全息干涉法

实验应力分析方法的一种

全息干涉法是利用全息照相获得物体变形前后的光波波阵面相互干涉所产生的干涉条纹图，以分析物体变形的一种干涉量度方法，是实验应力分析方法的一种。

历史

1985年，R. L.鲍威尔和K. A.斯特森用波阵面再现干涉现象分析振动问题，开始了全息干涉法的实验研究。当时，他们偶然发现了叠加在全息图上的“黑带”，认为它和拍摄全息图时物体的微小位移有关，就利用这些干涉条纹分析物体的振型；从此，全息干涉法作为一种新的干涉量度方法迅速发展起来。

研究内容

采用全息照相术，能将沿同一光路而时间不同的两个光波波阵面间的相互干涉显示出来。物体变形前，记录第一个波阵面，变形后再记录第二个波阵面。它们重叠在全息图上。这样，变形前后由物体散射的物光信息，都贮存在此全息图中。将全息图用激光再现时，能同时将物体变形前后的两个波阵面再现出来，由于这两个波阵面都是用相干光记录的，它们几乎在同一空间位置出现，具有完全确定的振幅和相位分布，所以能够相干而形成明喑相间的干涉条纹图。对于具有漫反射表面的不透明物体，条纹图表示物体沿观察方向的等位移线；对于透明的光弹性模型，例如有机玻璃模型，则表示模型中主应力和等于常数的等和线。

全息干涉法的主要内容是研究条纹图的形成、条纹的定位，以及对条纹图的解释。

分类

常用的全息干涉法有双暴光法（两次曝光法）、实时法（即时法）、均时法（时间平均法）。

双暴光法

在全息光路布局中，用一张全息底片分别对变形前后的物体进行两次全息照相。这时，物体在变形前后的两个光波波阵面相互重叠，固定在一张全息图中。如全息图用拍摄时的参考光照明，再现的干涉条纹图即表征物体在两次曝光之间的变形或位移。双曝光全息干涉法是简单易行的常用方法，可获得高反差的干涉条纹图。

实时法

用全息照相记录物体未变形时的散射光的波阵面。将全息底片显影，就得到全息图。若把全息图放在原来曝光时的位置并精确复位，再用拍摄时的参考光照射它，就能再现物体原来发射的光波波阵面。这时，如果物体仍处于原来的位置，用激光照明时，由全息图再现的光波波阵面，将和物体的散射光的波阵面完全重叠。值得注意的是，由全息图再现的光波波阵面是已固定在全息图中的“死”波阵面；而直接由物体散射的物光，其波阵面却随物体的变形（有位移或有应力）而变化，因而是一种“活”的波阵面。如果物体的变形很微小，则由于这两个波阵面相互干涉的结果，将产生一组干涉条纹图。物体表面位移每有变化，可变的波阵面即随着改变，便可观察到干涉条纹图的变化。因此,通过观察表征物体的变形或位移的干涉条纹图的变化，可实时观察到物体出现的任何微小的变化。实时全息干涉法的优点是利用一张全息照片可以重复观测物体变化的过程。如果一次观测不清楚，还可以再来一次。缺点是底片的精确复位比较困难。但在大多数情况下，用此法与双曝光全息干涉法相互补充，可节省大量的时间和底片。

均时法

用全息照相对周期变化的物体长时间曝光以获得全息记录，又称时间平均法。实际上，它是多次曝光全息干涉法的一种极限情形。正如拍摄钟摆的照片时，采用了长时间曝光法，可明显得到钟摆在两个极限位置的象。对于定常振动体，此法能将其两个极限表面之间所有的连续过程的表面信息都记录下来。把这幅全息图再现时，所有这些表面散射的光波波阵面，将叠加成干涉条纹。振动体上振幅为零处的“波节点”，显现出淸晰明亮的节线；其余各点则随振幅和相位的不同，形成和等幅线极其相似的条纹分布。此法的优点是可以测量节线、振幅分布、振型和振幅值。进行全息记录时，只须采用连续波的激光器（如氦氖或氩离子激光器），所用的技术也比较简单。缺点是不能测量振动相位，干涉条纹的反差随振蝠的增加而急剧降低，以及可测的振幅范围较窄。

优点

用全息图再现物光的波阵面，可将相位关系全部再现出来，所以能用再现的波阵面进行干涉测量。在激光器出现以前，要用普通的光学干涉法对表面粗糙的物体进行三维测量是极其困难的。若采用全息干涉法，就可实现分时干涉测量，换句话说，能使存在于不同时刻的波阵面之间的干涉显示出来。由于物光波阵面之间相互干涉时不需要基准波面，所以此法不受光学系统的象差等因索的影响。

全息干渉法是一种非接触式的全场检测方法，它对所测物体的工作条件和环境，如静态载荷、动态载荷、高温、高压等，都没有严格限制，并有较高的检测灵敏度和精度（达到光波波长数量级）。全息图再现时，由于物光波阵面的三维性质，可以从不同的视角对一个复杂的物体进行全息干涉量度。全息干涉法对所用的光学元件的质量和安装调试的要求，也远远低于普通光学干涉法。

应用

全息干涉法可应用于三维位移场的定量分析（见位移场全息干涉分析）；应变和应力分析（见全息光弹性法），例如对精密机床的模型或实物的变形进行观测研究；用均时法或频闪法分析振型和振幅，如对涡轮叶片的振型（见图1）和螺旋桨振动问通的研究；测定裂纹张开位移和应力强度因子；研究材料的力学性能，例如测定受弯平板的泊松比；还可望对热应力和残余应力的研究作出定量评价；在无损检验中，可用它检测裂纹，这对于研究蜂窝板和轮胎一类的组合材料的内部缺陷，确是一种行之有效的检测手段。

全息干涉法是全息照相术最有成效的应用领域之一；脉冲全息术的发展，放宽了全息照相对于防震系统、试验的环境和试验条件的要求。因此，应用脉冲全息干涉法解决动态位移和应变的测量问题是大有前途的。

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