工程測試第三講

1、激光全息攝影技術(shù)及激光誘導(dǎo)熒光法第三講激光全息攝影技術(shù)一、歷史回顧二、全息術(shù)的基本原理三、全息圖的分類四、激光全息技術(shù)在測量中的應(yīng)用一、歷史回顧全息術(shù)是利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)射的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的三維像。由于記錄了物體的全部信息(振幅和位相)，因此稱為全息術(shù)或全息照相。一、歷史回顧全息術(shù)是英國科學(xué)家丹尼斯加伯(Dennis Gabor)在1947年為提高電子顯微鏡的分辨率，在布喇格(Bragg)和澤尼克(Zernike)工作的基礎(chǔ)上提出的。由于需要高度相干性和大強(qiáng)度的光源，直到1960年激光出現(xiàn)，以及1962年利思(Ietth)

2、厄鉑持尼克斯(UPatnieks)提出離軸全息圖以后，全息術(shù)的研究才進(jìn)入一個(gè)新階段，相繼出現(xiàn)了多種全息方法，開辟了全息應(yīng)用的新領(lǐng)域，成為光學(xué)的一個(gè)重要分支。一、歷史回顧Dr. Dennis Gabor他為此獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 光全息術(shù)的發(fā)展到現(xiàn)在可分為三代，第代是用水銀燈記錄同軸全息圖，這是全息術(shù)的萌芽時(shí)期。其主要問題是再現(xiàn)原始像和共扼像不能分離，以及沒有好的相干光源。第二代是用激光記錄，激光再現(xiàn)；以及利恩和厄帕特尼克斯提出離軸全息圖，把原始像和共軛像分離，這一階段全息術(shù)在理論上建立了基礎(chǔ)在可能的應(yīng)用范圍內(nèi)作了大量的實(shí)驗(yàn)，取得豐碩的成果。相應(yīng)地在全息記錄材料方面也得到發(fā)展。第三代是

3、激光記錄白光再現(xiàn)的全息術(shù)主要有反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息，使全息術(shù)在顯示方面展現(xiàn)出其優(yōu)越性。一、歷史回顧二、基本原理全息照像過程分兩步：波前記錄和波前再現(xiàn)。波前記錄是將物體衍射(被激光照時(shí))的光波與另一相干光波 參考光波相干涉，用照像方法將干涉條紋記錄在全息記錄介質(zhì)上，稱為全息圖或全息照片。全息圖具有復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)用原記錄時(shí)的參考光或其它合適的光波照射全息圖時(shí)，光通過全息圖時(shí)的衍射和衍射光之間的干涉形成與物體光波相似的光波，即物體波前的再現(xiàn)，構(gòu)成物體的再現(xiàn)像。二、基本原理He-Ne激光器定時(shí)閥物體全息平臺(tái)反射鏡分束鏡二、基本原理【實(shí)驗(yàn)原理】物光波的復(fù)振幅分布為：振幅相位+= 物體

4、的全部信息參考光波的復(fù)振幅分布為：再現(xiàn)光波的復(fù)振幅分布為：xy平面上物光和參考光重疊后的強(qiáng)度公式干板上透過率表達(dá)式再現(xiàn)光表達(dá)式二、基本原理 U(x, y) = C0(O02 + R02) expjfc(x, y)+C0O0R0expj(fofr+fc)+C0O0R0exp-j(fofr+fc) 與再現(xiàn)光相似包含物的位相信息包含物的共軛位相信息三、全息圖的分類1、共軸和離軸全息圖 1共軸，其余離軸2、平面全息圖和體積全息圖 1、2平面，3、4體積3、第4位置叫反射全息圖，可以白光再現(xiàn)。三、全息圖分類參考光物光4、 吸收全息圖和相位全息圖相位全息圖的優(yōu)點(diǎn)在于具有很高的衍射效率，理論上可以達(dá)到100

5、，實(shí)際上可以達(dá)到30，而吸收全息圖只有6左右。因此制作相位全息圖可以提高再現(xiàn)像的亮度。方法：將吸收全息圖通過漂白處理轉(zhuǎn)變?yōu)楦〉裥腿D，或者折射率型全息圖。三、全息圖分類5、像全息像全息圖也可以用白光再現(xiàn)三、全息圖分類7、彩虹全息像全息的一種特例三、全息圖分類三、全息圖分類8、彩色全息人類視覺模型三、全息圖分類在色度學(xué)中三原色波長由國際照明委員會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)1931CIERGB系統(tǒng)為： 紅（6452nm）、綠（5263nm）、藍(lán)（4444nm）。彩色全息所用激光器：彩色全息選用的三原色激光波長三、全息圖分類連續(xù)激光器的一般波長三、全息圖分類反射全息圖的形成三、全息圖分類四、全息技術(shù)的應(yīng)用1、多幅全

