激光全息检测技术

激光全息检测技术1.激光全息检测技术概述全息术或称全息照相（Holography）的思想是英国科学家丹尼斯·伽柏（Dennis Gabor）在1948年首先提出来的。

由于他的发明和对全息技术发展的巨大作用，他于1971年被授予诺贝尔物理学奖。

全息术与普通照相术的区别是，普通照相术只记录物体表面光波的振幅信息，而把相位信息丢掉了，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，形成物体逼真的三维像。

由于记录了物体的全部信息（振幅、相位、波长），因而成为全息术或全息照相。

如图，比较了全息照相与普通照相的区别：图1：全息照相与普通照相的区别激光全息无损检验是全息干涉分析的一种应用，它可以用来监视一个复杂的物体在两种不同时刻里所发生的变形，不管物体表面是光洁还是粗糙，都可以观测到光学公差水平几分之一微米以下，由于它是利用全息技术再现原理，因此是无接触地进行三维立体观测。

同其他检测方法比较，激光全息检测的方法有如下优点：1. 激光全息检测是一种干涉测量技术，干涉测量精度与激光波长同数量级，微小（微米数量级）的变形均能被检测出来，检测灵敏度高；2.由于激光的相干度很高，因此，可以检测大尺寸工件，只要激光能够充分照射到这个工件表面，都能一次检测完成；3.对被检对象没有特殊要求，可以检测任何材料和粗糙表面；4.可对缺陷进行定量分析，根据干涉条纹的数量和分布确定缺陷的大小、部位、深度。

5.非接触测量、直观、检测结果便于保存。

但是，物体内部缺陷的检测灵敏度，取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。

如果物体内部缺陷过深或过于微小，那么激光全息照相这种检测方法就无能为力了。

对于叠层胶接结构来说，检测其脱粘缺陷的灵敏度取决于脱粘面积和深度比值，在近表面的脱粘缺陷面积，即使很小也能检测出来，而对于埋藏的较深的脱粘缺陷，只有在脱粘面积相当大时才能够被检测出来。

另外，激光全息检测目前多在暗室中进行，并需要采用严格的隔震措施，因此不利于现场检测。

综上，激光全息检测具有如下缺点：1.对内部缺陷的检测灵敏度较低：灵敏度取决于内部缺陷在外力作用下所造成的物体表面的变形大小。

2.对工作环境要求较高：暗室中进行，严格的隔振措施。

2.激光全息检测的原理激光全息无损检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部的缺陷。

因为，物体在外界载荷作用下会产生微变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。

通过外加载荷的办法激发物体表面的变形，再利用激光全息照相法，把物体表面的变形以明暗相间的条纹的形式记录下来。

通过观察、分析、比较全息图，来判断物体表面是否存在缺陷。

2.1全息照相的原理2.1.1干涉我们知道，波是可以叠加的，假设有两个波长相同的光波相叠加，当它们相位相同时，叠加后所合成的光波振幅增强，如图6-1-a;如果两个光波相位相反，则合成的光波就相互抵消而减弱，如图6-2-b。

把光波在空间叠加而形成明暗相间的稳定分布的现象叫光的干涉。

全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。

从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。

在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。

2.1.2能够产生干涉的光波需要满足下列条件：1)频率相同的两束光在相遇时，有相同的振动方向和固定的相位差。

2)两束光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产生的振幅没有多大差别，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，即两束光波传播到该处的距离差值不能太大。

满足上述条件的光波叫相干波。

2.1.3激光全息照相检测的光路示意图图2是激光全息照相检测的光路示意图。

从激光器1发出的激光束经过反射镜4，由分光器2分成两束光。

一束透过分光镜后，被扩束镜9扩大，经过反射镜10反射照射到被检物体上，再由物体表面漫反射到胶片上，这束光成为物光束;另一束光由分光器2表面反射，经过反射镜3到达扩束镜6，被其扩大后再由反射镜7反射照到胶片上，这束光称为参考光束。

当这两束光在胶片上叠加后，形成了干涉图案，胶片经过显影、定影处理后，干涉图案以条纹的明暗和间距变化的形式显示出来，它们记录了物体光波的振幅和相位信息。

被记录的全息图是一些非常细密的、很不规律的干涉条纹，它图2.激光全息照相检测的光路示意图是一种光栅，与被照的物体在形状上毫无相似之处，为了看到物体的全息像，通常采用再现技术来实现。

2.2全息无损检测的原理全息无损检测是全息干涉计量技术的实际应用。

全息无损检测原理就是建立在判断全息干涉条纹与结构变形量之间关系的基础上。

a)脱胶处变形b）图3.热加载两次曝光法显示的铝蜂窝夹层板局部脱胶缺陷于干涉条纹畸变图a)叠层结构b)脱胶处变形在外力作用下，结构将产生表面变形。

若结构存在缺陷，则对应缺陷部位的表面变形与结构物缺陷部位的表面变形是不同的。

这是因为缺陷的存在，使缺陷部位的刚度、强度、热传导系数等物理量均发生变化的结果。

因而缺陷部位的局部变形与结构的整体变形就不一样。

应用全息干涉计量的方法，可以把这种不同表面的变形转换成光强表示的干涉条纹由感光介质记录下来。

如果结构不存在缺陷，则这种干涉条纹只与外加载荷有关，且干涉条纹衫有规律的，每一根条纹都表示结构变形等位移线；如果结构中存在缺陷，则缺陷部位的条纹变化不仅取决于外加载荷，还取决于缺陷对结构的影响。

