（物理化学专业论文）数字全息术研究碳钢的缝隙腐蚀和铁的阳极电化学振荡.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 数字全息术作为一种全新的获取光学信息的方法，是传统的光学全息术和数 字技术相结合的产物。它是基于光学全息理论，以c c d 成像器件作记录介质获取 全息图，然后通过计算机用数字方法对数字化的全息图进行再现，它具有非接触 性、非破坏性和高分辨率的特点。随着计算机技术和高分辨率图像传感器的飞速 发展，数字全息术的优势正越来越明显的显示出来。目前它已被成功的应用在诸 如离子场测试、三维形貌测量、生物、化学以及其它的领域。 本文将数字全息术应用到电化学反应过程中电极溶液界面浓度动态变化的 记录。其原理是基于物光的相位、溶液的折射率和溶液的浓度三者之间的关系。 因为在电化学反应的过程中，电极溶液界面会发生浓度的变化，而浓度的变化 会导致溶液的折射率发生变化，折射率的变化会导致通过溶液的光波的相位发生 变化。在一定的溶液浓度变化的范围内，这三者成线性关系，我们可以通过测量 物光相位的变化来测量溶液浓度的变化。在我们的试验中，相位的变化是以干涉 条纹的形式记录并存储在电脑中的。这种干涉图经过傅立叶分析法进行数字重构 就能得到电极界面三维的浓度变化分布图，与以前的二维干涉图相比，三维浓度 交化分布图看上去更直观并且能够实现浓度变化的定量测量。主要研究内容和研 究成果如下： 1 利用数字全息重构技术研究碳钢在氯化钠溶液中的缝隙腐蚀过程 采用数字全息重构技术研究了碳钢在氯化钠溶液中发生缝隙腐蚀过程中的 电极溶液界面浓度的动态变化。通过对比缝隙样品与无缝隙样品发生电化学反 应过程中呈现的电极溶液界面处的浓度变化，来研究缝隙腐蚀的发生以及发展 的机理。结果表明，无缝隙电极在发生腐蚀的过程中，电极溶液界面浓度变化 比较均匀，即发生的是一般的均匀腐蚀；而有缝隙电极在氯化钠溶液中发生腐蚀 的过程中，电极溶液界面处的浓度变化是不一致的。根据重构后的俯视图可以 很清楚的看出，在有缝样品发生腐蚀的过程中，缝隙口处先发生腐蚀，并且随着 时间的增加，腐蚀进一步加剧。根据我们查阅到的资料，尚未见利用数字全息术 研究金属缝隙腐蚀的报道。 山东大学硕士学位论文 2 利用数字全息重构技术研究了铁在硫酸溶液中的电化学振荡过程 结合数字全息重构技术研究了在硫酸溶液中铁发生电化学振荡整个过程中 电极溶液界面处的浓度的变化，对铁在硫酸溶液中的电化学振荡过程的机理进 行了较为深入的探讨。结果表明，物质传输在该体系中起到了很大的作用，电化 学振荡的周期、振幅和形貌都和物质传输的速度有关。电化学过程中产生的亚 铁离子会导致p h 的变化，p h 的变化在电极表面形成预钝化膜，它可能是氢氧化 亚铁膜。从重构的图像上看到电极外部清晰的浓度扩散层是电化学振荡现象的一 个重要特征。重构图像为更好的分析和理解电化学振荡的整个过程提供了很多直 观的数据，它为研究电化学振荡的机理提供了新的途径。 关键词：数字全息术；缝隙腐蚀；电化学振荡；铁 l i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lh o l o g r a p h y ，a sa b r a n dn e wm e t h o do fo b t a i n i n go p t i c a li n f o r m a t i o n , i s ac o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n a lo p t i c a lh o l o g r a p h ya n dd i g i t a lt e c h n i q u e i ti sb a s e d o nt h et h e o r yo fo p t i c a lh o l o g r a p h y a n di tu t i l i z e sc c dd e v i c et or e c o r dh o l o g r a m s a n df u l f i l l st h en u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o no ft h eo b j e c tw a v e f r o n tb yc o m p u t e r d i g i t a l h o l o g r a p h yh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n - c o n t a c t ，n o n b r e a k a g ea n dh i g hp r e c i s i o n w i t l lt h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n d h i g hr e s o l u t i o ni m a g es e n s o r , t h e a d v a n t a g eo fd i g i t a lh o l o g r a p h yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eo