第8章激光全息检测诊断技术.doc

第8章激光全息检测诊断技术8.1概述激光全息检测诊断技术是20世纪60年代末发展起來的，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，激光全息无损检测丁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%o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所谓全息术与普通照相术的区别是，普通照相术只是记录了物体表面 光波导振幅信息，而把位相信息丢掉了，这样只记录物体表面光波部分信 息（二维信息）的照片无论从什么角度看都是一样的而全息术是利用光 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, 在一定条件下使其再现，便形成了物体逼真的三维像。

由于记录了物体的 全部信息（振幅，相位，波长），因而称为全息术或全息照相这是一种 两步成像的方法，第一步先记录下物体的表面光波，第二步将记录的光波“再现”出來当然，冃前全息无损检测技术真正应用到生产实际上的项冃并不多, 大多数项目仍处在实验阶段，离人们的期望相差甚远这是由于这种技术 始终没有摆脱实验室的束缚，没有与计算机技术的图像处理技术很好地结 合起来，因而无法实现自动化检测而不能扩大其应用范围激光全息检测同其他检测方法相比较，其特点如下：1） 由于激光全息检测是一个干涉计量术，其干涉计量精度与激光波 长同数量级因此，极微小（微米数量级）的变形均能被检测出来，而且 检测的灵敏度甚高2） 由于激光做光源，而激光的相干长度很大，因此可以检验大尺寸 的产品，只要激光能够充分照射到整个产品表面，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，它可以对任何材料和粗 糙表面进行检测4） 可借助干涉条纹的数量和分布來确定缺陷的大小、部位和深度, 便于对缺陷进行定量分析，5） 激光全息检测具有直观感强，非接触检测，检测结果便于保存等 特点8.2激光全息检测原理821全息照相的特点及原理1、全息照相的特点全息照相不仅在成像原理上与普通照相截然不同，而但它还有许多普通照相所没有的奇异特点。

成像原理上的差别普通照相必须在胶片和物体Z间安放一个针孔（或透镜）使物体上的 每一点只有一条光线能够到达胶片，如图8Ja所示，然后利用胶片上的感 光材料，把物体表面光波的强度记录下来，从而得到物体的形状全息照 相则不用成像系统，而是借助一束与物体光波相干涉的参考光，在胶片处 同物体光波相叠加，形成干涉条纹，如图8・lb所示物体针孔或透镜片a）参考光源b）图全息照相与普通照相的差别a）普通照相b）全息照相全息照相与被摄物物任何相似之处从全息照相外表上看，只是记录一些干涉条纹，根本看不出在照片上 记录了一些什么物体，只有在再现过程中才能看到被摄物的像再现的像是立体像全息照片在再现过程中，观察者如同观察真是景物一样当观察者改 变位置时，就可以看到物体后面被挡住的部位若看远近不同的物体，必 须重新调焦照片具有可分割性 如果把普通照片撕去一块，就会丢失一部分信息但全息照片的每一 个碎片都能再现在原來物体的完整像这是由于全息照相不用成像透镜, 所以全息照片上任何一点都接受到物体整个表面漫反射来的光波因此, 全息照片上任何一块都可以再现出物体的整个表面光波，只是清晰度稍微 有不同而已胶片可多次记录许多个图像 在一张全息胶片上可以进行多次曝光，从胶片不同的方向记录多个物体。

再现时，每个物体的像可以不受其他像的干扰而单独地显示出来这 是由于各个像再现在不同的衍射方向上，只有在不同的方向上才能看到再 现的物体像2 .全息照相的原理图8・2是全息照相记录过程的原理图当激光从激光器发射出来后， 经过分光镜被分成两束光一束由分光镜表面反射，经过反射镜到达扩束 镜，将直径为几个毫米的激光扩大照射到整个物体的表面，再由物体表面 漫反射到胶片上，这束光称为物体光束；另一束光透过分光镜后，被扩束 镜扩大，再经反射镜直接照射到胶片上，这束光称为参考光束当这两束 光波在胶片上叠加后，形成干涉图案，再经胶片显影处理后，干涉图案就 以条纹的明暗和间距变化形式被显示出来，正是这些干涉条纹记录了物体 光波导振幅和位相信息为了理解全息照相的记录过程，下面简要叙述两个平面光波导干涉情 形，如图8・2所示其中一列代表物体反射来的光束，另一列代表参考光 束，这两束光波的夹角为当他们在胶片上相遇叠加时，就产牛了一组 相互平行、明暗间隔的T涉条纹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H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"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Z间，而条纹的间距，取决于这两束光的夹角设d为相邻两个明条纹(或两个暗条纹) 的间距，按布拉格方程式有d=X/2sin(9/2) (8-1)式中入——光波导波长从上市可以看出，明暗条纹的间距取决于在该处发生干涉的两个光波 之间的夹角，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，就在整个全息胶片上形成了一些明暗不一、间距不等的干涉条 纹，犹如许多花纹和斑点交织的图案因上述情况是在两束平面相干波长中产生的干涉现象，在实际情况中, 物体的表面光波并不是一个简单的球面光波，而是形状复杂的光波，而且 参考光波也不一定都是平面光波，所以，他们叠加时，所产生的干涉图案 也就非常复杂，但是原理却相同3 •拍摄全息图像需要具备的条件(1) 激光全息摄影的光源激光全息摄影是一个干涉过程，因而它的光源必须具有良好的时间相 干性和空间相干性的相干辐射源空间相干性是量度一种波前的相位均匀 性，如平面波前或球面波前都认为是空间相干波前若它们的相位是天然 随机的或变化显著，则称此光源的空间相干性很差在离轴全息图中，对物体的照明光束没有空间相干性的耍求，但耍求 参考光束有良好的空间相干性。

