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激光全息检测技术教材
激光全息检测技术
1.激光全息检测技术概述
全息术或称全息照相（Holography）的思想是英国科学家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）在1948年首先提出来的。
由于他的发明和对全息技术发展的巨大作用，他于1971年被授予诺贝尔物理学奖。
全息术与普通照相术的区别是，普通照相术只记录物体表面光波的振幅信息，而把相位信息丢掉了，这样只记录物体表面光波部分信息（二维信息）的照片无论从什么角度看都是一样的。
而全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，在一定条件下使其再现，形成物体逼真的三维像。
由于记录了物体的全部信息（振幅、相位、波长），因而成为全息术或全息照相。
如图，比较了全息照相与普通照相的区别：
图1：
全息照相与普通照相的区别
激光全息无损检验是全息干涉分析的一种应用，它可以用来监视一个复杂的物体在两种不同时刻里所发生的变形，不管物体表面是光洁还是粗糙，都可以观测到光学公差水平几分之一微米以下，由于它是利用全息技术再现原理，因此是无接触地进行三维立体观测。
同其他检测方法比较，激光全息检测的方法有如下优点：
1.激光全息检测是一种干涉测量技术，干涉测量精度与激光波长同数量级，微小（微米数量级）的变形均能被检测出来，检测灵敏度高；
2.由于激光的相干度很高，因此，可以检测大尺寸工件，只要激光能够充分照射到这个工件表面，都能一次检测完成；
3.对被检对象没有特殊要求，可以检测任何材料和粗糙表面；
4.可对缺陷进行定量分析，根据干涉条纹的数量和分布确定缺陷的大小、部位、深度。
5.非接触测量、直观、检测结果便于保存。
但是，物体内部缺陷的检测灵敏度，取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。
如果物体内部缺陷过深或过于微小，那么激光全息照相这种检测方法就无能为力了。
对于叠层胶接结构来说，检测其脱粘缺陷的灵敏度取决于脱粘面积和深度比值，在近表面的脱粘缺陷面积，即使很小也能检测出来，而对于埋藏的较深的脱粘缺陷，只有在脱粘面积相当大时才能够被检测出来。
另外，激光全息检测目前多在暗室中进行，并需要采用严格的隔震措施，因此不利于现场检测。
综上，激光全息检测具有如下缺点：
1.对内部缺陷的检测灵敏度较低：
灵敏度取决于内部缺陷在外力作用下所造成的物体表面的变形大小。
2.对工作环境要求较高：
暗室中进行，严格的隔振措施。
2.激光全息检测的原理
激光全息无损检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部的缺陷。
因为，物体在外界载荷作用下会产生微变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关。
通过外加载荷的办法激发物体表面的变形，再利用激光全息照相法，把物体表面的变形以明暗相间的条纹的形式记录下来。
通过观察、分析、比较全息图，来判断物体表面是否存在缺陷。
2.1全息照相的原理
2.1.1干涉
我们知道，波是可以叠加的，假设有两个波长相同的光波相叠加，当它们相位相同时，叠加后所合成的光波振幅增强，如图6-1-a;如果两个光波相位相反，则合成的光波就相互抵消而减弱，如图6-2-b。
把光波在空间叠加而形成明暗相间的稳定分布的现象叫光的干涉。
全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。
从光的干涉原理可知：
当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。
