[科普中國(guó)]-全息干涉術(shù)

發(fā)展簡(jiǎn)介

全息術(shù)自1948年由Gabor發(fā)明以來(lái)，就憑借其記錄和再現(xiàn)原物光波的振幅和相位的突出特點(diǎn)，不斷發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)八九十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)字器件制備工藝的不斷進(jìn)步，數(shù)字全息及數(shù)字全息干涉術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并且已經(jīng)成為信息光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支學(xué)科。不僅在記錄介質(zhì)和記錄方式上取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展， 而且應(yīng)用領(lǐng)域從三維再現(xiàn)、信息存儲(chǔ)， 發(fā)展到了位移和形變測(cè)量、形貌測(cè)量， 方法也多種多樣。1

目前常用的數(shù)字全息干涉術(shù)大多是基于數(shù)值再現(xiàn)的方式， 需要應(yīng)用軟件進(jìn)行再現(xiàn)算法的研究和編寫(xiě)，而且其運(yùn)算的速度依賴計(jì)算機(jī)的性能， 不能真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化； 計(jì)算全息術(shù)一般針對(duì)虛擬物體進(jìn)行研究，實(shí)用價(jià)值不高。

雙波長(zhǎng)全息干涉術(shù)一般的全息干涉術(shù)都采用單一的激光波長(zhǎng)，其測(cè)量誤差可以達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)，但對(duì)于波面變形較大的波前進(jìn)行干涉測(cè)量時(shí)，由于干涉條紋過(guò)于密集，致使獲得的干涉圖樣無(wú)法判讀。為此，提出了雙波長(zhǎng)全息干涉術(shù)。

雙波長(zhǎng)全息干涉術(shù)（Two -wavelengthHolographic Interferometry，簡(jiǎn)稱TWHI），是利用激光器發(fā)出的兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的波長(zhǎng)對(duì)物體拍攝全息干涉圖，從而對(duì)物體進(jìn)行全息干涉計(jì)量。其基本方法有單次曝光法和雙曝光法兩種。因?yàn)闇y(cè)量波長(zhǎng)可選范圍較寬，雙波長(zhǎng)全息干涉術(shù)有很多應(yīng)用領(lǐng)域，例如：散射物體的輪廓測(cè)試、表面粗糙度的測(cè)量、液體流量的檢測(cè)等等。尤其在非球面光學(xué)元件的面形質(zhì)量檢驗(yàn)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2

全息干涉測(cè)量全息干涉測(cè)量的數(shù)字處理方式傳統(tǒng)的光學(xué)全息干涉術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維物場(chǎng)的變化進(jìn)行高靈敏度測(cè)量，但全息圖底片處理過(guò)程的非實(shí)時(shí)性卻大大限制了其實(shí)際應(yīng)用。高分辨率CCD及高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)全息圖的數(shù)字化處理成為可能。目前用于全息干涉測(cè)量的數(shù)字處理方式有兩類，一類是利用相移原理通過(guò)直接計(jì)算多幅相移全息圖的強(qiáng)度分布而獲得物場(chǎng)的相位變化，稱為電子散斑干涉術(shù)（ESPI）；另一類是利用數(shù)字模擬全息圖的衍射再現(xiàn)原理通過(guò)快速傅里葉變換及頻譜濾波而獲得物場(chǎng)的振幅和相位變化，稱為電子學(xué)全息干涉術(shù)或數(shù)字全息干涉術(shù)。與電子散斑干涉術(shù)相比，電子學(xué)全息干涉術(shù)可以一次性地完成全息圖的記錄、再現(xiàn)、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出，并且由于可以直接計(jì)算出物場(chǎng)的復(fù)振幅分布，因此具有很高的測(cè)量靈活性。如對(duì)同一物場(chǎng)連續(xù)記錄的多幅全息圖進(jìn)行任意組合疊加，從中方便地測(cè)量出參與疊加的兩個(gè)物場(chǎng)間的差異，或者通過(guò)相位倍增方法增大干涉條紋密度，從而有效提高測(cè)量精度。此外，電子學(xué)全息干涉術(shù)不僅可以用于可見(jiàn)光波段，而且也可以用于其它波段或聲波、電子波等全息圖的記錄和重現(xiàn)。3

