云纹干涉法的理论与应用研究评述

云纹干涉法的理论与应用研究评述

卿新林

(清华大学工程力学系,北京　100084)

卿新林,男,汉族,1967年3月出生于湖南省新化县.1986年毕业于湖南

省娄底师专物理系,1988年9月至1991年2月在天津大学力学系攻读实

验力学硕士学位,1991年3月至1993年10月在清华大学工程力学系固体

力学专业攻读博士学位,1993年10月至1995年8月在天津大学光力学国

家专业实验室从事博士后研究,1995年2月破格晋升为副教授.1995年9

月至1997年2月在清华大学工程力学系任副教授,从事实验固体力学方

面的科研和指导研究生工作.1997年3月至今在University of Illinois at

Urbana2Champaign作访问教授,从事金属材料热力学疲劳的本构关系与实

验研究.曾承担多项国家和省部级科学基金及生产实际课题,在《J.of Material Science》,《J.of Mater.Sci.Lett.》,《Optics and Laser in Engineering》,《Appl.Opt.》,《Composite Sci.and Tech.》,《力学学报》等国内外学术刊物上发表论文30多篇.曾获国家教委科技进步(甲类)二等奖.

摘要　本文对云纹干涉法的原理、方法、实验技术及在应用研究上所取得的进展作了简要的评述,并对云纹干涉法今后的研究方向进行了一些展望.

关键词　云纹干涉法,光测力学,实验力学

1　引　言

近20年来,由于激光技术和近代光学的发展及其在实验力学领域中的应用,产生了以全息干涉、散斑干涉、云纹干涉为主要研究内容的现代光测力学.云纹干涉法由于具有高灵敏度、大量程、极好的条纹质量、非接触、实时全场观测等优点,自从它的诞生之日起就受到广大实验力学工作者的高度重视,人们对云纹干涉法进行了大量的研究,取得了重要进展.迄今为止,云纹干涉法的理论与方法研究已基本完善,并在材料科学、无损检测、断裂力学、细观力学、微电子封装等许多领域中获得了成功的应用.本文对云纹干涉法的理论与应用研究,特别是近几年来所取得的重要进展作一简要评述.

2　原理与方法

211　云纹干涉法的理论解释

最常见的云纹干涉法光路是由Post等人倡导的双光束对称入射试件栅光路,如图1所示.

Post最早对云纹干涉法进行了解释[1]:对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面的交汇区域内形成频率为试件栅两倍的空间虚栅,当试件受载变形时,刻制在试件表面的试件栅也随之变形,变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图,该云纹图即为沿虚栅主方向的面内位移等值线,并提出了类似于几何云纹的面内位移计算公式

41力学与实践

图1　最基本的云纹干涉法光路

U =N x 2f , V =N y 2f (1)

Post 的这种最初解释借助了几何云纹的基本思想,给云纹干涉法以简单描述,这对建立概念是有用的.正像Post 所指出的一样,云纹干涉法的本质在于从试件栅衍射出的翘曲波前相互干涉,产生代表位移等值线的干涉条纹[2].此后,戴和Post 等人又从光的波前干涉理论出发对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释[3,4].

当两束相干准直光A ,B 以入射角θ=arcsin (λf )对称入射试件栅时,则将获得沿试件表面法向传播光波A 的正一级衍射光波A ′和B 的负一级衍射光波B ′.当试件未受力时,A ′和B ′均为平面光波

A ′=a exp [i

B ′=a exp [i

式中

当试件受力变形后,平面光波A ′和B ′变为和试件表面位移有关的翘曲波前,其位相也将发生相应的变化,翘曲波前可表示为

A ′1=a exp [i (

B ′1=a exp [i (

式中φa (x ,y ),φb (x ,y )分别为变形引起的正负一级衍射光波的位相变化,它们与试件表面x 方向的位移U 和z 方向的位移W 有如下关系

φa (x ,y )=2πλ[W (1+cos θ)-U sin θ]φb (x ,y )=2πλ

[W (1+cos θ)+U sin θ][(4)正负一级衍射光波在象平面上发生干涉,其光强分布为

I =(A ′1+B ′1)(A ′1+B ′1)=2a 2{1+cos [α+δ(x ,y )]}(5)

式中a =

位移产生的位相差,由此得到位移表达式

U =

N x 2f (6)

式中N x为条纹级数.

