工程測試第三講-20150116

1、激光全息攝影技術及激光誘導熒光法第三講激光全息攝影技術一、歷史回顧二、全息術的基本原理三、全息圖的分類四、激光全息技術在測量中的應用一、歷史回顧v全息術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)，因此稱為全息術或全息照相。v全息術是英國科學家丹尼斯加伯(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)工作的基礎上提出的。由于需要高度相干性和大強度的光源，直到1960年激光出現(xiàn)，以及1962年利思(Ietth)厄鉑持尼

2、克斯(UPatnieks)提出離軸全息圖以后，全息術的研究才進入一個新階段，相繼出現(xiàn)了多種全息方法，開辟了全息應用的新領域，成為光學的一個重要分支。Dr. Dennis Gabor他為此獲得了他為此獲得了1971年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎v 光全息術的發(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，這是全息術的萌芽時期。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。v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，這一階段全息術在理論上建立了基礎在可能的應用范圍內(nèi)作了大量的實驗，取得豐碩的成果。相應地在全息記錄材料方面也得到發(fā)

3、展。v第三代是激光記錄白光再現(xiàn)的全息術主要有反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息，使全息術在顯示方面展現(xiàn)出其優(yōu)越性。二、基本原理v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)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。全息圖具有復雜的光柵結構。v當用原記錄時的參考光或其它合適的光波照射全息圖時，光通過全息圖時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)，構成物體的再現(xiàn)像。He-Ne激光器激光器定時閥定時閥物體物體全息平臺全息平臺反射鏡反射鏡分束鏡分束鏡【實驗原理【實驗原理】物光波的復振

4、幅分布為：物光波的復振幅分布為：yxjyxOyxoo,exp,0振幅振幅相位相位+= 物體的全部信息物體的全部信息yxjyxRyxrr,exp,0yxjyxCyxcc,exp,0參考光波的復振幅分布為：參考光波的復振幅分布為：再現(xiàn)光波的復振幅分布為：再現(xiàn)光波的復振幅分布為：干板上透過率表達式再現(xiàn)光表達式 U(x, y) = C0(O02 + R02) expjf fc(x, y)+C0O0R0expj(f fof fr+f fc)+C0O0R0exp- -j(f fof fr+ +f fc) 與再現(xiàn)光相似與再現(xiàn)光相似包含物的位相信息包含物的位相信息包含物的共軛位相信息包含物的共軛位相信息三、全

5、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)。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)點在于具有很高的衍射效率，理論上可以達到100，實際上可以達到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變?yōu)楦〉裥腿D，或者折射率型全息圖。5、像全息像全息圖也可以用白光再現(xiàn)7、彩虹全息像全息的一種特例8、彩色全息人類視覺模型v在色度學中三原色波長由國際照明委員會制定標準1931CIERGB系統(tǒng)為： 紅（6452nm）、綠（5263nm）、藍（4

6、444nm）。v彩色全息所用激光器：彩色全息選用的三原色激光波長連續(xù)激光器的一般波長反射全息圖的形成反射全息圖的形成四、全息技術的應用1、多幅全息高速攝影光電開關 多脈沖紅寶石激光器擴束鏡被攝物體干板2、微小粒子的測量3、全息干涉學的應用v 當一張全息圖內(nèi)儲存有一個以上的光波動時，則在相干光的照明下再現(xiàn)被波動之間(或與其它由照明光源引起的位相相關的波動之間)會發(fā)生干涉。全息干涉學屬于干涉學中的一個新分枝。（1）實時干涉法v將全息圖片放回到它原來曝光時所在的位置，并用原來的參考光來照明。v透過全息干板觀察原來的物體。v則虛像和實像重合。在張力作用下的金屬叉上的實時干涉條紋在張力作用下的金屬叉上的

7、實時干涉條紋子彈激起的沖擊波2、雙曝光干涉法將同一拍攝對象不同時刻的全息像記錄在一個干板上用原來的參考光同時再現(xiàn)出不同時刻的物象這兩個物象產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)條紋條紋代表光程的變化3、全息干涉無損檢測v假設：當物體內(nèi)部存在缺陷時，在整體變形時，會產(chǎn)生局部畸變。v通過外力、加熱、腐蝕產(chǎn)生整體變形。v采用實時全息干涉，或雙曝光干涉法獲得變形干涉條紋，并加以分析。v局部脫膠檢測v壓力傳感器膜片檢測v金屬蜂窩蒙皮缺陷檢測4、全息云紋干涉測量v十多年來云紋法在光測力學學科發(fā)展很快。v例如利用錯位云紋干涉法，引入適當載波及相應的濾波、錯位處理，可以實現(xiàn)二維位移導數(shù)分量的直接、同步測量。v還有偏振錯位云紋干涉

8、可以消除面內(nèi)位移條紋的干擾，從而得到清楚的面內(nèi)位移導數(shù)場條紋圖。v如果采用4000cymm的試件柵，使用微機處理數(shù)據(jù)，靈敏度可達納米量級：5、光纖傳感器v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。v光纖傳感器以單模光纖為基礎。v與傳統(tǒng)干涉儀相比，穩(wěn)定性、抗環(huán)境干擾能力強，儀器體積小，使用方便。可用于位移、流體速度、壓力力、磁場、溫度的測量邁克爾遜光纖干涉儀光纖陀螺v1976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002 。 h。二、激光誘導熒光法測量v熒光和熒光分析法v熒光