b v i o u s t o d a y , i th a s b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di np a r t i c l ef i e l dt e s t i n g ，s u r f a c es h a p e m e a s u r e m e n t ，b i o l o g y , c h e m i s t r ya n do t h e rf i e l d s i nt h i sp a p e rd i g i t a lh o l o g r a p h yh a sb e e nu s e dt or e c o r dd y n a m i ce l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s e so ft h ee l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c e t h ep r i n c i p l eo ft h ee x p e r i m e n tb a s e so n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np h a s eo fo b j e c tw a v e ，s o l u t i o nr e f r a c t i v ei n d e xa n ds o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ee l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c ew i l l c h a n g e d u r i n gd y n a m i cp r o c e s s e so fe l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n t h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e ( a o o ft h es o l u t i o na tt h ei n t e r f a c el e a d st ot h er e f r a c t i v ei n d e xv a r i a t i o n ( a n ) ，w h i c ht h e n b r i n g sa b o u tt h ec h a n g eo fp h a s e ( 刃o ft h eo b j e c tw a v e i nac e r t a i nr a n g eo f c o n c e n t r a t i o n c h a n g e ，t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h e s et h r e ea r el i n e a r t h e m e a s u r e m e n to fc o n c e n t r a t i o nc h a n g e sc a nb ct r a n s f o r m e dt ob ct h em e a s u r e m e n to f p h a s ev a r i a t i o n i no u re x p e r i m e n t ，p h a s ev a r i a t i o nw a sr e c o r d e da n ds t o r e di n c o m p u t e ri nt h ef o r mo fh o l o g r a m s a f t e rn u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o nw i t ht h ef o u r i e r a n a l y s i sm e t h o d ，h o l o g r a m sw e r et r a n s f o r m e di n t ot h r e e d i m e n s i o n a li m a g e so ft h e e l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c e ，w h i c hc a nb em o r ev i s u a lt h a nt h et w o d i m e n s i o n a l h o l o g r a m sa n dc a nr e a l i z et h eq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n to ft h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 s t u d yo ft h ec r e v i c ec o r r o s i o no fc a r b o ns t e e le l e c t r o