6、息高速攝影光電開關(guān) 多脈沖紅寶石激光器擴(kuò)束鏡被攝物體干板四、全息技術(shù)應(yīng)用2、微小粒子的測量四、全息技術(shù)應(yīng)用3、全息干涉學(xué)的應(yīng)用 當(dāng)一張全息圖內(nèi)儲(chǔ)存有一個(gè)以上的光波動(dòng)時(shí)，則在相干光的照明下再現(xiàn)被波動(dòng)之間(或與其它由照明光源引起的位相相關(guān)的波動(dòng)之間)會(huì)發(fā)生干涉。全息干涉學(xué)屬于干涉學(xué)中的一個(gè)新分枝。四、全息技術(shù)應(yīng)用（1）實(shí)時(shí)干涉法將全息圖片放回到它原來曝光時(shí)所在的位置，并用原來的參考光來照明。透過全息干板觀察原來的物體。則虛像和實(shí)像重合。在張力作用下的金屬叉上的實(shí)時(shí)干涉條紋四、全息技術(shù)應(yīng)用子彈激起的沖擊波2、雙曝光干涉法將同一拍攝對(duì)象不同時(shí)刻的全息像記錄在一個(gè)干板上用原來的參考光同時(shí)再現(xiàn)出不同時(shí)刻的

7、物象這兩個(gè)物象產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)條紋條紋代表光程的變化四、全息技術(shù)應(yīng)用3、全息干涉無損檢測假設(shè)：當(dāng)物體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，在整體變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部畸變。通過外力、加熱、腐蝕產(chǎn)生整體變形。采用實(shí)時(shí)全息干涉，或雙曝光干涉法獲得變形干涉條紋，并加以分析。四、全息技術(shù)應(yīng)用局部脫膠檢測四、全息技術(shù)應(yīng)用壓力傳感器膜片檢測四、全息技術(shù)應(yīng)用金屬蜂窩蒙皮缺陷檢測四、全息技術(shù)應(yīng)用4、全息云紋干涉測量四、全息技術(shù)應(yīng)用四、全息技術(shù)應(yīng)用十多年來云紋法在光測力學(xué)學(xué)科發(fā)展很快。例如利用錯(cuò)位云紋干涉法，引入適當(dāng)載波及相應(yīng)的濾波、錯(cuò)位處理，可以實(shí)現(xiàn)二維位移導(dǎo)數(shù)分量的直接、同步測量。還有偏振錯(cuò)位云紋干涉可以消除面內(nèi)位移條紋的干擾，從

8、而得到清楚的面內(nèi)位移導(dǎo)數(shù)場條紋圖。如果采用4000cymm的試件柵，使用微機(jī)處理數(shù)據(jù)，靈敏度可達(dá)納米量級(jí)：四、全息技術(shù)應(yīng)用5、光纖傳感器將光纖作為傳感元件的一部分代替原干涉儀的一部分光路，可以發(fā)展為光纖傳感器。光纖傳感器以單模光纖為基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)干涉儀相比，穩(wěn)定性、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，儀器體積小，使用方便?？捎糜谖灰?、流體速度、壓力力、磁場、溫度的測量四、全息技術(shù)應(yīng)用邁克爾遜光纖干涉儀四、全息技術(shù)應(yīng)用光纖陀螺1976年vvail提出了光纖陀螺的概念用長為580m的單模光纖，繞在直徑D14cm的芯棒上，能測得的長期靈敏度為02。h，短期靈敏度可達(dá)002 。 h。四、全息技術(shù)應(yīng)用二、激光誘導(dǎo)熒光法測量

9、熒光和熒光分析法熒光分析法的特點(diǎn)激光誘導(dǎo)熒光法的應(yīng)用一、熒光和熒光原理 當(dāng)紫外光照射到某些物質(zhì)的時(shí)候，這些物質(zhì)會(huì)發(fā)射出各種顏色和不同強(qiáng)度的可見光，而當(dāng)紫外光停止照射時(shí)，這種光線也隨之很快地消失，這種光線稱為熒光。當(dāng)采用某種波長的激發(fā)光線照射某些物質(zhì)的時(shí)候，這些物質(zhì)會(huì)發(fā)射出波長更長的光，而當(dāng)激發(fā)光停止照射時(shí)，這種光線也隨之很快地消失，這種光線稱為熒光。一、熒光和熒光原理熒光分析是由試樣溶液所發(fā)生的熒光的強(qiáng)度來測定試樣溶液中熒光物質(zhì)的含量。熒光分析的靈敏度一般都高過應(yīng)用最廣泛的比色法和分光光度法比色法及分光光度法的靈敏皮通常在千萬分之幾；而熒光分析法的靈敏度常達(dá)億分之兒甚至有千億分之幾的。如果熒光

