【文章內(nèi)容簡介】 原子密度高，這樣就有較多的亞穩(wěn)態(tài)氦原子和氖原子碰撞，使較多的氖原子處于4s、5s能態(tài)，不僅如此，從4s、5s自發(fā)輻射的概率很小，這樣就實現(xiàn)了氖原子的4s、5s能態(tài)相對3P、4P能態(tài)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當適當頻率的光子入射時，就會產(chǎn)生相應能級間受激輻射放大，、。、[10]。 氦氖激光器能級簡圖氦氖激光器有如下特性：HeNe激光器在可見區(qū)和紅外區(qū)可產(chǎn)生多種波長的激光譜線；它具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好，相干性強的優(yōu)點。，有非常好的空間相干性，其波前接近于理想的平面波或球面波；氦氖激光器的多模震蕩帶寬=納米，而其相應的相干長度=20cm，一般情況下用多模氦氖激光器來拍攝和觀察一般小物件的全息照片，但若應用要求更高的相干長度，氦氖激光器必須單縱模工作并穩(wěn)頻，單縱模震蕩線寬可達到納米；在外腔式和半外腔式氦氖激光器中，由于布氏窗的存在，輸出的激光呈線偏振光，偏振的電矢量振動在管軸與布氏窗的法線所構成的平面內(nèi)，內(nèi)腔式氦氖激光器也存在一定的偏振，但較復雜；氦氖激光器中的放電是放電電流比較小，放電電壓比較高的輝光放電，放電電流一般只有幾到幾十毫安。 激光全息無損檢測是無損檢測技術中的一個新分支，是全息干涉計量技術的重要應用之一。 激光全息無損檢測技術與其它檢測方法相比有如下特點：由于是一種干涉計量技術，其干涉計量精度與激光波長同數(shù)量級。因此極微小的變形也能被檢測出來，檢測靈敏度很高；由于作為光源的激光的相干長度很大，因此可以檢測大尺寸的產(chǎn)品，只要激光能夠充分照射到整個產(chǎn)品表面，就能一次檢驗完畢；對被檢對象沒有特殊要求，可以對任何材料和粗糙表面檢測；可借助干涉條紋的數(shù)量和分布來確定缺陷的大小、部位和深度，便于進行定量分析；直觀感強，非接觸檢測，檢測結(jié)果便于保存。 激光全息檢測是利用激光全息照相技術來檢測物體表面和內(nèi)部缺陷的。因為物體在受到外界載荷作用下會產(chǎn)生變形，這種變形與物體是否含有缺陷直接相關。在不同的外界載荷作用下，物體表面變形的程度是不相同的。激光全息照相技術，是將物體表面和內(nèi)部的缺陷，通過外界加載的方法，使其在相應的物體表面造成局部的變形，用全息照相來觀察和比較這種變形，并記錄下不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行觀察和分析，然后判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷。任何物體在外力作用下都會發(fā)生變形，物體內(nèi)有無缺陷，其表面的變形程度是不同的，通過觀察物體表面的異常變形來判斷其內(nèi)部缺陷的存在。激光全息檢測是以激光全息照相技術為基礎，分別攝取不受力狀態(tài)和受力狀態(tài)的全息圖，將其一同在激光照射下鏡像產(chǎn)生較粗大的干涉條紋，條紋間距表示物體受力變形時表面位移的大小。當物體內(nèi)部無缺陷時，這種條紋的形狀和間距是連續(xù)的，并與物體外形輪廓的變化同步調(diào)。當被檢物體內(nèi)部存在缺陷時，由于受力的作用，缺陷對應的表面則發(fā)生異常，條紋與無缺陷部位不同，根據(jù)條紋情況即可分折判斷物體內(nèi)部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。激光全息檢測實際上就是將不同受載情況下的物體表面狀態(tài)用激光全息照相方法記錄下來從而評價被檢物體的質(zhì)量。 激光全息檢測對被校驗對象沒有特殊要求，可以對任何材料粗糙的表面進行檢測。檢驗大尺寸物體，可借助干涉條紋的數(shù)量和分布狀態(tài)來確定缺陷的大小、部位和深度，這種檢測方法靈敏度高，還具有非接觸檢測、直觀、檢測結(jié)果便于保存等特點。為了了解這種檢測方法的原理，首先簡單介紹光的干涉現(xiàn)象。