d ei nn a c is o l u t i o nb y i i i 山东大学硕士学位论文 n u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o no fd i g i t a lh o l o g r a m s t h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e so ft h ee l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c ed u r i n gd y n a m i c p r o c e s s e so ft h ec r e v i c ec o r r o s i o no fc a r b o ns t e e le l e c t r o d ei nn a c ls o l u t i o nw a s s t u d i e db yn u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o no fd i g i t a lh o l o g r a m s c o m p a r e dc r e v i c ee l e c t r o d e w i t hn o n - c r e v i c ee l e c t r o d e b y t h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n c h a n g e s o ft h e e l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c e ，w es t u d i e dt h em e c h a n i s mo ft h ei n i t i a t i o na n dt h e p r o p a g a t i o no fc r e v i c ec o r r o s i o n t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec h a n g eo fc o n c e n t r a t i o n a tt h ei n t e r f a c ew a su n i f o r md u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec o r r o s i o no ft h en o n - c r e v i c e e l e c t r o d e ，i tw a su n i f o r mc o r r o s i o n ，w h i l et h ec h a n g eo fc o n c e n t r a t i o na tt h ei n t e r f a c e w a sn o tu n i f o r md u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec o r r o s i o no fc r e v i c ee l e c t r o d ei nn a c l s o l u t i o n w ec a r ls e ec l e a r l yf r o mt h er e c o n s t r u c t e d p l a n f o r mi m a g e st h a tt h e c o n c e n t r a t i o na tt h ec r e v i c em o u t hi n c r e a s e dm o s to b v i o u s l yd u r i n gt h ep r o c e s so ft h e c o r r o s i o no ft h ec r e v i c ee l e c t r o d e u pt on o w , t h e r eh a s n tb e e na n yr e p o r ta b o u t c r e v i c ec o r r o s i o no fm e t a ls t u d i e db yn u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o no f d i g i t a lh o l o g r a m s 2 s t u d yo ft h ec u r r e n to s c i l l a t i o n so fi r o ni ns u l f u r i ca c i ds o l u t i o nb yn u m e r i c a l r e c o n s t r u c t i o no fd i g i t a lh o l o g r a m s t h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g eo ft h ee l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c