10、分析法與紙層析或薄層層析等方法結(jié)合進(jìn)行，還可能達(dá)到更高的靈敏度。一、熒光和熒光原理熒光的產(chǎn)生吸收光譜和熒光光譜能級(jí)躍遷示意圖一、熒光和熒光原理產(chǎn)生熒光的過程和條件熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光的過程可以分為這樣四個(gè)步驟：1處于基態(tài)最低振動(dòng)能級(jí)的熒光物質(zhì)分子受到紫外線的照射，吸收了和它具有的特征頻率相一致的光線，躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)。 2被激發(fā)到第一電子激發(fā)態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)的分子，通過無輻射躍遷，降落到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)；3降落到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)的分子繼續(xù)降落到基態(tài)的各個(gè)不同振動(dòng)能級(jí)，同時(shí)發(fā)射出相應(yīng)的光量子這就是熒光：4到達(dá)基態(tài)的各個(gè)不同振動(dòng)能級(jí)的分子再通過無輻射躍遷最后回

11、到基態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)。一、熒光和熒光原理一、熒光和熒光原理硫酸奎寧的激發(fā)光譜及熒光光譜蒽的激發(fā)光譜（虛線）和熒光光譜（實(shí)線）熒光光譜 S0S1*激發(fā)光譜 產(chǎn)生熒光的條件具有和激發(fā)光相對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)差。具有比較高的熒光效率一、熒光和熒光原理熒光效率(fluorescence efficiency) 熒光量子產(chǎn)率(fluorescence quantum yield)物 質(zhì)f溶 劑熒光素鈉0.92水熒光素0.65水蒽0.30乙醇菲1.00乙醇 第三節(jié) 定量定性分析方法 一熒光強(qiáng)度與物質(zhì)濃度的關(guān)系熒光強(qiáng)度正比于熒光物質(zhì)吸收的光強(qiáng)度，F(xiàn)(Io I)F = K(Io I) I = Io10-ECL K為

12、常數(shù)，取決于熒光效率， Io-入射光強(qiáng)度，I-透射光強(qiáng)度，C-溶液濃度，L-液層厚度, E-物質(zhì)吸光系數(shù)當(dāng)濃度C很小，ECL也很小，ECL0.05, 上式中第二項(xiàng)后可以忽略，F(xiàn) = 2.3KIoECL = KC，在低濃度時(shí)，熒光強(qiáng)度與溶液中熒光物質(zhì)濃度呈線性關(guān)系。ECL0.05，熒光強(qiáng)度與溶液中熒光物質(zhì)濃度不呈線性關(guān)系。二、熒光分析法的特點(diǎn)熒光分析的靈敏度一般都高過應(yīng)用最廣泛的比色法和分光光度法比色法及分光光渡法的靈敏度通常在千萬分之幾；而熒光分析法的靈敏皮常達(dá)億分之兒甚至有千億分之幾的。熒光分析法的另一優(yōu)點(diǎn)是選擇性高。熒光分析法也有它的不足之處主要是指它比起其它方法來說應(yīng)用范圍還不夠廣泛。因?yàn)橛性S多物質(zhì)本身不會(huì)產(chǎn)生熒光。三、激光誘導(dǎo)熒光法的應(yīng)用1、測量燃燒火焰中的OH基濃度參數(shù)：波長283nm脈沖寬度5ns能量7mj/pulse激光誘導(dǎo)熒光法的應(yīng)用火焰自發(fā)光圖像LIF圖像遙感激光熒光雷達(dá)0號(hào)柴油的熒光噴霧濃度測量方面的應(yīng)用燃燒定容裝置原理圖熒光劑：奈、二甲基對(duì)苯二氨光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧粒子直徑SMD分布測量激光誘導(dǎo)熒光法在發(fā)動(dòng)機(jī)濃度場測量中應(yīng)用的注意點(diǎn)溫度的影響，溫度越高，熒光效率越低；氧氣的影響，氧氣是熒光熄滅劑；對(duì)于噴霧場濃度的測量，由于噴霧粒子對(duì)入射光的衰減，以及對(duì)熒光的吸收，不能