因为在缺陷处产生干涉条纹，是结构在外加载荷作用下产生的位移线与缺陷引起的变形干涉条纹叠加的结果。

这种叠加将引起缺陷部位的表面干涉条纹畸变。

根据这种畸变则可以确定结构是否存在缺陷。

图3-a所示是一叠层结构，前壁板之间局部脱胶，若以热辐射作用与所示结构前壁板上，前壁板表面温度升高时，其膨胀系数和温度变化的积确定。

里面的胶层起隔热作用，使得后壁板的温度变化较小。

它相当于两层有温度差的板组合而成为一个准双金属片。

这种结构将出现一定程度的弹性变形，弹性变形的大小取决于两块板的物理性能和相对厚度。

然而脱胶区壁板之间是无约束的，前壁板的变形则不受后壁板的影响，从而使脱胶区和它周围非脱胶取之间产生了变形差，如图3-b所示。

如果将这种变形差用两次曝光全息干涉法记录下来，反映在全息图上的缺陷部位干涉条纹将产生畸变，即形成封闭的“牛眼”条纹区就是结构的脱胶部位。

图 4.蜂窝夹层板局部脱粘区的全息再现干涉条纹d脱胶胶层后壁板前壁板3.激光全息检测诊断方法3.1 检验方法激光全息检验所一种全息干涉计量术，它是激光全息照相和干涉计量技术的综合。

这种技术的依据是物体内部缺陷在外力作用下，使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微量位移差。

然后用激光全息照相的方法进行比较，从而检验出物体内部的缺陷。

对于不透明度物体，光波只能在它的表面上反射，因此只能反映物体表面上的现象。

然而，物体表面与物体内部是相互联系着的，若给物体一定的负荷（例如机械的或热脉冲的载荷），物体内部的异常就能表现为表面的异常。

当然，外界载荷应以不使物体受损为限。

3.1.1观察物体表面微量位移差的方法有以下三种：1）实时法先拍摄物体在不受力时代全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄时的位置上，并用拍摄全息图时代同样参考光照射，则全息图就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。

由于这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（因变形甚小），因此这两个光波叠加仍会产生干涉条纹。

加入物体内部没有缺陷，则受载后的物体表面变形是连续规则的，所产生的干涉条纹的形状和间距的变化也是连续均匀的，并与物体外形轮廓的变化相协调。

物体内部如没有缺陷，受载后对应于内部有缺陷的物体表面部位的变形就比周围的变形要大。

因此，当与再现虚像的光波相干涉时，对应于有缺陷的局部地区，就会出现不连续的突变干涉条纹。

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少在观察时完成的，所以称这个方法为实时法。

这种方法的优点是只需要一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，这种方法能经济、迅速而准确地确定出物体所需加载量的大小。

其缺点是：为了将全息图精确地放回原来的位置，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导波长。

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。

显示的干涉条纹图样不能长久保留。

为了解决全息图精确复位的困难，也可以采用“就地显影”的方法。

当全息干版感光以后，不再从干版架中取下，而直接在原位冲洗处理。

有的激光全息照相设备本身附带有显影装置，可以进行就地显影。

至于乳胶层的收缩变形问题可以采用下述的“两次曝光法”来克服，或在原位冲洗法中先放入清水进行曝光。

在观察实时条纹时，为了改善条纹对比度，常常改变光路的分光比，增加再现物象的亮度而减少原物体的照明光强。

这可以采用可调分光器或在光路中放置（或去掉）滤光器来实现。

总之，要使再现像光强和物体反射光强和物体反射光强大致相同，以获得较好的条纹对比度为准。

2）两次曝光法改方法是将物体在两种不同受载情况下的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，所看到的再现象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约为再现光波导半个波长。

若用氦-氖激光器作为光源，则每条条纹代表大约为0.316μm的表面位移。

从这种干涉条纹的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。

两次曝光法是在一张全息片上进行两次曝光，记录了物体在发生变形之前和之后的表面光波。

这不但避免了实时法中全息图复位的困难，而且也避免了感光乳胶层收缩不稳定的影响，因为这时每一个全息图所受到的影响是相同的。

此外，此法系永久性记录。

其主要缺点是对于每一种加载量都需要摄制一张全息图，无法再同一张全息图上看到不同加载情况下物体表面的变形状态，这对于确定加载参数是比较费事的。

两次曝光法和实时法一样，在研究物体两种状态之间的变化时，其变化不能太大或者太小，要在全息干涉分析限度之内（几个、几十个波长）。