ed u r i n gt h ew h o l e d y n a m i cp r o c e s s e so ft h ec u r r e n to s c i l l a t i o n so fi r o ni ns u l f u r i ca c i ds o l u t i o nw a s s t u d i e db yn u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o no fd i g i t a lh o l o g r a m s ad e t a i l e de x p l a n a t i o no f t h i sp r o c e s sw a sc a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep e r i o d i c i t y , t h ea m p l i t u d ea n d t h es h a p eo ft h eo s c i l l a t i o n sa r ea nc l o s e l yr e l a t e dt ot h er a t eo fm a s st r a n s p o r t f e ” p r o d u c e db yt h ee l e c t r o d i s s o l u t i o no fi r o nw i l ll e a dt h ec h a n g eo fp h ，w h i c hc a u s et h e f o r m a t i o no fp a s s i v ef i l ma tt h ee l e c t r o d e s o l u t i o ni n t e r f a c e i tm a yb et h ef i l mo f f e ( o h ) 2 t h ec l e a rc o n c e n t r a t i o nd i f f u s i o nl a y e ro u t s i d et h ee l e c t r o d ed e t e c t e df r o m t h er e c o n s t r u c t e di m a g e si st h ek e yf e a t u r eo ft h ec u r r e n to s c i l l a t i o np h e n o m e n o n t h e r e c o n s t r u c t e di m a g e s s u p p l ym o r ev i s u a l i n f o r m a t i o nf o rb e t t e r a n a l y z i n ga n d u n d e r s t a n d i n gt h ew h o l ep r o c e s so fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o nc h a n g ea n dt h u ss t u d yh o w t h er e l a t e de l e c t r o c h e m i c a io s c i l l a t i o nw o r k s i v k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h y ；c r e v i c ec o r r o s i o n ；e l e c t r o c h e m i c a lo s c i l l a t i o n s ；i r o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名：透毖 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：霆丝i 盘导师签名 枷_ 7 山东大学硕士学位论文 1 1 1 数字全息术的发展 第一章绪论 1 1 数字全息术概述 全息术是英国科学家盖柏( d e n n i sg a b o r ) 1 。2 】在1 9 4 8 年为提高电子显微镜的 分辨率而提出的。在“ai l e wm i c r o s c o p i cp r i n c i p l e 一文中，他阐述了利用双光束 干涉法获得全息图的原理，这种全息图记录了物光光波波前的振幅和相位，并可 通过波前再现技术显现原物体逼真的三维像，简称两步成像法。从而开辟了光学 中的一个新领域，并因此获得了1 9 7 1 年的诺贝尔物理学奖。 全息技术与普通照相不同，后者根据几何光学成像原理，记录光波强度，将 空间物体成像在一个平面上，因为丢失了光波相位，所以无法得到物体的三维信 息；前者则利用光的干涉和衍射原理，引入参考光波和物体发出的光波进行干涉， 将物光波信息以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下再现，形成原物体的 完全逼真的三维立体像。全息即“全部信息”的意思，因为不仅记录了物光的振幅 信息，同时也记录了相位信息。 