9、分析法的特點v激光誘導熒光法的應用一、熒光和熒光原理v 當紫外光照射到某些物質(zhì)的時候，這些物質(zhì)會發(fā)射出各種顏色和不同強度的可見光，而當紫外光停止照射時，這種光線也隨之很快地消失，這種光線稱為熒光。v當采用某種波長的激發(fā)光線照射某些物質(zhì)的時候，這些物質(zhì)會發(fā)射出波長更長的光，而當激發(fā)光停止照射時，這種光線也隨之很快地消失，這種光線稱為熒光。v熒光分析是由試樣溶液所發(fā)生的熒光的強度來測定試樣溶液中熒光物質(zhì)的含量。v熒光分析的靈敏度一般都高過應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億分之兒甚至有千億分之幾的。如果熒光分析法與紙層析或薄層層析等方

10、法結合進行，還可能達到更高的靈敏度。熒光的產(chǎn)生吸收光譜和熒光光譜能級躍遷示意圖v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步驟：1處于基態(tài)最低振動能級的熒光物質(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，躍遷躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)的各個振動能級。 2被激發(fā)到第一電子激發(fā)態(tài)的各個振動能級的分子，通過無輻射躍遷無輻射躍遷，降落到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級；3降落到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級的分子繼續(xù)降落到基態(tài)的各個不同振動能級降落到基態(tài)的各個不同振動能級，同時發(fā)射出相應的光量子這就是熒光：4到達基態(tài)的各個不同振動能級的分子再通過無輻無輻射躍遷射躍遷最后回到基態(tài)的最

11、低振動能級基態(tài)的最低振動能級。硫酸奎寧的激發(fā)光譜及熒光光譜硫酸奎寧的激發(fā)光譜及熒光光譜蒽的激發(fā)光譜（虛線）和熒光光譜（實線）蒽的激發(fā)光譜（虛線）和熒光光譜（實線）熒光光譜熒光光譜 S0S1*激發(fā)光譜激發(fā)光譜 產(chǎn)生熒光的條件v具有和激發(fā)光相對應相對應的電子能級差。v具有比較高的熒光效率熒光效率熒光效率(fluorescence efficiency) 熒光量子產(chǎn)率熒光量子產(chǎn)率(fluorescence quantum yield)吸收激發(fā)光的光子數(shù)發(fā)射熒光的光子數(shù)f物物 質(zhì)質(zhì) f溶溶 劑劑熒光素鈉熒光素鈉0.92水水熒光素熒光素0.65水水蒽蒽0.30乙醇乙醇菲菲1.00乙醇乙醇 第三節(jié)第三節(jié)

12、定量定性分析方法定量定性分析方法 一熒光強度與物質(zhì)濃度的關系一熒光強度與物質(zhì)濃度的關系IoIF熒光強度正比于熒光物質(zhì)吸收的熒光強度正比于熒光物質(zhì)吸收的光強度，光強度，F(xiàn)(Io I)F = K(Io I) I = Io10-ECL K為常數(shù)，取決于熒光效率，為常數(shù)，取決于熒光效率， Io-入射光強度，入射光強度，I-透射光強透射光強度，度，C-溶液濃度，溶液濃度，L-液層厚液層厚度度, E-物質(zhì)吸光系數(shù)物質(zhì)吸光系數(shù)當濃度當濃度C很小，很小，ECL也很小，也很小，ECL0.05, 上式中第二項上式中第二項后可以忽略，后可以忽略，F(xiàn) = 2.3KIoECL = KC，在低濃度時，熒光，在低濃度時，熒

13、光強度與溶液中熒光物質(zhì)濃度呈線性關系。強度與溶液中熒光物質(zhì)濃度呈線性關系。 ECL0.05，熒光強度與溶液中熒光物質(zhì)濃度不呈線性，熒光強度與溶液中熒光物質(zhì)濃度不呈線性關系。關系。F = K Io(1- 10-ECL)=K Io(1 - e-2.3ECL)=K Io1 - (1 +(-2.3ECL)1!+(-2.3ECL)22!+ -)=K Io 2.3ECL -(-2.3ECL)22!-(-2.3ECL)33!-二、熒光分析法的特點v熒光分析的靈敏度一般都高過應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億分之兒甚至有千億分之幾的。v熒光分析法的另一優(yōu)點是選擇性高。v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用范圍還不夠廣泛。因為有許多物質(zhì)本身不會產(chǎn)生熒光。三、激光誘導熒光法的應用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激光誘導熒光法的應用火焰自發(fā)光圖像LIF圖像v遙感激光熒光雷達0號柴油的熒光v噴霧濃度測量方面的應用燃燒定容裝置原理圖熒光劑：奈、二甲基對苯二氨光學發(fā)動機噴霧粒子直徑SMD分布測量激光誘導熒光法在發(fā)動機濃度場測量中應用的注意點v溫度的影響，溫度越高，熒光效率越低；v氧氣的影響，氧氣是熒光熄滅劑；v對于噴霧場濃度的測量，由于噴霧粒子對