[科普中国]-全息干涉术

发展简介

全息术自1948年由Gabor发明以来，就凭借其记录和再现原物光波的振幅和相位的突出特点，不断发展。进入20世纪八九十年代，随着计算机技术的快速发展和数字器件制备工艺的不断进步，数字全息及数字全息干涉术也取得了突飞猛进的发展，并且已经成为信息光学领域的一个重要分支学科。不仅在记录介质和记录方式上取得了实质性的进展， 而且应用领域从三维再现、信息存储， 发展到了位移和形变测量、形貌测量， 方法也多种多样。1

目前常用的数字全息干涉术大多是基于数值再现的方式， 需要应用软件进行再现算法的研究和编写，而且其运算的速度依赖计算机的性能， 不能真正实现实时化； 计算全息术一般针对虚拟物体进行研究，实用价值不高。

双波长全息干涉术一般的全息干涉术都采用单一的激光波长，其测量误差可以达到波长量级，但对于波面变形较大的波前进行干涉测量时，由于干涉条纹过于密集，致使获得的干涉图样无法判读。为此，提出了双波长全息干涉术。

双波长全息干涉术（Two -wavelengthHolographic Interferometry，简称TWHI），是利用激光器发出的两个或两个以上不同的波长对物体拍摄全息干涉图，从而对物体进行全息干涉计量。其基本方法有单次曝光法和双曝光法两种。因为测量波长可选范围较宽，双波长全息干涉术有很多应用领域，例如：散射物体的轮廓测试、表面粗糙度的测量、液体流量的检测等等。尤其在非球面光学元件的面形质量检验方面有独特的优势。2

全息干涉测量全息干涉测量的数字处理方式传统的光学全息干涉术可以实现对三维物场的变化进行高灵敏度测量，但全息图底片处理过程的非实时性却大大限制了其实际应用。高分辨率CCD及高速计算机技术的发展使得对全息图的数字化处理成为可能。目前用于全息干涉测量的数字处理方式有两类，一类是利用相移原理通过直接计算多幅相移全息图的强度分布而获得物场的相位变化，称为电子散斑干涉术（ESPI）；另一类是利用数字模拟全息图的衍射再现原理通过快速傅里叶变换及频谱滤波而获得物场的振幅和相位变化，称为电子学全息干涉术或数字全息干涉术。与电子散斑干涉术相比，电子学全息干涉术可以一次性地完成全息图的记录、再现、测量、数据处理和结果输出，并且由于可以直接计算出物场的复振幅分布，因此具有很高的测量灵活性。如对同一物场连续记录的多幅全息图进行任意组合叠加，从中方便地测量出参与叠加的两个物场间的差异，或者通过相位倍增方法增大干涉条纹密度，从而有效提高测量精度。此外，电子学全息干涉术不仅可以用于可见光波段，而且也可以用于其它波段或声波、电子波等全息图的记录和重现。3

测量原理普通光学全息干涉术采用两次曝光法测量物场的变化，亦即用同一块全息记录干版先后对物场变化前后作两次等量曝光记录，然后利用衍射原理同时再现出两个物场的复振幅，其相干叠加结果，便给出反映两物场差异（如相位变化）的干涉条纹图样。电子学全息干涉术继承了普通光学全息干涉术的基本思想，但对全息图的记录、存储和再现采用了不同的手段。其一是以CCD的光敏面取代了全息干版作为记录介质，记录到的全息图经数字化处理后存储于计算机中；其二是以数字傅里叶变换处理取代光学衍射来实现所记录物场的再现。通过对所记录的全息图强度分布作快速傅里叶变换运算，获得其空间频谱分布，从中分离并提取出物光波的频谱，然后再经逆傅里叶变换运算，便得到物光波复振幅分布。如果令一束相干平面光波穿过某一存在温度起伏的介质空间，由于温度的起伏会导致介质折射率的变化，透射光波将携带着介质受照射区域温度分布的信息。当对以此为物光波在温度场随时间变化过程中的不同时刻记录的全息图分别进行数字处理后，便可以再现出相应时刻穿过温度场的光波的复振幅分布。3

数字全息干涉术测定材料的泊松比泊松比是反映材料弹性特性的一个常数，表征试样拉伸时沿横向发生收缩的程度，通常用于工程部件的数值压力分析。常用电子与机械相结合的方法如借助引伸计测量试样横向及纵向变形量来获得泊松比。该方法在测定材料长期性能时难免发生漂移，而且引伸计自重及夹持力可引起软质试样的附加变形，所以只适用于硬质试样。也可以通过在试样上粘贴电阻应变片的方式测量其泊松比，但该方法测量的变形范围有限，并且试样附加了粘贴片的刚度，会引起一定误差。此外传统的光学测量方法如全息法、散斑法、影像云纹法等，均是从所得到的干涉图样推算出泊松比，但这些方法需要经过对记录介质必需的曝光、显影等物理化学处理过程，再现过程复杂，周期较长，有些还需要将待测试样弯曲表面研磨成镜面，这对于非金属材料几乎是不可能的。

数字全息干涉术应用广泛，同时还可方便地加入各种数学处理方法，进行真正意义上的两个或多个全息图以及复振幅之间的各种数学运算及消除零级衍射像的影响。4