g a b o r 提出的全息术属于同轴全息，由于当时没有高度相干性和大强度的光 源，无法解决同轴全息图中不可分离的“孪生像 问题，直到1 9 6 0 年激光的出 现提供了一种高相干性光源以及1 9 6 2 年美国科学家l e i t h 和u p a m i e k s 将通信理 论中的载频概念推广到空域，提出了离轴全息之后【3 卅，全息术的研究才进入了 一个新的阶段，并随着研究的不断深入，应用领域不断扩展。 计算机技术的发展使得全息图的数字记录和再现过程成为可能。1 9 7 1 年， t h u a n g 5 】在一篇介绍二十世纪6 0 年代到7 0 年代早期数字计算机用于波场分析 所取得的进展时，首次提出可“数字全息术( d i g i t a lh o l o g r a p h y ) 一词。该思 想来源于19 6 7 年g o o d m a n 等人【6 】提出的利用电子技术、计算机技术来实现光学 全息图的记录与再现过程的设想。这之后的相当一段时间内，数值再现全息图的 良好构想却一直受到计算机技术和电子技术相对落后的制约。近年来，计算机和 电子图像传感器件的性能有了很大提高，数字全息术也因此得到了快速的发展。 山东大学硕士学位论文 8 0 年代末，o n u r a l 和s c o t t 等人将数字全息术应用与粒子测量，1 9 9 2 年，h a d d a d 等人给出了基于傅立叶变换全息图数值重建的全息显微术，1 9 9 4 年数字全息术 取得了较大的进展，s c h n a r s 和j u p t n e r 7 1 利用电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l i n gd e v i c e ， 缩写为c c d ) 直接记录并用计算机数值再现菲涅耳全息图，使得全息记录和再 现完全数字化。近年来，高分辨率c c d 、高速计算机及先进数字图像处理技术 的发展使得对全息图的高速及高分辨率数字化处理成为可能，并随着研究的不断 深入，应用领域不断扩展。 数字全息与传统全息的相同点和不同点分别在于： l 相同点： a 两者都包括记录和再现两个过程； b 数字全息沿袭了传统全息的光学理论。 2 不同点： a 传统全息利用照相干版记录全息图，数字全息则采用c c d 相机等光电探 测器件作为记录介质； b 传统光学全息采用曝光、显影等物理、化学的湿处理实现再现过程，数字 全息则采用数值计算方法通过计算机实现再现过程。 所以数字全息有时候也被称为计算全息【8 1 ，整个记录和再现过程都实现了数 字化，这给全息干涉图像的采集、存储、处理和显示都带来了极大的方便，具体 表现在【9 】： 1 采用光敏元件进行全息图的记录，不涉及干版记录过程，曝光时间短，放 宽了对系统稳定性的要求，可直接记录运动物体的各个瞬间状态。 2 再现过程使用计算机进行数字再现，处理速度快，几乎可达到实时再现。 3 可以方便的使用各种图像处理技术与数学计算方法，除了可以得到物体的 振幅场之外，还能直接得到物体的相位信息，这在传统光学全息中很难实现。 4 可以通过适当的数字图像处理方法对图像进行处理和加工，提高再现质 且 里。 另外，使全息干涉记录与视频图像处理系统相结合共同搭建连续处理实验平 台成为可能，连续处理实验平台可以进一步大大缩短实验周期，方便观察。 2 山东大学硕士学位论文 1 1 2 数字全息术的原理 数字全息包括光波的记录和再现两个过程。其中记录过程利用的是光的干涉 理论。全息图的记录过程就是相干光( 物光和参考光) 干涉叠加的过程，一般而言， 全息图就是干涉条纹图像。而全息图的再现过程则是参考光透过全息图的衍射过 程，它再现了物光的振幅和相位信息。全息干涉图的相位重建过程就是一种干涉 条纹的相位分析和获取过程，全息干涉测量实质上就是通过分析干涉图的相位来 获取待测信息的信息测量技术。 以经典的马赫一曾德尔干涉仪( m a c h z e h n d e r ，简称m z 干涉仪) 为例【l 们。 f i g 1 1 马赫一曾德尔干涉仪f l o l 来自光源( 1 i g h ts o u r c e ) 的光经过分束器1 ( b e a ms p l i t t e r1 ) 分为两束，一 束作为物光通过待测的透明物，另一束作为参考光通过参考物以便于比较。两束 光在分束器2 上发生干涉，由干涉条纹的变化可判断待测物相对于参考物的变化 且 戛。 其中，参考光的光强可表示为： r ( x ，y ) = r o ，y ) e x p - j g ( x ，y ) 】( 1 1 ) 公式l 1 中，r 为参考光的振幅，5 c ，为参考光的相位； 传播到记录介质c c d 上的物光的光强可以表示为： o ( x ，y ) = o o ( x ，y ) e x p - j ( x ，y ) 】 ( 1 - 2 ) 其中，d 0 为物光的振幅；妒为物光的相位； 3 山东大学硕士学位论文 那么，被记录的干涉条纹的光强可以表示为： i ( x ，j ，) = l r ( x ，y ) + o ( x ，y ) i = l r ( x ，y ) 1 2 + l o ( x ，y ) 1 2 + 尺( x ，y ) o ( x ，y ) + 尺( x ，y ) o ( x ，y ) ( 1 3 ) = l r ( x ，y ) 1 2 + i d ( x ，y ) 1 2 + 2 r 0 ( x ，y ) 0 0 ( x ，y ) c o s 弘( x ，y ) 一矽( x ，y ) 】 由表达式( 1 3 ) 可以看出，干涉条纹的光强是光学相位的余弦函数。