[科普中國]-全息干涉術(shù)

發(fā)展簡介

全息術(shù)自1948年由Gabor發(fā)明以來，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， 發(fā)展到了位移和形變測量、形貌測量， 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，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)一般針對虛擬物體進(jìn)行研究，實(shí)用價(jià)值不高。

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

雙波長全息干涉術(shù)（Two -wavelengthHolographic Interferometry，簡稱TWHI），是利用激光器發(fā)出的兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的波長對物體拍攝全息干涉圖，從而對物體進(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量波長可選范圍較寬，雙波長全息干涉術(shù)有很多應(yīng)用領(lǐng)域，例如：散射物體的輪廓測試、表面粗糙度的測量、液體流量的檢測等等。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。2

全息干涉測量全息干涉測量的數(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)對三維物場的變化進(jìn)行高靈敏度測量，但全息圖底片處理過程的非實(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)展使得對全息圖的數(shù)字化處理成為可能。目前用于全息干涉測量的數(shù)字處理方式有兩類，一類是利用相移原理通過直接計(jì)算多幅相移全息圖的強(qiáng)度分布而獲得物場的相位變化，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)原理通過快速傅里葉變換及頻譜濾波而獲得物場的振幅和相位變化，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)算出物場的復(fù)振幅分布，因此具有很高的測量靈活性。如對同一物場連續(xù)記錄的多幅全息圖進(jìn)行任意組合疊加，從中方便地測量出參與疊加的兩個(gè)物場間的差異，或者通過相位倍增方法增大干涉條紋密度，從而有效提高測量精度。此外，電子學(xué)全息干涉術(shù)不僅可以用于可見光波段，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

測量原理普通光學(xué)全息干涉術(shù)采用兩次曝光法測量物場的變化，亦即用同一塊全息記錄干版先后對物場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)物場的復(fù)振幅，其相干疊加結(jié)果，便給出反映兩物場差異（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，但對全息圖的記錄、存儲和再現(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)衍射來實(shí)現(xiàn)所記錄物場的再現(xiàn)。通過對所記錄的全息圖強(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某一存在溫度起伏的介質(zhì)空間，由于溫度的起伏會導(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)對以此為物光波在溫度場隨時(shí)間變化過程中的不同時(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)刻穿過溫度場的光波的復(fù)振幅分布。3

數(shù)字全息干涉術(shù)測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)測量試樣橫向及縱向變形量來獲得泊松比。該方法在測定材料長期性能時(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。也可以通過在試樣上粘貼電阻應(yīng)變片的方式測量其泊松比，但該方法測量的變形范圍有限，并且試樣附加了粘貼片的剛度，會引起一定誤差。此外傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法如全息法、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)過對記錄介質(zhì)必需的曝光、顯影等物理化學(xué)處理過程，再現(xiàn)過程復(fù)雜，周期較長，有些還需要將待測試樣彎曲表面研磨成鏡面，這對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)算及消除零級衍射像的影響。4