在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。
2.1.2能够产生干涉的光波需要满足下列条件：
1）频率相同的两束光在相遇时，有相同的振动方向和固定的相位差。
2）两束光在相遇处所产生的振幅差不应太大，否则与单一光波在该处产生的振幅没有多大差别，因此也没有明显的干涉现象。
3）两束光波在相遇处的光程差，即两束光波传播到该处的距离差值不能太大。
图2.激光全息照相检测的光路示意图
满足上述条件的光波叫相干波。
2.1.3激光全息照相检测的光路示意图
图2是激光全息照相检测的光路示意图。
从激光器1发出的激光束经过反射镜4，由分光器2分成两束光。
一束透过分光镜后，被扩束镜9扩大，经过反射镜10反射照射到被检物体上，再由物体表面漫反射到胶片上，这束光成为物光束;另一束光由分光器2表面反射，经过反射镜3到达扩束镜6，被其扩大后再由反射镜7反射照到胶片上，这束光称为参考光束。
当这两束光在胶片上叠加后，形成了干涉图案，胶片经过显影、定影处理后，干涉图案以条纹的明暗和间距变化的形式显示出来，它们记录了物体光波的振幅和相位信息。
被记录的全息图是一些非常细密的、很不规律的干涉条纹，它是一种光栅，与被照的物体在形状上毫无相似之处，为了看到物体的全息像，通常采用再现技术来实现。
2.2全息无损检测的原理
全息无损检测是全息干涉计量技术的实际应用。
全息无损检测原理就是建立在判断全息干涉条纹与结构变形量之间关系的基础上。
a）
b）
图3.热加载两次曝光法显示的铝蜂窝夹层板局部脱胶缺陷于干涉条纹畸变图
a）叠层结构b）脱胶处变形
图4.蜂窝夹层板局部脱粘区的全息再现干涉条纹
在外力作用下，结构将产生表面变形。
若结构存在缺陷，则对应缺陷部位的表面变形与结构物缺陷部位的表面变形是不同的。
这是因为缺陷的存在，使缺陷部位的刚度、强度、热传导系数等物理量均发生变化的结果。
因而缺陷部位的局部变形与结构的整体变形就不一样。
应用全息干涉计量的方法，可以把这种不同表面的变形转换成光强表示的干涉条纹由感光介质记录下来。
如果结构不存在缺陷，则这种干涉条纹只与外加载荷有关，且干涉条纹衫有规律的，每一根条纹都表示结构变形等位移线；如果结构中存在缺陷，则缺陷部位的条纹变化不仅取决于外加载荷，还取决于缺陷对结构的影响。
因为在缺陷处产生干涉条纹，是结构在外加载荷作用下产生的位移线与缺陷引起的变形干涉条纹叠加的结果。
这种叠加将引起缺陷部位的表面干涉条纹畸变。
根据这种畸变则可以确定结构是否存在缺陷。
图3-a所示是一叠层结构，前壁板之间局部脱胶，若以热辐射作用与所示结构前壁板上，前壁板表面温度升高时，其膨胀系数和温度变化的积确定。
里面的胶层起隔热作用，使得后壁板的温度变化较小。
它相当于两层有温度差的板组合而成为一个准双金属片。
这种结构将出现一定程度的弹性变形，弹性变形的大小取决于两块板的物理性能和相对厚度。
然而脱胶区壁板之间是无约束的，前壁板的变形则不受后壁板的影响，从而使脱胶区和它周围非脱胶取之间产生了变形差，如图3-b所示。
如果将这种变形差用两次曝光全息干涉法记录下来，反映在全息图上的缺陷部位干涉条纹将产生畸变，即形成封闭的“牛眼”条纹区就是结构的脱胶部位。
3.激光全息检测诊断方法
3.1检验方法
激光全息检验所一种全息干涉计量术，它是激光全息照相和干涉计量技术的综合。
这种技术的依据是物体内部缺陷在外力作用下，使它所对应的物体表面产生与其周围不相同的微量位移差。
然后用激光全息照相的方法进行比较，从而检验出物体内部的缺陷。
对于不透明度物体，光波只能在它的表面上反射，因此只能反映物体表面上的现象。
然而，物体表面与物体内部是相互联系着的，若给物体一定的负荷（例如机械的或热脉冲的载荷），物体内部的异常就能表现为表面的异常。
当然，外界载荷应以不使物体受损为限。
3.1.1观察物体表面微量位移差的方法有以下三种：
