第8节 激光全息检测诊断技术

第8章激光全息检测诊断技术

8.1 概述

激光全息检测诊断技术是20世纪60年代末发展起来的，并且是激光技术在无损检测领域应用最早、用得最多的方法。在近几十年来，全息无损检测的理论、技术和照相系统都有了很大的发展，使该技术在更广泛的工业领域应用的可行性和实用性有了长足进展，成为无损检测工程学的重要组成部分。目前，激光全息无损检测工程学的重要组成部分。目前，激光全息无损检测约占激光全息总应用的25%。激光全息无损检测应用领域涉及航空航天产品中常用的蜂窝夹层机构脱胶缺陷的检测、复合材料层压板分层缺陷的检测，印刷电路板内焊接头的虚焊检测、压力容器寒风的完整性检测、火箭推进剂药柱中的裂纹和分层、壳体和衬套间的分层缺陷检测、飞机轮胎中的胎面体脱粘缺陷检测、反应堆核燃料元件中的分层缺陷检测等。特别是在对复合材料、蜂窝结构、叠层结构、航空轮胎和高压容器的检测，具有某些独到之处，解决了用其他方法无法解决的问题。

所谓全息术与普通照相术的区别是，普通照相术只是记录了物体表面光波导振幅信息，而把位相信息丢掉了，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，便形成了物体逼真的三维像。由于记录了物体的全部信息（振幅，相位，波长），因而称为全息术或全息照相。这是一种两步成像的方法，第一步先记录下物体的表面光波，第二步将记录的光波“再现”出来。

当然，目前全息无损检测技术真正应用到生产实际上的项目并不多，大多数项目仍处在实验阶段，离人们的期望相差甚远。这是由于这种技术始终没有摆脱实验室的束缚，没有与计算机技术的图像处理技术很好地结合起来，因而无法实现自动化在线检测而不能扩大其应用范围。

激光全息检测同其他检测方法相比较，其特点如下：

1）由于激光全息检测是一个干涉计量术，其干涉计量精度与激光波长同数量级。因此，极微小（微米数量级）的变形均能被检测出来，而且检测的灵敏度甚高。

2）由于激光做光源，而激光的相干长度很大，因此可以检验大尺寸的产品，只要激光能够充分照射到整个产品表面，都能一次检验完毕。

3）激光全息检测对被检对象没有特殊要求，它可以对任何材料和粗糙表面进行检测。

4）可借助干涉条纹的数量和分布来确定缺陷的大小、部位和深度，便于对缺陷进行定量分析，

5）激光全息检测具有直观感强，非接触检测，检测结果便于保存等特点。

8.2激光全息检测原理

8.2.1全息照相的特点及原理

1、全息照相的特点

全息照相不仅在成像原理上与普通照相截然不同，而且它还有许多普通照相所没有的奇异特点。

成像原理上的差别

普通照相必须在胶片和物体之间安放一个针孔（或透镜）使物体上的每一点只有一条光线能够到达胶片，如图8-1a所示，然后利用胶片上的感光材料，把物体表面光波的强度记录下来，从而得到物体的形状。全息照相则不用成像系统，而是借助一束与物体光波相干涉的参考光，在胶片处同物体光波相叠加，形成干涉条纹，如图8-1b所示。

物体

针孔或透镜片

a)

参考

光源

b)

图8-1 全息照相与普通照相的差别

a）普通照相 b）全息照相

全息照相与被摄物物任何相似之处

从全息照相外表上看，只是记录一些干涉条纹，根本看不出在照片上记录了一些什么物体，只有在再现过程中才能看到被摄物的像。

再现的像是立体像

全息照片在再现过程中，观察者如同观察真是景物一样。当观察者改变位置时，就可以看到物体后面被挡住的部位。若看远近不同的物体，必须重新调焦。

照片具有可分割性

如果把普通照片撕去一块，就会丢失一部分信息。但全息照片的每一个碎片都能再现在原来物体的完整像。这是由于全息照相不用成像透镜，所以全息照片上任何一点都接受到物体整个表面漫反射来的光波。因此，全息照片上任何一块都可以再现出物体的整个表面光波，只是清晰度稍微有不同而已。

胶片可多次记录许多个图像

在一张全息胶片上可以进行多次曝光，从胶片不同的方向记录多个物体。再现时，每个物体的像可以不受其他像的干扰而单独地显示出来。这是由于各个像再现在不同的衍射方向上，只有在不同的方向上才能看到再现的物体像。