在一些测 量实验中，当物光穿过被测物体可以被近似认为物光振幅不变，仅相位发生改变 时，只要由干涉图计算出相位，就可得到被测量的变化信息。 1 1 3 数字全息术的应用 数字全息术提出于上世纪6 0 年代，但由于电子硬件设备发展的限制，直到上 世纪8 0 年代末其发展才真正起步。数字全息技术由于不同于光学全息术需要经过 物理、化学的湿处理，从而使得它的应用相对方便。另外，数字全息术借助于计 算机强大的计算和图象处理功能，一方面大大提高了工作效率，避免繁琐、费时、 费力的人工处理：另一方面，又提高了测量精度，避免人工判读的失误和主观因 素的影响，同时还可以进行实时采集处理。随着计算机和c c d 的发展，数字全息 技术发展的瓶颈己经基本消除，近年来该技术发展迅速，其理论基础己趋于完善， 全息术因能记录与再现三维图像，吸引了众多科研人员对之进行研究【1 1 d3 1 。因而， 近年来，在数字全息技术发展的过程中，应用领域的研究也异常活跃，已成为其 关注的焦点【1 4 17 1 。数字全息应用的研究领域非常广泛，涉及三维显示、三维物体 成像、三维物体识别、形变测量、粒子场测试、折射率测定、生物领域、震动分 析、形貌测量、表面轮廓重构、显微术、医学诊断、信息加密等领域。 1 1 3 1 粒子场测试中的应用 自从b j t h o m p s o n 博1 1 9 6 5 年首次利用同轴夫琅和费全息成功地测量了海面 附近水雾粒子的大小、分布和速度后，全息术已被成功地应用到雾场测量、燃料 燃烧、煤烟测量、两相流、液滴破碎、空气动力现象、气体传输、蒸汽涡轮机测 试、环境污染等方面的研究，使粒子场全息分析技术得到很大的重视和发展，并 逐步实现了全自动数据处理，己成为三维粒子场分析的主要方法【1 9 2 0 】。在数字全 息术中，粒子场的全息图直接记录在c c d 芯片上，将光强度分布转化为电信号， 4 山末大学顸士学位论文 并按照像素离散为2 d 阵列，强度表示为0 2 5 5 级灰度存储在计算机内存中， 利用f f t 或卷积运算，得到粒子场的数字再现。通过数字聚焦，可以获得粒子 场在不同焦平面上的分布。m a d a m s 2 1 - 2 月研究小组指出全息图的数字再现不仅能 再现与全息图平面平行的像平面，而且也能再现与全息图平面垂直的像平面。将 层析成像技术应用于数字全息术中来提高再现像的轴向分辨率。利用红宝石脉冲 激光器，通过多个平面镜，从多角度照射粒子场，用c c d 同时记录不同角度的 粒子场全息圈，通过数字再现和层析方法，即可得到粒子场的3 d 分布。再通过 两次晖光获得粒子场的速度信息。h v o 船妒和他的研究组1 9 9 8 年应用同轴全 息术研究水汽现象，测量雨滴、雪花、冰针粒子大小，形状和速度。r b o w c n 2 7 i 等利用同轴数字全息传感装置，通过光纤远距离监探单个微小海水粒子同时测 定粒子运动速度等。2 0 0 3 年，已有利用同轴数字全息显微术，在四维空间跟踪 直径为5 - 1 0 a m 的藻类生物的研究报道p a l 。2 0 0 8 年，法国的m i c h a e l a r i a n 小组1 2 9 1 利用全息显微术的方法观测了金纳米粒子在水溶液中的布朗运动现象，并且把全 息图进行数字重构，更形象的观察到了金纳米粒子在水溶液中的布朗运动。图 1 2 为检测到的金纳米粒子的全息图像脚i ： f i gi 一2 在不同区域所拍摄到的金纳米离子全息图( a c ) 以及对应的水 平剖面的检测信号( d f ) p a l 山东大学硕士学位论文 1 1 3 2 三维测量中的应用 在三维显示方面，e c u c h e 等人f 3 0 1 在只拍摄一张菲涅尔全息图的情况下，利 用计算机编程同时再现了物体的相位与振幅图像，达到了1 0 n m 级的轴向分辨率 与微米级的横向分辨率。d d i r k s e n 等人【3 1 】利用无透镜傅里叶数字全息重现了一 个具有不平滑表面的心瓣膜模型，取得了很好的再现效果。g p e d r i n i 3 2 l 等利用数 字全息干涉仪测量微观物体的形状，它是利用同一光源，通过改变照明物体的照 明方向，记录两个不同全息图，再数字再现，就可以得到不同部分的相位信息， 利用相位差可重构三维物体的形状。n i l s s o n 3 3 】将数字飞行光全息术应用于3 d 物 体形状测量。这种方法其实质是利用短脉冲激光和数字全息术，通过闪耀光栅引 入参考光与物光波之间的延迟，记录物体不同部分的全息图，再通过数字再现得 到物体不同部分的再现像，再将这些再现像组合，就可以得到3 d 形状分布。 j d e g r i e c k 【3 4 】等提出一种从四个方向照明物体的优化全息实验光路系统，用于微 观元件的3 d 形变测量，这种系统的横向分辨率达到5 哪，形变分辨率达至l j l 5 n m 。 利用光纤作为传输介质，实现了实验系统紧凑化。vk e b b e 3 5 l 等利用数字全息术 测量透明介质的折射率。