【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 m是干涉條紋的干涉級(jí)次。 ?2．干涉條件 ?通常能夠產(chǎn)生干涉的兩列光波必須滿足三個(gè)基本相干條件： ?頻率相同 ?振動(dòng)方向相同 ?恒定的位相差 ? 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 有時(shí)需要有意識(shí)地破壞上述條件 。 比如在外差干涉測(cè)量技術(shù)中 ， 在兩束相干光波中引入一個(gè)小的頻率差 ， 引起干涉場(chǎng)中的干涉條紋不斷掃描 ， 經(jīng)光電探測(cè)器將干涉場(chǎng)中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ， 由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場(chǎng)的位相差 。 靜態(tài)穩(wěn)定干涉場(chǎng)的條件 42 激光干涉原理與條件 影響干涉條紋對(duì)比度的因素 ? 小結(jié)： ? 對(duì)于所有類型的干涉儀，干涉條紋圖樣對(duì)比度降低的普遍原因是： ? 光源的時(shí)間相干性； ? 光源的空間相干性； ? 相干光束的光強(qiáng)不等； ? 雜散光的存在； ? 各光束的偏振狀態(tài)差異； ? 振動(dòng)、空氣擾動(dòng)、干涉儀結(jié)構(gòu)的剛性不足等。 42 激光干涉原理與條件 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息術(shù)及其基本原理 ?概念：全息的概念早在 1948年就由英國(guó)的 Gabor提出。所謂全息就是在攝影底片上同時(shí)記錄物光波的振幅和位相的全部信息，通過(guò)再現(xiàn)，可以獲得物光波的立體像。 ?全息術(shù)是一種兩步成像技術(shù)： ?記錄，即以干涉條紋的形式在底片上存儲(chǔ)被攝物體的光強(qiáng)和位相； ?再現(xiàn)，即用光衍射原理來(lái)重現(xiàn)被記錄物體的三維形狀。 全息術(shù)及其基本原理 ?全息術(shù)與普通照相相比具有以下特點(diǎn)： ?三維性。全息術(shù)能獲得物體的三維信息，成立體像。 ?抗破壞性。全息圖的一部分就可以再現(xiàn)出物體的全貌，僅成像的亮度降低、分辨力下降，而且全息圖不怕油污和擦傷。 ?信息容量大。 ?光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，原則上無(wú)須透鏡成像。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息術(shù)及其基本原理 ① 全息圖的記錄 ?設(shè)參考光波為 ?因?yàn)閰⒖脊獠ㄊ瞧矫娌?， 則振幅恒定 ， 位相隨 y值變 ， 以 O點(diǎn)為參考 ， 任一點(diǎn) P(x, y) 的位相將比入射到 O點(diǎn)光波的位相延遲了 令 則有 θ 全息底片 物光波 O P 參考光波 z y 圖 419 全息圖的記錄過(guò)程圖示 rjrr ?eAE ? ?????? sin22 yr ???? ? ??? sin2? yeAE ?jrr ?44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息術(shù)及其基本原理 ① 全息圖的記錄 ? 對(duì)于物體光波 ， 由于入射到全息底片上各點(diǎn)的振幅和位相均為 (x, y)的函數(shù) ， 故 P(x, y)點(diǎn)物體光波電場(chǎng)分布為 ),(joo o),( yxeyxAE ??注意與參考光波的比較 yeAE ?jrr ?? 全息底片僅對(duì)光強(qiáng)起反應(yīng)，而光強(qiáng)可表示為光波振幅的平方，即 ?? ? ?? ? ?? ????? oror2, EEEEEEEyxI? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?yxyyxyyxyyxyeyxAAeyxAAyxAAeyxAeAeyxAeAyxI,j0r,j0r202r,j0jr,j0jr0000, ,????????????????????該式表明，全息底片上的光強(qiáng)分布按正弦規(guī)律分布，而且干涉條紋的亮度和形狀主要由物光波決定，因此物體光波的 振幅 和 相位 以光強(qiáng)的形式記錄在全息底片上。 全息底片經(jīng)過(guò)顯影和定影處理后，就成為全息圖 (又稱全息干板 )。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息術(shù)及其基本原理 ② 物光波的再現(xiàn) ? 如果用和參考光一樣的光波再現(xiàn)全息圖，則得到的透射光波為 ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? yyxyxyyeAeyxmAeyxAmAeyxAAmAeAyxmIEyxtE?????2j2r,j0,j02rj202rrjrrt00, ,???????在整個(gè)全息圖上 近似為常數(shù)，則該項(xiàng)正好是一個(gè)常數(shù)乘上一個(gè)物體光波，它表示一個(gè)與物體光波相同的透射光波，這個(gè)光波具有原始光波所具有的一切性質(zhì)，如果迎著該光波觀察就會(huì)看到一個(gè)和原來(lái)一模一樣的 “ 物體 ” 。所以，這個(gè)透射光波是原始物體波前的再現(xiàn)。 由于再現(xiàn)時(shí)實(shí)際物體并不存在，該像只是衍射光線的反向延長(zhǎng)線所構(gòu)成，稱之為原始物體的虛像或原始像。 ),(),(),(),(),(),(),(**22yxRyxAyxRyxAyxRyxAyxH????? 全息底片 虛像 O 照明光波 z y 圖 421物光波的再現(xiàn)圖示 再現(xiàn)物波 該項(xiàng)也含有物體光波的振幅和位相信息，但是它和物光波前進(jìn)方向不同，這可以從位相項(xiàng)中看出。 它所表示的光波是比照明光波更偏離z軸的光束波前。 前的負(fù)號(hào)預(yù)示著再現(xiàn)光波對(duì)原始物體光波在相位上是共軛的，即從波前來(lái)講，若原來(lái)物體光波是發(fā)散的話，則該光波將是會(huì)聚的。此處，原來(lái)物體光波是發(fā)散的，所以，這一項(xiàng)所表示的光波在全息圖后邊某處形成原始物體的一個(gè)實(shí)像。 ),(j0 0),(),( yxeyxAyxA ?? 該項(xiàng)是在照明光束方向傳播的光波，它經(jīng)過(guò)全息圖后不偏轉(zhuǎn)，但是振幅會(huì)發(fā)生變化。 全息術(shù)及其基本原理 ② 物光波的再現(xiàn) ? 如果再現(xiàn)過(guò)程中用另外方向的光束作為照明光波 ， 再現(xiàn)像會(huì)隨之變化 。 全息底片 實(shí)像 （ 共軛像 ） O 照明光波 z y 圖 422 物光波的再現(xiàn)圖示 虛像 （ 原始像 ） 實(shí)像 O 照明光波 z y 圖 423 物光波的再現(xiàn)圖示 虛像 重要性質(zhì)： 由圖明顯看出，由于全息圖記錄的是物體光波和參考光波產(chǎn)生的干涉條紋，它分布于整個(gè)全息圖上，因此，如果全息圖缺損一部分，僅減少了干涉條紋所占的面積，降低了再現(xiàn)象的亮度和分辨力，而對(duì)再現(xiàn)像的位置和形狀是毫無(wú)影響的。這就是說(shuō)，全息圖對(duì)缺損、劃傷、油污、灰塵等沒(méi)有嚴(yán)格要求，這一點(diǎn)在應(yīng)用中具有重要意義。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù) ? 全息干涉測(cè)試技術(shù)是全息術(shù)應(yīng)用于實(shí)際最早也是最成熟的技術(shù)，它把普通的干涉測(cè)試技術(shù)同全息術(shù)結(jié)合起來(lái)，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)： ? 1）全息干涉技術(shù)則能夠?qū)θ我庑螤詈痛植诒砻娴娜S表面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量不確定度可達(dá)光波波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。 ? 2）全息圖的再現(xiàn)像具有三維性質(zhì)，因此全息干涉技術(shù)可以從不同視角觀察一個(gè)形狀復(fù)雜的物體，一個(gè)干涉全息圖相當(dāng)于用一般干涉進(jìn)行多次觀察。 ? 3）全息干涉技術(shù)是比較同一物體在不同時(shí)刻的狀態(tài)，因此，可以測(cè)試該段時(shí)間內(nèi)物體的位置和形狀的變化。 ? 4）全息干涉圖是同一被測(cè)物體變化前后的狀態(tài)的記錄，不需要比較基準(zhǔn)件，對(duì)任意形狀和粗糙表面的測(cè)試比較有利。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù) ①靜態(tài)二次曝光全息干涉法 ? 原理： 二次曝光全息干涉法是將兩個(gè)具有一定位相差的光波分別與同一參考光波相干涉，分兩次曝光記錄在同一張全息底片上。當(dāng)用與參考光完全相同的再現(xiàn)光照射該全息圖時(shí)，就可以再現(xiàn)出兩個(gè)互相重疊的具有一定位相差的物光波。當(dāng)迎著物光波觀察時(shí)，就可以觀察到在再現(xiàn)物體上產(chǎn)生的干涉條紋。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù) ? ②實(shí)時(shí)法全息干涉 ? 原理：將對(duì)物體曝光一次的全息圖經(jīng)顯影和定影處理后在原來(lái)攝影裝置中精確復(fù)位，再現(xiàn)全息圖時(shí)，再現(xiàn)像就重疊在原來(lái)的物體上。若物體稍有位移或變形，就可以看到干涉條紋。 ? 設(shè)物光波和參考光波在全息底片上形成的光場(chǎng)分布分別為： ),(j01 1),(),( yxeyxAyxA ??? ?? ? ? ?)(j020)(j020j20230)2(j200j200j20230**22111010100)()(),(),(),(),(),( ),(),(),(),(RRRReRAeRAeAReRAeRAeARRyxRyxAyxRyxARyxARyxAyxRyxAyxW H??????????????????????????????????? 經(jīng)過(guò)曝光 、 顯影和定影處理后得到的全息底片透射率分布為： ),(j0),(yxReRyxR ??44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù) ? ②實(shí)時(shí)法全息干涉 ? 把經(jīng)過(guò)處理后獲得的全息圖復(fù)位，并用原參考光波 R和變形后的物光波 A1同時(shí)照射全息圖，設(shè)變形后的物光波 )(J),( 2023 CzAyxI ?? 透過(guò)全息圖的光場(chǎng)復(fù)振幅分布是 ??????????tttttfNLLtvtvtf0000d22 2d2d2d ?????