2.全息照相的原理

图8-2是全息照相记录过程的原理图。当激光从激光器发射出来后，经过分光镜被分成两束光。一束由分光镜表面反射，经过反射镜到达扩束镜，将直径为几个毫米的激光扩大照射到整个物体的表面，再由物体表面漫反射到胶片上，这束光称为物体光束；另一束光透过分光镜后，被扩束镜扩大，再经反射镜直接照射到胶片上，这束光称为参考光束。当这两束光波在胶片上叠加后，形成干涉图案，再经胶片显影处理后，干涉图案就以条纹的明暗和间距变化形式被显示出来，正是这些干涉条纹记录了物体光波导振幅和位相信息。

为了理解全息照相的记录过程，下面简要叙述两个平面光波导干涉情形，如图8-2所示。其中一列代表物体反射来的光束，另一列代表参考光束，这两束光波的夹角为θ。当他们在胶片上相遇叠加时，就产生了一组相互平行、明暗间隔的干涉条纹。条纹的明暗取决于两束光波到达该处的位相差。如果位相差为π的偶数倍，也就是两束光波到达该处的位相相同时，就产生了亮条纹，这时叫做相长干涉；如果两束光波到达该处的位相差为π的奇数倍即位相相反时，就产生了暗条纹，这时就叫相消干涉。如果两束光波到达该处的位相既不相同也不相反时，则形成干涉条纹的亮度相应地介于上述两种明暗条纹之间，而条纹的间距，

取决于这两束光的夹角θ。设d为相邻两个明条纹（或两个暗条纹）的间距，按布拉格方程式有

d=λ/2sin(θ/2) (8-1) 式中λ——光波导波长

从上市可以看出，明暗条纹的间距取决于在该处发生干涉的两个光波之间的夹角，夹角大的地方，条纹间距就大；夹角小的地方，条纹间距就小。这样，就在整个全息胶片上形成了一些明暗不一、间距不等的干涉条纹，犹如许多花纹和斑点交织的图案。

因上述情况是在两束平面相干波长中产生的干涉现象，在实际情况中，物体的表面光波并不是一个简单的球面光波，而是形状复杂的光波，而且参考光波也不一定都是平面光波，所以，他们叠加时，所产生的干涉图案也就非常复杂，但是原理却相同。

3.拍摄全息图像需要具备的条件

（1）激光全息摄影的光源

激光全息摄影是一个干涉过程，因而它的光源必须具有良好的时间相干性和空间相干性的相干辐射源。空间相干性是量度一种波前的相位均匀性，如平面波前或球面波前都认为是空间相干波前。若它们的相位是天然随机的或变化显著，则称此光源的空间相干性很差。

在离轴全息图中，对物体的照明光束没有空间相干性的要求，但要求参考光束有良好的空间相干性。空间相干性不好，就会使再现像的分辨率局部或全部减低，严重的会使再现像消失。

时间相干性是以时间度量两个相继波前的相位恒定性。时间相干性通常以光束有良好的空间相干性。在此长度中两个相继波前彼此能保持很定的相位关系。如把一个相干光源用于干涉仪的相干测量，当干涉仪的两个臂光程相等时，由它们干涉产生的干涉条纹的调制度定义为

式中Imax、Imin分别表示干涉条纹辐照度数值的极大值和极小值。

调制度越大，在底片（全息干板）上曝光形成的光栅衍射效率越高。如果全息图上的干涉条纹衍射效率高，全息再现像的亮度及分辨率就高。改变一个臂的长度直到干涉现象消失为止。此时两臂的光程差就是该相干光源的时间相干性，也叫相干长度。相干长度与光源的频带宽度成反比，具有单一频率的光源相干长度为无穷大。目前，用于全息摄影的较理想的激光光源有连续波的氦氖激光器（λ=632.8nm），氩离子激光器（λ=488nm和514.5nm）和脉冲红宝石激光器（λ=694.3nm）。

（2）激光全息摄影用的感光材料

因为全息摄影是光波相互干涉的过程，尤其是离轴激光全息图（利思-厄帕特尼克斯型），参考光与物光束之间有一部小的夹角，所以被全息底片记录下来的干涉条纹频率很高，在记录三维物体景象时条纹频率还要增加，因此要求全息底片有极高的分辨率。空间分辨率γ的表达式为

γ=2sin（θ/2）/λ（8-3）当全息摄影使用红宝石激光器（λ=694.3nm），物光与参考光之间的夹角在200≤θ≤1800时，要求全息底片的空间分辨率为509～28801 lp/mm。可见γ与使用的激光波长λ及物光与参考光夹角θ有关。式（8-3）所提出的是最低限度要求，在记录三维漫反射景象时分辨率的要求还要高些。这样高的分辨率要求，一般的照相底片上达不到的，必须使用全息记录介质。常用的记录介质按材料分类如表8-1所示。