1）实时法
先拍摄物体在不受力时代全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄时的位置上，并用拍摄全息图时代同样参考光照射，则全息图就再现出物体三维立体像（物体的虚像），再现的虚像完全重合在物体上。
这时，对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。
由于这两个光波都是相干光波（来自同一个激光源），并几乎存在于空间的同一位置（因变形甚小），因此这两个光波叠加仍会产生干涉条纹。
加入物体内部没有缺陷，则受载后的物体表面变形是连续规则的，所产生的干涉条纹的形状和间距的变化也是连续均匀的，并与物体外形轮廓的变化相协调。
物体内部如没有缺陷，受载后对应于内部有缺陷的物体表面部位的变形就比周围的变形要大。
因此，当与再现虚像的光波相干涉时，对应于有缺陷的局部地区，就会出现不连续的突变干涉条纹。
由于物体的初始状态（再现的虚像）和物体加载状态之间的干涉度量比较少在观察时完成的，所以称这个方法为实时法。
这种方法的优点是只需要一张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。
因此，这种方法能经济、迅速而准确地确定出物体所需加载量的大小。
其缺点是：
为了将全息图精确地放回原来的位置，需要有一套附加机构以便使全息图位置的移动不超过几个光波导波长。
由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现。
显示的干涉条纹图样不能长久保留。
为了解决全息图精确复位的困难，也可以采用“就地显影”的方法。
当全息干版感光以后，不再从干版架中取下，而直接在原位冲洗处理。
有的激光全息照相设备本身附带有显影装置，可以进行就地显影。
至于乳胶层的收缩变形问题可以采用下述的“两次曝光法”来克服，或在原位冲洗法中先放入清水进行曝光。
在观察实时条纹时，为了改善条纹对比度，常常改变光路的分光比，增加再现物象的亮度而减少原物体的照明光强。
这可以采用可调分光器或在光路中放置（或去掉）滤光器来实现。
总之，要使再现像光强和物体反射光强和物体反射光强大致相同，以获得较好的条纹对比度为准。
2）两次曝光法
改方法是将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，而这两个再现光波叠加时仍然能够产生干涉现象。
这时，所看到的再现象像除了显示出原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹图样。
这种条纹表现在观察方向上的等位移线，两条相邻条纹之间的位移差约为再现光波导半个波长。
若用氦-氖激光器作为光源，则每条条纹代表大约为0.316μm的表面位移。
从这种干涉条纹的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。
两次曝光法是在一张全息片上进行两次曝光，记录了物体在发生变形之前和之后的表面光波。
这不但避免了实时法中全息图复位的困难，而且也避免了感光乳胶层收缩不稳定的影响，因为这时每一个全息图所受到的影响是相同的。
此外，此法系永久性记录。
其主要缺点是对于每一种加载量都需要摄制一张全息图，无法再同一张全息图上看到不同加载情况下物体表面的变形状态，这对于确定加载参数是比较费事的。
两次曝光法和实时法一样，在研究物体两种状态之间的变化时，其变化不能太大或者太小，要在全息干涉分析限度之内（几个、几十个波长）。
如果太大，全息图再现的干涉条纹太密，以致人眼分辨不出来；若变化太稀少，也不能进行准确测量。
因此选择合适的变化状态是这两种检测方法中应注意的问题。
两次曝光法中干涉条纹的产生由两个因素决定，一是两次曝光时间间隔中间物体状态的变化；一是两次曝光时，光波频率的变化。
