二次曝光全息干涉计量技术研究应力场

　第26卷第4期

　2006年08月杭州电子科技大学学报Journal　of　Hangzhou　Dianzi　UniversityVol.26,No.4　Aug.2006　

二次曝光全息干涉计量技术研究应力场

王　健,高文斌

(杭州电子科技大学理学院,)

摘要:该文回顾了全息技术的发展历史,。从两个方面论

,基础,,重点阐述二次曝光全息计量和漫射体全

。,即将

,干板上形成漫射体的干涉条纹图,通过分析干

。

:全息干涉;二次曝光;应力场

中图分类号:O640　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1001-9146(2006)04-0095-04

0　引　言

20世纪70年代以后,全息照相技术在计量学中得到了较快的发展,形成了独立的一门学科—全息干涉度量学。80年代以来,随着电子计算机技术、数字图像处理技术、电视摄像技术的快速发展和普及,全息干涉测量技术已逐步改变其照相法的特征,而朝着智能化、自动化测量技术方面发展,形成了几种特殊的测量技术。全息干涉术主要包括:二次曝光全息干涉术、实时全息干涉术、时间平均全息干涉术。全息干涉计量与普通干涉计量相比有着显著的优点。

第一,全息干涉是一个物体在不同时刻的干涉记录图。相干光束由同一光学系统产生,可以减小系统误差。第二,普通干涉只能测量抛光的透明物体或反射面,而全息干涉不仅可以测量透明物体,也可以测量不透明物体。由于这些优点,全息干涉技术广泛应用于各种测量领域。本课题研究的是二次曝光全息干涉计量技术研究应力场[1]。

精确测定物体的应变具有很重要的意义,因为它影响到机械结构或者零件的强度、安全和寿命,因此也关系到结构设计的误差。随着科学技术与生产的发展,机械设备的工作性能越来越好,工作强度越来越大,自动化程度与生产效率越来越高,同时设备的结构也越来越复杂,设备中各环节的关联也越来越紧密。往往某处稍有故障,不仅会直接或间接的造成巨大的经济损失,而且会危及人身安全,造成极为严重的后果。因此对机械和机构的故障进行早期的诊断显得极为重要。而精确测定机械设备的应变,与正常值对比,可以检测该设备是否存在故障,查出故障所在,进而消除安全隐患。因此测定物体的应变是故障诊断的一种重要手段。同时应变测量可以改进机械设备的设计,检验产品的合格率。它在电力、机械、化工、控制、水力等领域有广泛的应用。

本课题重点是通过实验,对反射体钢尺受外力前后进行全息二次曝光,设计可行的实验光路,获得记录反射物体施力前后两次曝光的全息干板,通过物象重现后干涉产生的条纹来研究物体上的应变情况及应力场分布。

1　全息照相技术的理论基础

收稿日期:2006-07-01

作者简介:王　健(1984-),男,河南焦作人,本科毕业生,应用物理.

　杭州电子科技大学学报　　　　　　　　　　　　　2006年96　　　　　　　　　　　　

1.1　二次曝光全息干涉术的理论基础

为了从数学上分析在二次曝光过程中所发生的物理现象,假设先后记录的两个物光波用O1和O2表示,参考光波用R表示。于是,全息底片上所接收到的总光波场是各次曝光时物光波和参考光波的总和。各次曝光时的光波为:

(1)　　　　　　A1=O1+R　　　A2=O2+R

总曝光量为:

(2)　　　　　　E=(A1A23)t+(A2A23)t=(O1+R)(O1+R)3t(O2+式中,t为曝光时间,并设两次曝光时间相等。:

(3)　　　　　　I=|O1|2+|O2|2+2|R|2+R3()(O12假设全息照相底片工作在线性区内,:

τR3(O12)1=β(4)τ(2=,,它正比与O1+O2,其结果就是全息图片上,从而发生干涉。当用共轭参考光R3照明全息底片时,又将重现出两个实像,。

假设两个物波可以分别表示成:

O1=A0eiks1

O2=A0eiks2(5)

式中,s1、s2,则在重现现象中与式4第一式对应的光强分布为:

　　　　　　Irec=4A20cos[k(s2-s1)]2(6)其中s2-s1表征物体运动或形变所引起的物光波的附加光程变化,而V

在各种应用场合,V

1.2　干涉条纹与形变的关系

实时全息干涉计量是在全息图中只记录待测物体的一个状态,干涉条纹产生于从全息图再现的原物光场和变形后物光场之间的实时相干叠加。试件在外加压力的作用下,其观察面上对应点的位移较复杂,可分为两种位移:一种是在观察面(如XZ面)内的位移,另一种是离开观察面的位移。设AA′为物体观察面上的某一对应点对,由于压力的作用,A点移到A′点(在XZ面内),位移量为d,L为照明光源的位置,O为观察点位置,则位移d引起的位相差为

δ=d(cosθθ(7)　　　　　　1+cos2)λ

从式7中可以看出位相差与入射光方向、观察点位置以及对应点的位移均有关。发生在观察面内的形变引起的干涉条纹,类似于平面反射光栅的干涉条纹,只是前者等位移点的轨迹是不规则的,所以干涉条纹不是平行直条纹。对离开观察面的位移,可以看作观察面绕底边(X轴)转过小角度α造成的。对应点的位相差:

ππα(φφ)δ=(8)　　　　　　λ

φ1/2,则在物平面上扫过区域±改变观察方向dd

δ=-2ππαφ1+sinφ2)-zacosφφ(9)　　　　　　ddz(sin2d2

φ2(10)　　　　　　z=y/tan

第4期　　　　　　　　王　健等:二次曝光全息干涉计量技术研究应力场　　　　　　　　　　97所以:

φdφ22sin2

将式10代入式11可得:

θφδ=(yφφ　　　　　　d-zcos2)d22λsinφ2

δ=0,若O为条纹定域面上的一点,则必须满足d　　　　　　dz=-(11)(12)

φ2φ(13)　　　　　　y=φφsin1+sin2

所以当观察面垂直于xz面时(即φ2=π/2),y当z=0时,y=0,即条纹定域面过x轴。对这种离开观察面的形变,x轴的平行直线,但实际上,观察面的上边不会沿y方向位移y,,因而干涉条纹分为上下两部分,条纹的综合[3]2　2.1　实验思路

本实验是设计通过二次曝光,得到物体施力前后的两次全息信息,获得记录两次信息的干板,并通过重现得到二次曝光干涉的全息信息图。

(1)实验步骤:

设计光路图→搭配光路→第一次曝光→施力→第二次曝光→显影→水洗→停显影→水洗→定影→水洗→晾干。

(2)实验光路:

实验方法是反射法,通过3:7的分束,第一束7成透射的激光通过扩束后,打在钢尺上,反射后,到达干板,为物光,另一束3成反射的激光,扩束后直接到达干板,为参考光。物光与参考光之比7:3。

He-Ne激光器给出的激光经过分束镜分束后,7成激光透射,经过扩束镜扩束后打到钢尺上,反射到达干板,此为物光。另一束3成激光在分束镜处反射,扩束后直接打到干板上,为参考光。

实验所拍摄的物体使用的是钢尺,长度约150mm,宽20mm,厚约3mm,通过两个支架,固定钢尺两端,使钢尺固定,在钢尺中部位置系上细绳,另有固定支架上做好由螺丝控制的可前后移动的钢板,细绳另一段系在这可伸缩的钢板上,实验时,通过螺丝控制,通过细绳对钢板施力,使钢尺发生轻微变形。

2.2　拍摄二次曝光全息图

实验时,使钢尺适当受力(通过螺丝控制伸缩的干板来控制力度),并在受力前后拍摄二次曝光全息图。暗室中,关闭激光器后,将干板放上干板夹固定,停留15s,通电,使激光器工作,进行第一次曝光,曝光时间为3s,关闭电源,黑暗中,扭动螺丝,对钢尺施力,扭动停止后,停留15s,使其受力稳定,之后打开电源,进行第二次曝光,曝光时间为3s。之后关闭电源,由夹盒包裹干板,转移到暗室进行冲洗。

2.3　全息重现

用擦镜纸将干板擦拭干净后放回原位置,用干板夹固定。打开激光器,此时,挡住分束后的一束光路,仅用一束光照射到干板上,肉眼对干板不同角度进行观察,可在某一角度看到明暗间隔的条纹。

钢尺在受力前后的二次曝光反射全息干涉信息图如图1所示,它表明了钢尺受力前后应力场的分布,可以参考前述干涉条纹与形变的关系一节,进行理论分析,计算出钢尺所受到的应力场的变化分布情况。

3　结束语

通过对全息技术的现状概述和对二次曝光全息计量技术的理论研究,获得了实验所需要的理论基

　杭州电子科技大学学报　　　　　　　　　　　　　2006年98　　　　　　　　　　　　

图1　二次曝光全息干涉图

础,在实验过程中,设计了可行的实验光路,通过实验,获得了钢尺在受力前后的二次曝光反射全息干涉信息图,它表明了钢尺受力前后应力场的分布,并可通过相应的理论分析,计算出钢尺受力的应力场变化分布情况。

注:高文斌为指导老师。

参考文献

[1]　TannerLH.ApplicationofLaser[J].OpticsandLaserTech.,1972,4(6):281-287.

[2]　邓开发,陈洪,是度芳,等.激光技术与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2001:159-163.

[3]　张永安,吕晓旭.实时全息干涉计量用于研究岩石材料正相受压形变[J].激光杂志,2003,24(3):56-57.

TheStudyofStressFieldbyDouble-Exposure

HolographicInteromentry

WANGJian,GAOWen2bin

(Schoolofscience,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract:Thisarticlereviewsthedevelopmenthistoryoftheholographicinterferomentryanddiscussestherecentstatusandtherelateddevelopment.Itdiscussestherequiredtheorytostudythestressfieldofthediffuserwithdou2ble-exposureholographicinterferomentryfromtowways.Ontheonehand,discussingthebasictheoryofholo2graphicphotography.Ontheotherhand,discussingtherelatedtheoryofholographicinterferomentry.Inthispaperwemainlydiscussthebasictheoryofthedouble-exposureholographicinterferomentryandthediffuser’sholo2graphicinterferomentry.Thispaperstudiesthestressfieldofthediffuserwhenitoccursdeformationbytheoutsidestrength.Byrecordingtheinformationofthediffuserattheholographicplatewhenitispressedbytheoutsidestrengthanditn’t.Andthenontheplatewillappearsthefringeofthediffuser.Byanalyzingthefringe,wecanknowthedistributionofthestressfieldofthediffuser.

Keywords:holographicinterferomentry;double-exposure;stressfield