此外,Shield等人还提出了干涉云纹的衍射理论[5].

212　三维位移场

采用如图1所示的双光束对称入射云纹干涉法光路可以实时地获得消除了离面位移影响的面内位移条纹,然而大量的工程问题要求对三维位移场进行测量.Basehore等把全息技术引入云纹干涉法,利用一束平面参考光分别与作为物光的正负一级衍射波相干,利用两张全息底片记录下相应的面内位移与离面位移的耦合条纹图,再通过逐点作相加及相减计算分离出面内位移与离面位移场[6].为能利用光学信息处理直接分离出面内及离面位移,Basehore等人又提出了面内位移与离面位移场同步测量方案,对正负一级衍射波施加等值反号的高频载波,并辅之以沿试件栅法向传播的平面参考光波,利用双曝光法将试件的变形信息记录在全息底版上,通过滤波处理分离出面位移场[7],避免了繁琐的数据处理,Asundi等人提出了另一种测量三维位移场的途径[8～10],其优点是在分离的位置上分别记录面内位移与离面位移,但是这种方法的不足之处在于离面位移条纹对面内位移场敏感,而且离面位移场条纹图的成象不在试件的法线方向,以致造成试件全场成象困难.罗等利用云纹干涉光路不对称时云纹条纹中包含有了离面位移的信息,提出一种测量三维位移场的方法,在这一方法中,离面位移的提取是通过与面内位移进行减法运算来实现[11].钟国成等也提出了用云纹干涉法同时获得三维位移场的两种方法,即实时观测法和加载波条纹的差载法[12].在三维位移场的测量方法中,任晓辉等还提出由对称入射的双光束云纹干涉光路和迈克逊干涉光路组成的光学测量系统[13].在这一光路系统中,利用斜对称入射的双光束的正负一级衍射的干涉提取面内位移信息,利用正入射试件栅光波的零级衍射作为运载物体变形信息的物光与参考光波干涉来提取离面位移,此外,Wang等提出了另一种与上述方法类似的测量三维位移场的云纹干涉法[14].

213　位移导数场的测量

应变场的直接测量也是现代光测力学中十分重要的问题.早在70年代,Hung就提出了错位散斑干涉法,得到了面内位移导数与离面位移导数场的耦合条纹[15].人们在利用错位技术测量应变场这一领域作了大量工作,特别是高灵敏度云纹干涉法的出现和偏振技术的采用,更为错位技术测量应变场提供了广阔的天地.Weissman等在云纹干涉法中以两次曝光间的底版机械错位,首先获得了面内应变场条纹图[16,17];傅等采用平晶作为反射错位元件,实时记录了面内及离面位移导数场的耦合条纹图[18];吴岫原等又采用方解石晶体作为错位元件,消除了离面位移导数场的干扰,得到了以位移条纹为背景的面内位移导数场的条纹图[19].后来Patorski等提出类似的云纹干涉光学微分方法来测量位移导数场[20].戴福隆等首次将偏振技术引入云纹干涉法,提出了偏振错位云纹干涉法[21],该方法采用两束偏振方向相互垂直的相干光对称入射试件栅,以平板玻璃作为错位元件,消除了面内位移的干扰,得到清晰的面内位移导数场条纹.方竞等又通过改变两束对称入射光波的程差,使其超出激光的相干长度,得到了类似的结果[22],方竞等还提出偏振错位全息云纹干涉法,首次用全息干涉的方法得到了清晰的应变条纹图[23].

三维位移导数场的同步测量在一些领域中也是受到十分关注的,尤其在一些动态问题的研究中,任晓辉等提出了变载波双曝光错位云纹干涉法[24],他采用在双光束对称入射的云纹干涉法光路中辅加一平面参考光波,在试件变形前后对记录底版两次曝光,并在两次曝光时对一级衍射波和平面参考光波引入不同的载波,通过对记录有差载三维变形信息的记录底版进行滤波处理,从而得到面内及离面位移导数.

61力学与实践