后一种因素往往是问题复杂化，有事频率的变化甚至达到使干涉条纹无法形成的程度。
所以，为了保证获得清晰度干涉条纹，要严格控制激光器输出光波频率的稳定性。
3）时间平均法
时间平均法是在远比振动周期长得多的时间内对稳定振动的物体进行曝光，就像对静止物体拍摄全息图的过程一样。
全息干版将振动物体在两个端点状态记录下来，当再现全息图时，这两个端点状态的像就相互干涉而产生干涉条纹。
用干涉条纹图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。
所谓时间平均法可以理解成反复多次的两次曝光，这种方法对于稳定的周期振动分析非常有效，是迄今为止振动分析方法中最好的一种。
3.1.2.激光全息检测的加载方法
常用的加载方式有以下几种：
（1）内部充气法：
对于蜂窝结构（有孔蜂窝）、轮胎、压力容器、管道等产品，可以用内部充气法加载。
蜂窝结构内部充气后，蒙皮在气体的作用下向外鼓起。
脱胶处的蒙皮在气压作用下向外鼓起的量比周围大，形成脱胶处相对于周围蒙皮有一个微小变形，根据这个微差位移，就可以用激光全息方法来摄制全息图。
（2）表面真空法：
对于无法采用内部充气的结构，如不连通蜂窝、迭层结构、钣金胶结结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形，再干涉条纹图样中会出现干涉条纹的突变或呈现出环状图案。
（3）热加载法：
这种方法是对物体施加一个适当温度的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度要高。
因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。
用激光全息照相记录时，就会在全息图中显示出突变的干涉条纹图样。
图5.真空加载
4.激光全息检测的应用
4.1.蜂窝结构检测
图6.蜂窝夹层板局部脱粘区的全息再现干涉条纹
蜂窝夹层结构的检测可以采用内部充气、加热以及表面真空的加载方法。
例如飞机机翼，采用两次曝光和实时检测方法都能检测出脱粘、失稳等缺陷。
当蒙皮厚度为0.3mm时，可检测出直径为5mm的缺陷。
采用激光全息照相方法检测蜂窝夹层结构，具有良好的重复性、再现性和灵敏度。
4.2.复合材料检测
以硼或碳高强度纤维本身粘接以及粘接到其他金属基片上的复合材料，是近年来极受人们重视的一种新材料。
它比目前采用的均一材料更具有强度高等优点，是宇航工业中很有应用前途的一种结构材料。
但这种材料在制造和使用过程中会出现纤维内部、纤维层之间以及纤维层与基片之间脱粘或开裂，使得材料的刚度下降。
当脱粘或裂缝增加到一定量时，结构的刚度将大大降低甚至导致损坏。
全息照相可以检测出材料的这种缺陷。
图7.黏结板件的全息摄影无损检测
4.3.胶结结构检测
在固体火箭发动机的外壳、绝热层、包覆层及推进剂药柱各界面之间要求无脱粘缺陷。
目前多采用X射线检测产品的气泡、夹杂物等缺陷，而对于脱粘检测却难于检查。
超声波检测因其探头需要采用耦合剂，而且在曲率较大的部位或棱角处无法接触而形成“死区”，限制了它的应用。
利用全息照相检测能有效地克服上述两种检测方法的缺点。
4.4．药柱质量检测
激光全息照相也可以用来检测药柱内部的气孔和裂纹。
通过加载使药柱在对应气孔或裂纹的表面产生变形，当变形量达到激光器光波波长的1/4时，就可使干涉条纹图样发生畸变。
利用全息照相检测药柱不但简便、快速、经济，而且在检测界面没有粘接力的缺陷方面，有其独特的优越性。
图8.药柱质量检测
4.5．印制电路板焊点检测
由于印制电路板焊点的特点，一般采用热加载方法。
有缺陷的焊点，其干涉条纹与正常焊点有明显的区别。
为了适应快速自动检测的要求，可采用计算机图像处理技术对全息干涉图像进行处理和识别，通过分析条纹的形成等判断焊点的质量，由计算机控制程序完成整个检测过程。