測(cè)量原理普通光學(xué)全息干涉術(shù)采用兩次曝光法測(cè)量物場(chǎng)的變化，亦即用同一塊全息記錄干版先后對(duì)物場(chǎng)變化前后作兩次等量曝光記錄，然后利用衍射原理同時(shí)再現(xiàn)出兩個(gè)物場(chǎng)的復(fù)振幅，其相干疊加結(jié)果，便給出反映兩物場(chǎng)差異（如相位變化）的干涉條紋圖樣。電子學(xué)全息干涉術(shù)繼承了普通光學(xué)全息干涉術(shù)的基本思想，但對(duì)全息圖的記錄、存儲(chǔ)和再現(xiàn)采用了不同的手段。其一是以CCD的光敏面取代了全息干版作為記錄介質(zhì)，記錄到的全息圖經(jīng)數(shù)字化處理后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中；其二是以數(shù)字傅里葉變換處理取代光學(xué)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)所記錄物場(chǎng)的再現(xiàn)。通過(guò)對(duì)所記錄的全息圖強(qiáng)度分布作快速傅里葉變換運(yùn)算，獲得其空間頻譜分布，從中分離并提取出物光波的頻譜，然后再經(jīng)逆傅里葉變換運(yùn)算，便得到物光波復(fù)振幅分布。如果令一束相干平面光波穿過(guò)某一存在溫度起伏的介質(zhì)空間，由于溫度的起伏會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)折射率的變化，透射光波將攜帶著介質(zhì)受照射區(qū)域溫度分布的信息。當(dāng)對(duì)以此為物光波在溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化過(guò)程中的不同時(shí)刻記錄的全息圖分別進(jìn)行數(shù)字處理后，便可以再現(xiàn)出相應(yīng)時(shí)刻穿過(guò)溫度場(chǎng)的光波的復(fù)振幅分布。3

數(shù)字全息干涉術(shù)測(cè)定材料的泊松比泊松比是反映材料彈性特性的一個(gè)常數(shù)，表征試樣拉伸時(shí)沿橫向發(fā)生收縮的程度，通常用于工程部件的數(shù)值壓力分析。常用電子與機(jī)械相結(jié)合的方法如借助引伸計(jì)測(cè)量試樣橫向及縱向變形量來(lái)獲得泊松比。該方法在測(cè)定材料長(zhǎng)期性能時(shí)難免發(fā)生漂移，而且引伸計(jì)自重及夾持力可引起軟質(zhì)試樣的附加變形，所以只適用于硬質(zhì)試樣。也可以通過(guò)在試樣上粘貼電阻應(yīng)變片的方式測(cè)量其泊松比，但該方法測(cè)量的變形范圍有限，并且試樣附加了粘貼片的剛度，會(huì)引起一定誤差。此外傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量方法如全息法、散斑法、影像云紋法等，均是從所得到的干涉圖樣推算出泊松比，但這些方法需要經(jīng)過(guò)對(duì)記錄介質(zhì)必需的曝光、顯影等物理化學(xué)處理過(guò)程，再現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，有些還需要將待測(cè)試樣彎曲表面研磨成鏡面，這對(duì)于非金屬材料幾乎是不可能的。

數(shù)字全息干涉術(shù)應(yīng)用廣泛，同時(shí)還可方便地加入各種數(shù)學(xué)處理方法，進(jìn)行真正意義上的兩個(gè)或多個(gè)全息圖以及復(fù)振幅之間的各種數(shù)學(xué)運(yùn)算及消除零級(jí)衍射像的影響。4