根據(jù)電磁波理論，表示光波中電場的波動方程為 （21）其中：是光波的振幅，表示相位。我們知道，波是可以疊加的，假設有兩個波長相同的光波相疊加，當它們的相位相同時，疊加后所合成的光波振幅增強，〔a〕所示；如果兩個光波相位相反，則合成的光波的振幅就相互抵消而減弱，〔b〕所示。把光波在空間疊加而形成明暗相間的穩(wěn)定分布的現(xiàn)象叫做光的干涉。 光波的疊加產(chǎn)生干涉的光波必須滿足下列條件：⑴頻率相同的兩束光波在相遇時，有相同的振動方向和固定的相位差。⑵兩束光波在相遇處所產(chǎn)生的振幅差不應太大，否則與單一光波在該處的振幅沒有多大的差別，因此也沒有明顯的干涉現(xiàn)象。⑶兩束光波在相遇處的光程差，即兩束光波傳播到該處的距離差值不能太大。滿足上述條件的兩束光波叫相干波。 激光全息干涉光路圖。從激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過分光鏡，由分光器分成兩束光。一束被擴束鏡擴大，照射到被檢測的物體上，再由物體表面漫反射到全息干板膠片上，這束光稱為物光束；另一束光由分光器表面反射，經(jīng)過反射鏡到達擴束鏡，被其擴大后再由反射鏡反射照射到膠片上，這束光稱為參考光束。當這兩束光在膠片上疊加后，形成了干涉圖案，膠片經(jīng)過顯影和定影處理后，干涉圖案以條紋的明暗和間距變化的形式被顯示出來，它們記錄了物體光波的振幅和相位信息。被記錄的全息圖是一些非常細密的、很不規(guī)律的干涉條紋，它是一種光柵，與被照射的物體在形狀上毫無相似之處，為了看到物體的全息像，通常采用再現(xiàn)技術來實現(xiàn),。 蜂窩結(jié)構板脫粘區(qū)的全息再現(xiàn)干涉條紋激光全息檢測技術實際上就是將不同受載情況下的物體表面狀態(tài)用激光全息照相方法記錄下來，進行比較和分析，從而評價被檢測物體的質(zhì)量。⑴光源激光全息攝影是一個干涉過程，因此其光源必須是具有良好的時間相干性和空間相干性的相干輻射源。在拍攝離軸全息圖時，對物體的照明光束沒有空間相干性要求，但要求參考光束有良好的空間相干性?？臻g相干性不好，會使再現(xiàn)像的分辨力局部或整體上降低，嚴重的會使再現(xiàn)像消失。時間的相干性是以時間度量兩個相繼波前的相位恒定性。通常以長度單位表示，在此長度中兩個相繼波前彼此保持恒定的相位關系。如把一個相干光源用于干涉儀的相干測量，當干涉儀的兩個臂光程相等時，它們干涉產(chǎn)生的干涉條紋的調(diào)制度定義為： （22）式中，、分別是干涉條紋幅強度的極大值和極小值。調(diào)制度越大，在底片上形成的光柵衍射效率就越高，而全息再現(xiàn)像的亮度及分辨率也就越高。改變一個臂的長度直到干涉現(xiàn)象消失為止，此時兩臂的光程差就是該干涉光源的時間相干性，也叫相干長度。相干長度與光源的頻帶寬度成反比。具有單一頻率的光源相干長度為無窮大。⑵感光材料全息拍攝是光波相互干涉的過程，參考光束與物光束之間有一不小的夾角，全息底片記錄下來干涉條紋的頻率很高，因此要求全息底片必須有很高的分辨力?？臻g分辨率的表達式為： （23）上式提出的是最低限度的要求，在記錄三維漫反射景象時分辨力要求還要更高些。這樣高的分辨力要求，一般照相底片是達不到的，必須使用全息記錄介質(zhì)。如鹵化銀乳膠。⑶攝影過程中的防振在全息攝影過程中，由于振動而使物光和參考光之間的光程差產(chǎn)生的隨機變化要小于1/4波長，或由于某光學元件的抖動使干涉條紋相對于底片產(chǎn)生了位移要小于1/4條紋間隔，否則不但得不到高反差的干涉條紋，甚至有可能會使全息底片均勻曝光而得不到干涉條紋。因此在攝影過程中必須采取防振措施，一般是把全息攝影器件、激光器連同被拍攝物體放在防振臺上。⑷其他條件為得到高質(zhì)量的全息圖，除了上面三個條件外，還要考慮物光和參考光的等光程、物光與參考光的光強比以及物光與參考光之間的夾角等因素。激光全息照相用于產(chǎn)品的無損檢測，采用的是全息干涉計量技術，它是激光全息照相干涉計量技術的綜合。這種技術的依據(jù)是物體內(nèi)部的缺陷在外力作用下，使它所對應的物體表面產(chǎn)生與其周圍不相同的微差位移。然后，用激光全息照相的方法進行比較，從而檢測物體內(nèi)部的缺陷。對于不透明的物體，光波只能在它的表面上反射。