第五章 光学全息无损检测

二 全息照相基本原理
• 如果将全息照片置于原来的位置，并 在与记录干涉条纹的参考光照射的方 向相同的方向上用相干光照射，则此 照射光在冲洗后的干板（衍射光栅） 上被衍射。
• 由图4可知，在衍射光栅的栅格间距小 的地方，光的衍射角大；在衍射光栅 的栅格间距大的地方，光的衍射角小。 结果，整个衍射光就好像从原来点光 源所在位置传播过来的方向上被衍射。
年提出来的，伽柏并因此在1971年获 得了诺贝尔物理学奖。 • 当初的目的是想利用全息术提高电子 显微镜的分辨率，伽柏当初使用汞灯 作为光源，但是汞灯作为光源还不是 很理想，这种技术由于要求高度相干 性及高强度的光源而一度发展缓慢
全息照相术的发展
1960年，梅曼（Maiman） 研制成功了红宝 石激光器。
1961年，贾范（Javan）等制成了氦氖激光器 一种前所未有的优质相干光源诞生了。
1962年，美国科学家E.N.利思和J.乌帕特尼克 斯用激光器对伽柏的技术做了划时代的改 进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的 发展。
近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入， 逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代 光学的一个重用分支。
3） 两束光波在相遇处的光程差 不能太大， 即两束光波传播到该 处的距离差值不能太大
（1）
两相干波源的振动方程
y10 A10 cos ( t + j 1) y20 A20 cos ( t + j 2)
相干振动合成
A1
A
A2
分别引起 P 点的振
动
y1
A1 cos t + ( j 1
y2 A2 cos t + ( j 2
被光照射的物体可以看作是无数点 光源的集合体。在这种情况下，非常复 杂的干涉条纹被记录下来，当用相干光 照射干板时，光在与原物体存在时相同 的方向上被衍射。
M3
换言之，在物体原来所在的位置上将再 现它的像，这就是全息照相的原理。
H
C1
O
M2 He–Ne Laser
K C2
BS
M1
激光全息照相检测的光路图
图7
• 这样记录下来的受到物体光波调制了的干 涉条纹，就是全息图。
• 图8是全息图实际记录过程的图解，
二 全息照相基本原理
• 如果要由全息图再现原物的形状和位置， 则如图9那样，用同一波长的相干光照射 全息图，被调制的空间频率就像一种衍射 光栅一样把光波衍射。由于被衍射的光是 沿着与透过物体的光或被物体反射的光相 同的方向行进，所以再现的像在空间也有 景深，从而可观测到三维的立体象。
图4
二 全息照相基本原理
同样，如果放置两个点光源，通过与另外的相干光形成干涉条纹，并记录在干 板上，则自然会有两种不同的干涉条纹相重叠地被记录下来。 并且，每种干涉条纹都具有与各自的点光源的光强相应的反差，从而起衍射光 栅的作用，使得衍射光象是从原来两个点光源所在位置传播过来似的被衍射。 在类似的点光源极多的情况下，也可按这种方式处理。
二 全息照相基本原理
如图1，使从点光源（可以认为是从物体上的一点 反射出来的光，也可考虑为有一个针孔）发出 的相干激光束A与另一方向射来的激光束B 在照相干板上叠加而产生干涉。
形成如图2所示的那样的干涉条纹。 如果将这种干板冲洗后则可变成一种衍射光栅
如图3 ，即全息照片（或全息图） .
图1
图3 图2
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• 全息照相有一些突出的特点：
• 比如它的像有三维立体性、其干板具有可分 割性、可多次记录性等等。
• 普通照相在胶片上记录的仅是物光的振幅信 息（即光强分布），而全息照相记录了物光 的振幅及相位信息，“全息”也因此而得名。
全息照相术的起源
• 全息术最初是由英国科学家 • 丹尼斯·伽柏（Dennis Gabor）于1948
第五章 光学全息无损检测
一 全息照相的概念 二 全息照相基本原理 三 激光全息检测基本原理 四 激光全息检测方法 五 激光全息检测的应用
一 全息照相的概念
全息照相术是一种新型的照相技术，其成像过程是：
利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹的形式把图像记录下来，然后用光 照射这种干板（称作全息干板），就能以立体形式再现出原来的物体像。
• 相对而言，一般照相技术仅仅是个记录过程，而全息照相术具有记录 和再现过程两个阶段，再现出来的像恰是来自物体的光的波面本身
三 激光全息检测基本原理
1 激光全息检测的原理
（1） 激光全息检测的原理
激光全息检测：是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。 因为物体在受到外界载荷作用下会变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。 在不同的外界载荷作用下， 物体表面变形的程度是不相同的。 激光全息照相是将物体表面和内部的缺陷通过外界加载的方法，使其在相应的物 体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载 荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察分析， 然后判断物体内部是否存在缺陷。
二 全息照相基本原理
干涉条纹间距：如图5，用分束镜将一束相干光分 为两束，它们再以某一角度θ在干板上叠加， 则会形成大致一样的干涉条纹。
这些干涉条纹的间距为
x s in
Δx的大小由波长λ和两束光的夹角θ决定
• 空间频率或空间载波：
• 这样产生的干涉条纹如图6所示， 是黑白相间周期性重复的排列。 每一毫米内存在的干涉条纹数称 作空间频率或空间载波，这样产 生的空间载波未受任何调制。
（1） 为了了解这种检测方法的原理，首先简单介绍光的干涉现象
根据电磁波理论，表示光波中电场的波动方程为
E A0 cost
其中：A0为光波的振幅；ω为角频率；t为时间。
相干光
1） 两束光频率相同， 且有相 同的振动方向和固定的相位差
2） 两束光波在相遇处所产生的 振幅差不应太大，否则与单一光 波在该处的振幅没有多大的差别， 因此也没有明显的干涉现象
图5
图6
二 全息照相基本原理
• 如图7所示，如果在一个方向上的光束中途
放置一块幻灯片之类的透射体，利用从透
射体透射出来的光，或者是利用照射物体
时产生的反射光，与另一方向上的相干光
（即参考光）叠加而形成干涉条纹，则这
样形成的干涉条纹不再是规则排列的清晰
条纹，而是变成了复杂的干涉条纹。这种
情况，可以认为是空间载波被物体所调制。