所以＝＝＝由于物光 A 參考光 R 全息圖 a)記錄過(guò)程 物 物光 A1 再現(xiàn)光 R 全息圖 b)再現(xiàn)過(guò)程 變形后物 Ⅲ Ⅰ ,Ⅵ Ⅱ ,Ⅳ Ⅴ 實(shí)時(shí)法全息圖的記錄與波面再現(xiàn) 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù) ? ③時(shí)間平均法 ? 多次曝光全息干涉技術(shù)的概念可以推廣到連續(xù)曝光這一極限情況，結(jié)果得到所謂的時(shí)間平均全息干涉測(cè)試技術(shù)。這種方法是對(duì)周期性振動(dòng)物體做一次曝光而形成。當(dāng)記錄的曝光時(shí)間大于物體振動(dòng)周期時(shí)，全息圖上就會(huì)有效地記錄許多像的總效果，物體振動(dòng)的位置和時(shí)間平均相對(duì)應(yīng)。當(dāng)這些光波又重新再現(xiàn)出來(lái)時(shí)，它們?cè)诳臻g上必然要相干疊加。由于物體上不同點(diǎn)的振幅不同而引起的再現(xiàn)波相位不同，疊加結(jié)果是再現(xiàn)像上必然會(huì)呈現(xiàn)和物體的振動(dòng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的干涉條紋，亦即產(chǎn)生和振動(dòng)的振幅相關(guān)的干涉條紋。其再現(xiàn)像光強(qiáng)分布為 ? f f f f f f fD D? ? ? ? ?0 0s s( ) ?時(shí)間平均全息干涉技術(shù)是研究正弦振動(dòng)的最好工具，也可以用于研究非正弦運(yùn)動(dòng)，是振動(dòng)分析的基本手段。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù) ? ④計(jì)算全息干涉技術(shù) ? 含義：全息圖是具有黑度連續(xù)變化的照片。如果不用實(shí)際物體來(lái)形成黑度變化，而是用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些連續(xù)的黑度變化，就有可能利用計(jì)算機(jī)人為地制造一個(gè)想象中的物體。所謂的計(jì)算全息就是利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖。 ? 優(yōu)勢(shì)：計(jì)算全息技術(shù)為精密測(cè)試提供了一個(gè)制作標(biāo)準(zhǔn)的嶄新途徑 。例如 ， 非球面的檢測(cè) 、 各種復(fù)雜三維形狀的檢測(cè)等 ， 可以人為地制作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的非球面波面來(lái)檢驗(yàn)工件 ， 為大型精密加工 、 汽車 、 航空航天 、 造船等工業(yè)的輪廓檢驗(yàn)提供了新手段 。 同時(shí) ， 計(jì)算全息技術(shù)也為光學(xué)濾波 、 信息存儲(chǔ)等光學(xué)信息處理提供了新途徑 。 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用 ? 全息技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的光學(xué)分支，其應(yīng)用滲透到各個(gè)領(lǐng)域，已成為近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)生活中十分有效的測(cè)試手段，廣泛應(yīng)用于位移測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量、缺陷檢測(cè)、瞬態(tài)測(cè)試等方面，在某些領(lǐng)域里的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì)。 ? ① 缺陷檢測(cè) 試件 物光束 1 全息底片 H1 全息底片 H2 物光束 2 參考光束 1 參考光束 2 圖 427 全息干涉法檢測(cè)復(fù)合材料兩表面缺陷光路圖 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) 全息干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用 ? ③計(jì)算全息用于檢測(cè)非球面 激光 B1 B2 P H O F M2 M3 M1 檢驗(yàn)非球面的計(jì)算全息干涉儀 44 激光全息干涉測(cè)試技術(shù) ?激光外差干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用 ? ① 激光外差干涉測(cè)長(zhǎng) B A 1/4 波片 數(shù)據(jù)處理 雙頻激光器 1/4波片 準(zhǔn)直系統(tǒng) 可動(dòng)角 隅棱鏡 檢偏器 v 探測(cè)器 前置 放大器 f2 f1 f1177。 Δf f2 f1 f2 f1177。 Δf 雙頻激光器外差干涉測(cè)長(zhǎng)原理圖 偏振分光鏡 f2－ f1 f2－（ f1177。 Δf） 45 激光外差干涉測(cè)試技術(shù) ?激光外差干涉測(cè)試技術(shù)應(yīng)用 ? ② 激光外差干涉測(cè)量微振動(dòng) f0 f0＋ fs 1 2 3 4 1/2波片 5 10 6 7 1/4波片 9 振動(dòng)體 雙頻激光測(cè)量振動(dòng)光路示意圖 8 f0177。 fD B A f 1 f 2 f 1 177。 2Δ f f 2 f 1 f 1 177。 Δ f f 1 177。 2Δ f f 1 177。 Δ