因此，只能反映物體表面上的現(xiàn)象。然而，物體的表面與物體的內(nèi)部是相互聯(lián)系的，在不使物體受損的條件下，給物體一定的載荷，如能表現(xiàn)為表面的異常，則可實現(xiàn)無損檢測。觀察物體表面微差位移的方法有三種。⑴實時法先拍攝物體在不受力時的全息圖，沖洗處理后，把全息圖精確地放回到原來拍攝的位置上，并用與拍攝全息圖時的同樣參考光照射，則全息圖就再現(xiàn)出物體三維立體像（物體的虛像），再現(xiàn)的虛像完全重合在物體上。這時對物體加載，物體的表面會產(chǎn)生變形，受載后的物體表面光波和再現(xiàn)的物體虛像之間就形成了微量的光程差。由于兩個光波都是相干光波（來自同一個激光源），并幾乎存在于空間的同一位置，因此，這兩個光波疊加就會產(chǎn)生干涉條紋。由于物體的初始狀態(tài)（再現(xiàn)的虛像）和物體加載狀態(tài)之間的干涉度量比較是在觀察時完成的，所以稱這種方法為實時法。這種方法的優(yōu)點是只需要用一張全息圖就能觀察到各種不同加載情況下的物體表面狀態(tài)，從而判斷出物體內(nèi)部是否含有缺陷。因此，這種方法既經(jīng)濟，又能迅速而確切地確定出物體所需加載量的大小。其缺點是：為了將全息圖精確地放回到原來的位置，就需要有一套附加機構，以便使全息圖位置的移動不超過幾個光波的波長；由于全息干版在沖洗過程中乳膠層不可避免地要產(chǎn)生一些收縮，當全息圖放回原位時，雖然物體沒有變形，但仍有少量的位移干涉條紋出現(xiàn)；顯示的干涉條紋圖樣不能長久保留。⑵兩次曝光法這種方法是將物體在兩種不同受載情況下的物體表面光波攝制在同一張全息圖上，然后再現(xiàn)這兩個光波，而這兩個再現(xiàn)光波疊加時仍然能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這時，所看到的再現(xiàn)現(xiàn)象、除了顯示出來原來物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋圖樣。這種條紋表現(xiàn)在觀察方向上的等位移線，兩條相鄰條紋之間的位移差約為再現(xiàn)光波的半個波長，若用氦氖激光器作光源?？梢詮倪@種干涉條紋的形狀和分布來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。兩次曝光法是在一張全息圖上進行兩次曝光，記錄了物體在產(chǎn)生變形之前和之后的表面光波。這不但避免了實時法中全息圖復位的困難，而且也避免了感光乳膠層收縮不穩(wěn)定的影響，因為這時每一個全息圖所受到的影響是相同的。其主要缺點是對于每一種加載量都需要攝制一張全息圖，無法在一張全息圖上看到不同加載情況下物體表面的變形狀態(tài)。這對于確定加載參數(shù)來說是比較費事的。⑶時間平均法這種方法是在物體振動時攝制全息圖。在攝制時所需的曝光時間要比物體振動循環(huán)的一個周期長得多，即在整個曝光時間內(nèi)，物體要能夠進行許多個周期的振動。但由于物體是作正弦式周期性振動，因此，把大部分時間消耗在振動的兩個端點上。所以全息圖上所記錄的狀態(tài)實際上是物體在振動的兩個端點狀態(tài)的疊加。當再現(xiàn)全息圖時，這兩個端點狀態(tài)的像就相干涉而產(chǎn)生干涉條紋，從干涉條紋的圖樣的形狀和分布來判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。這種方法顯示的缺陷圖案比較清晰，但為了使物體產(chǎn)生振動就需要有一套激勵裝置。而且，由于物體內(nèi)部的缺陷大小和深度不一，其激勵頻率各不相同，所以要求激勵振源的頻帶要寬，頻率要連續(xù)可調(diào)，其輸出功率大小也有一定的要求。同時，還要根據(jù)不同產(chǎn)品對象選擇合適的換能器來激勵物體。用激光全息照相來檢測物體內(nèi)部缺陷的實質(zhì)是比較物體在不同受載情況下的表面光波，因此需要對物體施加載荷。，就可以使物體內(nèi)部的缺陷在干涉條紋圖樣中有所表現(xiàn)。但是，如果缺陷位置過深，在加載時，缺陷反映不到物體表面或反映非常微小時，則無法采用激光全息檢測。常用的加載方式有以下幾種。