勵超聲脈沖的影響、材料中人工缺陷對超聲脈沖的影響等的研究。圖7 在實驗中所用的激光波長1.06m，脈寬10ns,單脈沖能量60mJ,光斑直徑4mm,接收器為20的5MHz壓電探頭,樣品厚度為25mm,分別攝制了鋁、鋼、銅中激光激勵的超聲脈沖的波形照片,從照片中可知由于聲速不同,各個波到達(dá)的時間不同,但都符合回波時間公式t=l/c。2.2.2 用外差干涉儀接收激光超聲脈沖 實驗裝置如圖8所示。我們采用光外差技術(shù)和一系列電子技術(shù),對鋁、銅和鋼樣中的激光超聲脈沖進(jìn)行了非接觸接收,并取得了初步結(jié)果。圖82.2.3 用共焦

19、法布里一泊羅干涉儀接收超聲脈沖我們研制了一臺用單片機(jī)穩(wěn)定毛作點的共焦法布里一泊羅干涉儀并成功地接收到鋁樣品中的超聲脈沖信號。2.3 激光超聲的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景2.3.1 激光超聲的優(yōu)缺點激光超聲有許多優(yōu)點，如激光的光點小，光束容易移動和組成陣列，由此可以在不平的表面上產(chǎn)生超聲和掃動超聲，而所產(chǎn)生的超聲脈沖短、檢測分辨率高。激光超聲最主要的優(yōu)點是非接觸檢測,它消除了壓電換能器技術(shù)中的耦合劑的影響,可用于各種較復(fù)雜形貌試樣的特性檢測,加上它又是一種頻帶寬的檢測技術(shù),并能用光波波長為測量標(biāo)準(zhǔn)而精確測量超聲位移,所以是一種極有應(yīng)用前景的新的無損檢測技術(shù)9。但激光超聲也有它的缺點：激光設(shè)備龐大復(fù)雜。2.

20、3.2 應(yīng)用前景 計量標(biāo)準(zhǔn)：由于是非接觸測量,對被測系統(tǒng)無影響,具有寬的頻帶、高的空間分辨力和干涉儀共同作用，對光波波長絕對測量,其準(zhǔn)確度較高,因此激光超聲檢測系統(tǒng)適合于超聲換能器和聲發(fā)射換能器的計量標(biāo)準(zhǔn)。 無損檢測：因為激光技術(shù)對包括縱波、橫波和表面波在內(nèi)的整個超聲波都是靈敏的,所以它可以用來探測體內(nèi),表面和表面下的缺陷。由于激光超聲檢測可實現(xiàn)非接觸式遙控檢測,因此它特別適合惡劣環(huán)境下敏感表面產(chǎn)品和很小樣品,如微觀焊接的無損檢測。 材料特性的檢測：由于超聲能透入金屬內(nèi)部,大多數(shù)需要測量的材料特性參數(shù)不是影響超聲速度,就是影響超聲衰減,或者兩者都影響,再加上激光超聲的特點,它有可能測量以下各項

21、特性： (l)材料的尺寸特性如厚度、高度等,用激光超聲可提高測量薄片的能力,幾十微米厚的金屬片,測量誤差約2%。還可進(jìn)行高溫在線測厚。 (2)力學(xué)特性,如測量殘余應(yīng)力、彈性模量等。 (3)表面質(zhì)量檢測。第三章 激光全息干涉檢測技術(shù)3.1激光全息術(shù)的基本原理 在全息技術(shù)（holography）這個詞中，“holo”就是“全部完全的意思”，“graphy”是指“記錄的意思”。全息技術(shù)就是使用干涉技術(shù)不僅僅能夠記錄物體光波的振幅而且也可以記錄物體光波的相位信息。光波的振幅信息反映了光波的強(qiáng)弱，而它的相位信息反應(yīng)了光波傳播時間的先后。當(dāng)在一定的條件下照明這個記錄就可以再現(xiàn)物體的光波。從這個過程來看，就