4.6．压力容器检测
小型压力容器大多数采用高强度合金钢制造。
由于高强度钢材的焊接工艺难于掌握，焊缝和母材往往容易形成裂纹，加之容器本身大都需要开孔接管和支撑，存在着应力集中的部位，工作条件又较苛刻，如高温高压、低温高压、介质腐蚀等都促使容器易于产生疲劳裂纹。
疲劳裂纹在交变载荷作用下不断扩展，最终会使容器泄漏或破损。
传统的检验方法是采用磁粉检验、射线检验和超声波检验，或采用高压破损检验，但检测速度较慢，难于取得圆满效果。
采用激光全息照相打水压加载法，能够检测出3mm厚的不锈钢容器的环状裂纹，裂纹的宽度为5mm、深度为1.5mm左右。
后图为一压力容器的激光全息检测的照片。
用激光全息方法还可以评价焊接结构中的缺陷和结构设计中的不合理现象等。
图9.压力容器激光全息检测图片
5.激光全息检测的设备
5.1常用激光器
1）氦-氖激光器：
目前应用为广最泛的一种激光器，可在可见光和红外光区域里连续输出多种波长的激光；
2）红宝石激光器：
脉冲激光、功率不大；
3）氩离子激光器：
谱线丰富、分布在蓝绿区域，功率高。
5.2减振工作台：
作用：
减少外界振动。
如果干涉条纹移动半个条纹宽度，就无法将条纹记录下来，必须保证物体光束和参考光束之间相对移动的距离小于激光波长的1/8。
图.10卤化银全息干板
目前全息照相工作台多数采用橡皮或泡沫塑料减振或空气支柱减振
5.3记录介质
要求：
高分辨率、高灵敏度、高衍射率。
5.3.1.卤化银全息干板
卤化银乳胶均匀涂布在片基上，构成软片（醋酸盐、涤纶片）或干板（玻璃）
记录的物理过程：
曝光--显影--定影--漂白
5.3.2.重铬酸盐明胶
优点：
（1）几乎具有相位全息图的理想特性;
（2）可产生很大的折射率变化，衍射效率最高达100%,再现像显得很“干净”
缺点:
灵敏度低，稳定度差，在高温高湿度环境下容易消象，在实际应用中需经封胶处理，才能长期保存。
5.3.3.光导热塑料
图11.光导热塑料记录原理
全息图之所以能被记录在热塑料胶片上,是由于热塑片表面的变形按全息干涉图的光强变化而产生的原故。
通常,热塑料并不是光敏的,它必须与具有光响应的薄膜结构形式的光导体相结合。
某些独特的、人们所期望的特性使光导热塑料胶片成为一种重要的记录材料。
对于所有的可见光而言,光导热塑料胶片的光敏度高,而且不需要时间过长的湿法显影。
记录在该种材料上的全息图具有适当高的衍射效率,并在室温下保持稳定直到需要抹掉为止。
这种材料可重复使用多次。
6.激光全息无损检测发展趋势
局限：
激光全息无损测试技术经历了40多年的发展，真正应用到生产实际的项目并不多，而且仅局限在航空航天工业部门，造成这种局面的原因是多方面的。
首先是激光全息无损测试技术本身的局限性。
到目前为止，这项技术仍然依赖隔振平台、银盐干版记录、暗室条件下工作。
而且检测系统复杂，投资大，操作技术要求熟练，因而很难推广应用到生产实际中去。
而只能用于军工部门，去解决一些用常规检测方法无法解决而又必须进行无损测试的零部件。
其次是投入不够，由于这项技术本身的局限性，因而不能引起企业家的兴趣和政府的关心，长期以来在资金投入方面很少，全靠科技工作者自发地进行研究，由此而导致了设备陈旧。
第三是与相关学科交叉结合不紧。
例如银盐记录介质在实时全息干涉记录中无法记录瞬态连续变形的问题亟待解决。
第四是CCD应用、计算机数字图像处理等新技术发展速度非常快，相应要求激光全息无损测试设备快速更新。
前景：
激光全息无损测试技术有其自身的独特优点，能解决一些常规检测方法或难以解决问题。
例如对复合材料、蜂窝夹层结构、叠层结构、飞机轮胎的检测就具有明显的优点，是射线、超声、磁粉、涡流、渗透等常规方法难以比拟的。
因此，激光全息无损测试技术经过不断的发展和完善，将会起到重要作用。
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