⑴內(nèi)部充氣法對于蜂窩結(jié)構（有孔蜂窩）、輪胎、壓力容器、管道等產(chǎn)品，可以用內(nèi)部充氣法加載。蜂窩結(jié)構內(nèi)部充氣后，蒙皮在氣體的作用下向外鼓起。脫膠處的蒙皮在氣壓作用下向外鼓起的量比周圍大，形成脫膠處相對于周圍蒙皮有一個微小變形，根據(jù)這個微差位移，就可以用激光全息方法來攝制全息圖。⑵表面真空法對于無法采用內(nèi)部充氣的結(jié)構，如不連通蜂窩、疊層結(jié)構、鈑金膠接結(jié)構等，可以在外表面抽真空加載，造成缺陷處表皮的內(nèi)外壓力差，從而引起缺陷處表皮變形，在干涉條紋圖樣中會出現(xiàn)干涉條紋的突變或呈現(xiàn)出環(huán)狀圖案。⑶熱加載法這種方法是對物體施加一個溫度適當?shù)臒崦}沖，物體因受熱而變形，內(nèi)部有缺陷時，由于傳熱較慢，該局部區(qū)域比缺陷周圍的溫度要高。因此，造成該處的變形量相應也較大，從而形成缺陷位置相對于周圍的表面變形有了一個微差位移。用激光全息照相記錄時，就要在全息圖中顯示出突變的干涉條紋圖樣。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵。當用戶的測試要求發(fā)生變化或需增加或減少測試項目時，用戶只需適當?shù)馗能浖绦颍纯缮蓾M足測試要求全新的測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器(Virtul Instrument，簡稱VI)是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術，它是利用計算機強大的圖形環(huán)境，組合相應的硬件，編制不同的測試軟件，建立界面友好的虛擬儀器前面板，通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運行，構成多種儀器，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成的儀器，以透明的方式將計算機資源和儀器硬件的測量與控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與表達。 虛擬儀器內(nèi)部功能的劃分虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有以下特點：⑴傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其表面布置著種類繁多的顯示與操作元件，由此可能導致操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。⑵在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。⑶儀器的功能可以根據(jù)用戶需要由軟件自行定義，而不是由廠家事先定義的，增加了系統(tǒng)靈活性。⑷儀器性能的改進和功能擴展只需要更新相關軟件設計，而不需購買新的儀器，節(jié)省了物質(zhì)資源。⑸研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。⑹虛擬儀器是基于計算機的開放式標準體系結(jié)構，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其周邊設備互聯(lián)。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點的根本原因在于“虛擬儀器的關鍵是軟件”。虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分構成。硬件平臺由計算機和 I/O 接口設備構成。它的構成方式主要有5種類型。 虛擬儀器構成框圖PCDAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用PCI或計算機本身的ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ) 插入計算機的空槽中即可；GPIB系統(tǒng)是以GPIB標準總線儀器與計算機為儀器硬件平