22、好像我們把波前信息“凍結(jié)”在某種記錄介質(zhì)上，然后又把這些波前信息在一定條件下從全息圖上“釋放”出來，這樣即使物體不存在，我們也可以在一定條件下觀察物光波就能看到物體的三維像。 全息技術(shù)分為兩步：（1）將物光與參考光形成的干涉條紋記錄在全息圖上，稱為記錄過程；（2）在一定條件下對全息圖照明，再現(xiàn)物光波，該過程稱為再現(xiàn)過程。全息圖的記錄過程 為了記錄物體光波的相位，全息圖的拍攝需要基于光波的干涉原理。全息圖的記錄光路如圖3.1圖3.1 全息圖的記錄光路Laster:激光器；P：分光鏡；M1、M2：全反鏡； L1、L2：擴(kuò)束鏡； O：物體； H：全息底片 由于激光的空間和時間相干性比較好，發(fā)散角小，

23、能量集中，所以全息記錄最好的光源是激光器。激光器的發(fā)出的光束由分光鏡一分為二，其中一束直接照射在記錄介質(zhì)上，稱為參考光束；另一束照射在被攝物體上，由物體散射的光射到記錄介質(zhì)上，成為物光束。擴(kuò)束鏡將束擴(kuò)大以便照明整個物體和記錄介質(zhì)，并且盡可能使物光束與參考光照射在全息底片上產(chǎn)生干涉的光強(qiáng)相當(dāng)。物光束與參考光干涉后形成密密麻麻的干涉條紋，這些條紋的密度和位置反應(yīng)物體的各部分散射光的相位變化，條紋的明暗對比度（即反差）則與散射光的強(qiáng)度對應(yīng)。這樣就可將物體的全部信息記錄下來，得到一張全息圖。設(shè)物光和參考光復(fù)振幅分別為： 其中，和為物光和參考光的振幅，和為物光和參考光的相位，物光和參考光在全息底片上干涉

24、后的復(fù)振幅為： 對應(yīng)光強(qiáng)為： （3-1） 由式（3-1）可知，全息圖上記錄了物光波的振幅項和相位項。其干涉以后的光強(qiáng)分布是按余弦規(guī)律變化的。全息圖的再現(xiàn) 從式（3-1）可知，全息圖上記錄的不僅僅有物光波的振幅項還記錄了物光波的相位項。為了能夠再現(xiàn)物光波，我們就把全息圖放回原光路的位置，再用原參考光照射這張全息圖，如圖3.2所示，當(dāng)物光波被遮住時，從全息圖上透射的光波就有物光波。圖3.2 全息圖的再現(xiàn)光路 圖3.3 振幅透過率和振幅量的關(guān)系設(shè)全息底片的振幅透過率為T，即透射振幅和入射振幅之比。通過實驗可知，振幅透過率T和全息底片的曝光量E成線性關(guān)系（其中曝光量E等于光強(qiáng)I和曝光時間t的乘積），如

25、圖3.3所示。為計算方便設(shè)比例系數(shù)為1，則振幅透過率T可以寫為： 當(dāng)參考光波照射全息圖后，透射光波的復(fù)振幅為： （3-2）將（1-1）代入（1-2）式得：（3-3）這是對全息圖再現(xiàn)后透射光波的基本方程。 由式（3-3）可以看出，當(dāng)用參考光照射全息圖時，由于光柵衍射，從全息圖后可以觀察到三種光波。其中，第一項為零級光波，即通過全息圖后沿參考光方向射出的光波；第二項代表沿原物光波方向再現(xiàn)的物光波，人眼可以觀察到物體的虛像；第三項為物光波的共軛光波，它可以在光屏上呈現(xiàn)出物體的實像。形成物體的虛像和實像的兩列光波分別是正負(fù)一級衍射波，它們的方向?qū)ΨQ于零級衍射光波10。3.2激光全息干涉技術(shù)的應(yīng)用3.2