b a h r a mj a v i d i 把数字全息技术引入目标识别领域，利 用相移数字全息或同轴数字全息重构 3 6 - 3 7 】，得到一幅或多幅三维物体重构振幅 像，进而组成非线性滤波器对三维物体进行相关识别，可得到较为尖锐的相关峰。 他们利用同轴相移数字全息成功的记录了一个微小汽车模型( 2 5 c mx2 5 c mx 4 5 c m ) 的数字全息图，并在不同的位置、角度进行再现。f i g 1 3 为该课题组记录 小汽车模型的数字全息图。由于通过数字聚焦可以获得3 d 物体的任一层面信息， 因此数字全息显微术相比于光学显微术具有更大的灵活性。 6 f i g 1 3 基于3 d 识别系统的数字全息术示意图【3 7 】 m 东大学厦士学位论文 1 1 33 生物领域中的应用 活细胞微小的变形和运动都可以利用数字全息术的方法进行测试和监控，以 达到对细胞的形态和功能进行研究的目的。相对于共焦显微术( c o n f o c a l i i l i c r o s c 叩”和多光子显微术( m u m - p h o t m i c r o s c o p y ) ，数字全息术由于所用光源 的功率非常低，所以完全是一种无损检测技术，这使得培植的活细胞样本就可以 保持数小时甚至几天的生命，为研究细胞长期的演变发展提供了可能性。 多数生物样本，特别是活细胞，多是透明的，当观察它们的颜色和吸光率时， 往往与背景相差不大。生物学家幸运的发现，这些样本能改变探测光波的相位。 这个性质被科学家应用在了对数字全息显微镜( d 系统的开发上。 d e p e u r s i n g e 等a 删将数字全息技术应用于细胞和生物组织的监测上，可以 在亚微米范围内精确测定细胞和组织形态，井可以观察微小的运动及形变，他们 认定对于组织结构的直接成像可以为生物、医药及诊断提供独一无二的研究方 式。m a r q u c t 用频域滤波的方法消除重构像中的零级衍射光和共扼像，使重构像 质量大幅提高脚】，并且该研究组己于近期成功研制出数字全息显微镜( d h m ) 捕 捉到了透明活细胞的相位圈1 4 ”。f i gl _ 4 为2 个细胞在低渗震动前与3 分钟后的 重构的形貌图【帅】： f i g1 42 个细胞体在低渗震动前( a ) 与三分钟后( b ) 的形态测量图。c 为 者之间的厚度变化差值的颜色代码分布【柏1 参参二 。扣虬。 呲 囊璺 山东犬学硕士学位论文 1 1 3 4 化学领域中的应用 通过全息干涉技术对溶液浓度变化进行检测进而对数据进行观察和分析的 方法在化学、材料等领域中都有广泛应用。该测量技术具有简单有效、无接触微 距测量、无破坏性和精度较高的优点，因此也常应用于化学领域。 2 0 0 3 年，德国的j r i c h t e r 等人【4 2 】将数字全息术用于熔融盐和离子液体的扩 散系数的研究，成功的测量出了碱性a g n 0 3 和 b m i m p f 6 与甲醇的混合物扩散系 数，并且讨论了各种不同的因素对该扩散系数的影响。2 0 0 6 年，a r u na n a n d 等 人 4 3 1 也用数字全息术研究了透明溶液中的扩散过程，通过该方法计算所得的扩 散系数与文献所查结果很符合。在高分子材料方面亦将有着广泛的应用前景，悬 浮及乳液聚合过程中悬浮或乳胶粒子的三维空间分布及结晶动力学，高分子材料 加工中注塑成形研究和应力场测定等【删。在晶体研究领域，晶体表面浓度分布 变化的监测是制备高质量晶体的关键技术之一：山东大学晶体所的研究人员利用 激光干涉技术观测溶液的浓度变化，通过控制溶液浓度来制备所需要的晶体材料 4 5 - 4 6 o 在电化学领域，当电极发生阳极溶解、阴极沉积等电极过程时，电极溶液 界面溶液浓度发生改变，电解液中各种离子在金属表面的分布非常复杂，离子的 浓度梯度受扩散、电迁移和对流等多种因素影响。由于全息术可以通过干涉条纹 变化来反映电解质浓度变化，所以可将其应用到金属腐蚀领域。分析这种电极反 应过程中的溶液浓度的动态变化和溶液扩散层厚度变化对阐明电极反应机理有 重要的意义。 在电化学领域，最早报导全息干涉技术在该领域应用的是k r l o x l 47 j ；o b r i e n 等将激光干涉术应用于固液界面液相侧浓度梯度的测定、n a c l 溶液中c 1 2 析出的 研究以及磁场作用下的电化学流体动力学研究m 蹦o 】；c h m i e l 等【5 1 】利用全息术对金 属的局部腐蚀进行了研究；结果显示：在均匀溶液中，干涉条纹为直线型的，而当 溶液浓度发生变化时，干涉条纹发生弯曲；h a b i b 等【5 2 】利用光学干涉技术研究了不 锈钢、铜等表面的局部腐蚀。近几年来，全息术在与电化学、腐蚀电化学密切相 关的生物学、材料科学领域也出现了新的应用前景【5 3 羽】。 本课题组在利用全息干涉技术检测界面溶液浓度变化情况的研究当中，经历 了干板全息，全息干涉，数字全息等阶段。陈慎豪、王超提出用全息术研究金属 8 山东大学硕士学位论文 的腐蚀行为 5 5 4 6 】；杨学耕在此基础上利用数字全息研究铁在硫酸溶液中的阳极过 程，实现了对电极反应过程中电极溶液界面动态变化的实时定性观测【5 9 1 ，袁 博字进而把数字全息载波干涉方法应用于电极过程中电极溶液界面附近液相侧 浓度的变化，结合全息干涉图像的傅立叶分析方法，实现了对铁在硫酸溶液中发 生阳极过程时的溶液浓度的半定量测量【删以及铜在电沉积过程中的单一溶质溶 液浓度的定量测型6 1 】。 