空间相干性不好，就会使再现像的分辨率 局部或全部减低，严重的会使再现像消失时间相干性是以时间度量两个相继波前的相位恒定性时间相干性通 常以光束有良好的空间相干性在此长度中两个相继波前彼此能保持很定 的相位关系如把一个相干光源用于干涉仪的相干测量，当干涉仪的两个 臂光程相等时，由它们干涉产生的干涉条纹的调制度定义为式中lmax> Imin分别表示干涉条纹辐照度数值的极大值和极小值调制度越大，在底片（全息干板）上曝光形成的光栅衍射效率越高 如果全息图上的干涉条纹衍射效率高，全息再现像的亮度及分辨率就高 改变一个臂的长度直到干涉现象消失为止此时两臂的光程差就是该相干 光源的时间相干性，也叫相干长度相干长度与光源的频带宽度成反比, 具冇单一频率的光源相干长度为无穷大目前，用于全息摄影的较理想的 激光光源有连续波的氮氛激光器（=632.8nm）,氮离子激光器（=488nm 和514.5nm）和脉冲红宝石激光器（X=694.3nm）o（2）激光全息摄影用的感光材料因为全息摄影是光波相互干涉的过程，尤其是离轴激光全息图（利思 ■厄帕特尼克斯型），参考光与物光束之间有一部小的夹角，所以被全息底 片记录下来的干涉条纹频率很高，在记录三维物体景象时条纹频率还要增 加，因此要求全息底片有极高的分辨率。

空间分辨率Y的表达式为(8-3)Y =2sin ( 9/2) / 入当全息摄影使用红宝石激光器（入=694.3nm）,物光与参考光之间的 夹角在200W 0 W180时，耍求全息底片的空间分辨率为509-28801 lp/mmo 可见丫与使用的激光波长入及物光与参考光夹角0有关式（8・3）所提出 的是最低限度要求，在记录三维漫反射景象时分辨率的要求还要高些这 样高的分辨率耍求，一般的照相底片上达不到的，必须使用全息记录介质 常用的记录介质按材料分类如表8-1所示表8 J全息记录介质分类表其中卤化银乳胶是全息摄影最常用的一种记录介质，它的感光、冲洗 特性与一般摄影底片基本相同它的种类与性能由表8・2列岀表8・2卤化 银乳胶（3）激光全息摄影过程中的防振激光全息摄影是将干涉条纹记录在照相乳剂上，为了保证所记录的干 涉条纹具有高度反差，在去全息摄影过程中，要求由于意外振动而使物光 和参考光之间的光程差产生动随机变化小于1/4波长，或由于某个光学元 件的抖动使干涉条纹相对于底片1/4条纹间隔的位移，否则不但得不到高 反差的干涉条纹，甚至使全息底片均匀曝光而得不到干涉条额外你的记录 全息摄影如果用连续激光器如氨氛激光器，由于它的功率较低，全息摄影 曝光时间需要数十秒钟，这样长的曝光时间，如果不采取防振措施就无法 拍摄到全息图，这就要求把全息摄影器件、激光器连同被拍摄物体都放在 防振台上。

即使使用了防振台，对于周围环境的干扰诸如气流、噪声等也 有一定要求当然如果使用脉冲红宝石激光器作为光源进行全息摄影，由于曝光时 间是ns量级，在这样短的时间里，由振动产生的物光和参考光之间的光程 差还不足以大于1/4波长，也不会产生过大的条纹移动，因此就不需耍采 取这种防振措施4）其他条件为了得到一个好的全息图，除了上面是那个条件外，还耍考虑诸如物 光与参考光的等光程问题，物光与参考光的光强比等根据相干长度的 概念，在全息摄影中，物光和参考光程为零或为波长的偶数倍时所获得全息图的干涉条纹的调制度最大，因此，再现全息像的亮度就高，分 辨率也高当为拍摄一个漫反射物体的全息图布置光路时，要使分束器算起到全 息底片的参考光光程与从分束器算起到物体的最近点再反射到全息底片 的物光光程相等，那么物光束与参考光束的光程差就是由被拍摄物体的深 度引起的光程差，这个光程差不能大于激光器的相干度相干度越长，全 息摄影的光路布置越自由如果物体的深度在激光器的相干长度之内，物 体的全息再现像的亮度分布就与物光束照明物体时的亮度分布相一致如 果物体的深度大于激光器的相干度，在物体的全息再现像上就会出现明暗 相同的条纹，它使物体全息再现像的分辨率大大下降。

当用二次曝光方法 对物体进行无损检测时，它就会干扰由于物体变形、内部缺陷而产生的干 涉条纹的分辨率参考光与物光的光强比是影响全息图干涉条纹调制度的另一个因素 物光与参考光的光强比为时，能使再现光有最大的衍射效率，因为像的亮 度最佳但产生清晰度最好的再现像并不完全取决于此值，最终到达全息 底片上的光强比匕3~1： 5最佳这个比值由分束器和物体的反射性能 决定，并可用多种方法加以改变一种方法就是在玻璃基体的圆周上镀以 变密度的银构成的圆形分束器，转动这种分朿器就可以改变两朿光的强度 比也可以用改变光路中扩束镜的距离或在光路中加中性滤光片来实现再一个因素是物光与参考光Z间的夹角一般来说，当参考光与物光 之间的夹角减少时，全息图的衍射效率增加对于在底片和物体之间的一 个给定距离，可以算出使物体的再现像和再现光束恰好分开的最小角度 实验中取最小角度的1倍，但应避免使角度大于900,否则对全息底片所 。