26、.1激光全息干涉技術(shù)原理激光全息干涉計量技術(shù)進(jìn)行無損檢測，是把被檢測物體在兩種不同狀態(tài)下所顯示的全息圖進(jìn)行比較。首先攝取一張被檢測物體在不受外力作用下的全息圖，這個全息圖反映了物體沒有發(fā)生形變的表面輪廓。然后，使物體受力（如壓力、加熱等）發(fā)生形變，再攝取一張全息圖，此全息圖反應(yīng)了物體形變后的表面輪廓。由于物體表面輪廓發(fā)生了變化，因此第2個全息圖上的干涉條紋相對于第一個全息圖上的干涉條紋就發(fā)生了移動。用激光再現(xiàn)時時，除了再現(xiàn)出原來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋圖樣，即波紋圖樣。這是由于每一個全息圖顯示的是被物體表面反射的物光波原來的波面，即兩個相位和振幅不同的波 面相干涉的結(jié)果。由于物

27、體表面有一定的形狀，所以在同樣的外力作用下，物體表面不同部位所發(fā)生的位移各不相同，因而各處所對應(yīng)的干涉條紋的形狀和間距也不同。如果物體內(nèi)部沒有缺損，則干涉條紋的形狀和間距的變化是連續(xù)的，與物體外形輪廓的變化同步。如果物體內(nèi)部有缺陷，則波紋圖樣在對應(yīng)有缺陷的局部地區(qū)出現(xiàn)不連續(xù)、突變的形狀變化和間距變化。通過測算這些變化微差位移，便可查明物體內(nèi)部缺陷及其位置。 全息干涉計量原理有多種變化形式，觀察微差表面位移的方法有一次曝光法（又稱實時全息干涉）、二次曝光法和時間平均法。一次曝光法是先攝取一張物體沒有受力作用的全息圖，再放回原位。然后利用該全息圖觀察在激光照射下的受力物體。這種方法要求把全息圖精確

28、復(fù)位，但由于在處理時，全息干版乳膠不可避免地要發(fā)生皺縮，從而使再現(xiàn)波的位相相對于記錄波發(fā)生了畸變。二次曝光法是把處于兩種不同應(yīng)力狀態(tài)下物體的兩次全息圖先后照在同一張全息底片上，然后進(jìn)行再現(xiàn)觀察、分析。此種方法操作比較簡單，也比較實用。時間平均法是在物體處于振動時攝取全息圖，曝光時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過振動周期，相當(dāng)于無數(shù)全息圖記錄在同一張干板上。再現(xiàn)時，振動的節(jié)線和振幅的等值線會以干涉條紋的形式表現(xiàn)出來。這種方法適宜于物體表面振動狀態(tài)的分析，可用于輪機(jī)葉片、晶體振子、擴(kuò)音器等的檢測。3.2.2用激光全息干涉技術(shù)對文物進(jìn)行檢測 我們用二次曝光法對文物進(jìn)行了檢測。在對文物檢測中，我們用加熱的方法使物體形變，光

29、路如圖3.4所示。圖3.5是檢測結(jié)果。從圖中我們可以明顯看出干涉條紋有錯開現(xiàn)象，此處正是物體的裂紋處。 圖3.4 全息檢測光路圖3.5 全息再現(xiàn)的干涉條紋照片全息干涉計量可廣泛應(yīng)用于物體的檢測，特別適用于對形狀比較復(fù)雜的物體進(jìn)行檢測。它作為一種檢測技術(shù)，可測材料、工件的損傷缺陷、應(yīng)力、形變等，如對汽車輪胎和飛行器部件的監(jiān)測，文物、藝術(shù)品的維修和檢查等。由于全息圖像具有三維性質(zhì)，所以利用全息技術(shù)，通過干涉計量的方法，使我們從許多不同的觀察角來考察一個形狀和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的物體。全息干涉計量還可以對同一物體在兩個不同時刻進(jìn)行比較，因而可以探測物體在這段時間間隔內(nèi)所發(fā)生的微形變和位移，準(zhǔn)確度可達(dá)到光波波長數(shù)量級。利用脈沖激光光源，可以將同一機(jī)械零件在靜態(tài)和