1 2 1 缝隙腐蚀的特征 1 2 缝隙腐蚀 金属部件在介质中，由于金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝 隙，其宽度( 一般为0 0 2 5 - 0 1 i r a ) 足以使介质进入缝隙内而又使这些介质处于停 滞状态、引起缝内金属加速腐蚀，这种腐蚀称为缝隙腐蚀。 缝隙腐蚀是一种很普遍的局部腐蚀，在许多设备或构件中缝隙往往不可避免 地存在着，如金属结构的连接、金属与非金属的连接、金属表面的沉积物、附着 物、腐蚀产物都会形成缝隙【6 2 1 。 金属的缝隙腐蚀表现出如下主要特征： 1 金属与金属以及金属与非金属之间的接触，都会发生缝隙腐蚀。 2 几乎所有的腐蚀介质( 包括淡水) 都能引起金属的缝隙腐蚀，而含有氯 离子的溶液通常是缝隙腐蚀最为敏感的介质。 3 对同一种金属，缝隙腐蚀更容易发生。 4 缝隙腐蚀存在孕育期，其长短因材料、缝隙结构和环境因素的不同而不 同。 缝隙腐蚀的结果会导致部件强度的降低。缝隙内腐蚀产物体积的增大，会引 起局部附加压力，不仅使装配困难，而且可能使构件的承外载能力降低。 1 2 2 缝隙腐蚀的机理 缝隙腐蚀是一由许多反应错综复杂的交互作用所推动的电化学腐蚀过程。人 们曾从各种角度对该过程的机理问题进行过探讨 6 3 - 6 7 1 。金属离子浓差电池和氧浓 9 山东大学硕士学位论文 差电池( 或充气不均匀电池) 是早期阐述缝隙腐蚀机理的较为重要的两种理论。 目前普遍为大家所接受的缝隙腐蚀机理是氧浓差电池和闭塞电池自催化效应共 同的结果【6 3 彤】。 在缝隙腐蚀初期，金属材料缝隙内、外整个表面都与含氧溶液相接触，所以 电化学腐蚀的阴极和阳极反应均匀地发生在缝隙内部及外部的整个表面上，阳极 反应为金属的离子化，即m m 叶+ n e 阴极反应为氧还原，耳 j 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e 一4 0 h 。 金属阳极溶解产生的电子，随即被氧的还原反应消耗掉。然而，相对闭塞性的 缝隙构型使缝内溶液呈滞流状态，氧还原反应消耗了缝内溶液的氧，但又难以得 到补充。随着腐蚀过程的进展，缝内的氧很快就耗尽了，从而终止了缝内氧的还 原反应。缝外的氧随时可以得到补充，所以氧还原反应继续进行，从而导致缝内 外形成氧浓差宏观电池f 6 3 , 6 7 。 缺乏氧的区域( 缝隙内) 电位较低，成为阳极区；氧易达到的区域( 缝隙外) 电位较高，成为阴极区。加之缝外大阴极和缝内小阳极的相对面积关系，加速了 缝内金属的阳极溶解反应。金属离子m n + 在缝内不断积累、过剩，从而吸引缝外 溶液中的负离子( 如c l 。) 迁入缝内，以维持电荷平衡，造成c l 。在缝隙内富集。 金属离子的浓缩和c l 。的富集其结果是缝隙内溶液p h 值下降，即造成缝隙内溶液 酸化。反应如下：m c l 2 + h z o m ( o h ) 2l + 2 w c l 。 这又进一步促进了缝内金属的阳极溶解。从而又引起更多的c l 从缝外向缝 内迁入。如此往复循环，形成了一个闭塞电池自催化过程，导致缝内金属溶解不 断加剧。当缝隙内腐蚀增加时，缝隙口临近表面的阴极过程( 氧的还原) 速率增 大，因此外部表面得到了一定程度的阴极保护。f i 9 1 5 为缝隙腐蚀发生机理的示 意图【6 7 】。 1 0 山东大学硕士学位论文 心幻舀珍写刍囝佘 儡lq iq i 瞄7 一 - - e , f p f i 9 1 5 缝隙腐蚀机理示意图明 对于具有自钝化特性的不锈钢和铝合金等材料，在含c l 的中性介质中，其 缝隙腐蚀的敏感性比铁、碳钢还要高。其原因除上述缝隙腐蚀机理外，还有如下 两种可能： 一是闭塞电池自催化效应造成的缝内溶液p h 值下降，将导致金属f l a d e 电位 变正，即原来的钝态可能转化为活化态，发生全面活性腐蚀，形成缝内活化阳极 和缝外钝态的阴极构成小阳极一大阴极面积比的电偶电池。由此导致缝内金属的 严重加速腐蚀，这种腐蚀称为活化型缝隙腐蚀。 另一种缝隙腐蚀是点蚀型缝隙腐蚀。这种缝隙腐蚀起源于点蚀，由于c l 浓 度增高，使钝化金属的点蚀电势变负，以至腐蚀电势超过点蚀电势，使缝隙内金 属钝化膜发生破裂。这类缝隙腐蚀的发展与c l 。浓度有很大关系。 1 2 3 缝隙腐蚀的影响因素 影响缝隙腐蚀的因素很多，很多人对影响缝隙腐蚀的各种因素从不同的角度 提出了不同的看法并进行了大量的实验。综合来说主要有以下几种不同的影响因 素： 1 。2 3 。1 几何因素 缝隙的几何形状、宽度、深度以及缝隙内外面积比等对缝隙腐蚀均产生重要 影响，这些因素决定着缝隙外面的氧进入缝隙的程度、电解液组成的变化、电位 的分布和宏观电池性能有效性等。 山东大学硕士学位论文 缝隙的尺寸对缝隙腐蚀的影响很大，一般来说，缝隙腐蚀宽度增大，腐蚀失 重降低，但在缝隙宽度为0 1 0 0 1 2m n l 时，腐蚀深度最大，即此时缝隙腐蚀的敏 感性最高。缝隙的宽度和深度主要是影响闭塞电池效应【6 8 l 。 大量研究表明，缝内外金属在腐