工程测试第三讲-20150116

1、激光全息摄影技术及激光诱导荧光法第三讲激光全息摄影技术一、历史回顾二、全息术的基本原理三、全息图的分类四、激光全息技术在测量中的应用一、历史回顾v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，并在一定条件下使其再现，形成原物体逼真的三维像。由于记录了物体的全部信息(振幅和位相)，因此称为全息术或全息照相。v全息术是英国科学家丹尼斯加伯(Dennis Gabor)在1947年为提高电子显微镜的分辨率，在布喇格(Bragg)和泽尼克(Zernike)工作的基础上提出的。由于需要高度相干性和大强度的光源，直到1960年激光出现，以及1962年利思(Ietth)厄铂持尼

2、克斯(UPatnieks)提出离轴全息图以后，全息术的研究才进入一个新阶段，相继出现了多种全息方法，开辟了全息应用的新领域，成为光学的一个重要分支。Dr. Dennis Gabor他为此获得了他为此获得了1971年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖v 光全息术的发展到现在可分为三代，第代是用水银灯记录同轴全息图，这是全息术的萌芽时期。其主要问题是再现原始像和共扼像不能分离，以及没有好的相干光源。v第二代是用激光记录，激光再现；以及利恩和厄帕特尼克斯提出离轴全息图，把原始像和共轭像分离，这一阶段全息术在理论上建立了基础在可能的应用范围内作了大量的实验，取得丰硕的成果。相应地在全息记录材料方面也得到发

3、展。v第三代是激光记录白光再现的全息术主要有反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息，使全息术在显示方面展现出其优越性。二、基本原理v全息照像过程分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将物体衍射(被激光照时)的光波与另一相干光波 参考光波相干涉，用照像方法将干涉条纹记录在全息记录介质上，称为全息图或全息照片。全息图具有复杂的光栅结构。v当用原记录时的参考光或其它合适的光波照射全息图时，光通过全息图时的衍射和衍射光之间的干涉形成与物体光波相似的光波，即物体波前的再现，构成物体的再现像。He-Ne激光器激光器定时阀定时阀物体物体全息平台全息平台反射镜反射镜分束镜分束镜【实验原理【实验原理】物光波的复振

4、幅分布为：物光波的复振幅分布为：yxjyxOyxoo,exp,0振幅振幅相位相位+= 物体的全部信息物体的全部信息yxjyxRyxrr,exp,0yxjyxCyxcc,exp,0参考光波的复振幅分布为：参考光波的复振幅分布为：再现光波的复振幅分布为：再现光波的复振幅分布为：干板上透过率表达式再现光表达式 U(x, y) = C0(O02 + R02) expjf fc(x, y)+C0O0R0expj(f fof fr+f fc)+C0O0R0exp- -j(f fof fr+ +f fc) 与再现光相似与再现光相似包含物的位相信息包含物的位相信息包含物的共轭位相信息包含物的共轭位相信息三、全

5、息图的分类1、共轴和离轴全息图 1共轴，其余离轴2、平面全息图和体积全息图 1、2平面，3、4体积3、第4位置叫反射全息图，可以白光再现。参考光物光4、 吸收全息图和相位全息图相位全息图的优点在于具有很高的衍射效率，理论上可以达到100，实际上可以达到30，而吸收全息图只有6左右。因此制作相位全息图可以提高再现像的亮度。方法：将吸收全息图通过漂白处理转变为浮雕型全息图，或者折射率型全息图。5、像全息像全息图也可以用白光再现7、彩虹全息像全息的一种特例8、彩色全息人类视觉模型v在色度学中三原色波长由国际照明委员会制定标准1931CIERGB系统为： 红（6452nm）、绿（5263nm）、蓝（4

6、444nm）。v彩色全息所用激光器：彩色全息选用的三原色激光波长连续激光器的一般波长反射全息图的形成反射全息图的形成四、全息技术的应用1、多幅全息高速摄影光电开关 多脉冲红宝石激光器扩束镜被摄物体干板2、微小粒子的测量3、全息干涉学的应用v 当一张全息图内储存有一个以上的光波动时，则在相干光的照明下再现被波动之间(或与其它由照明光源引起的位相相关的波动之间)会发生干涉。全息干涉学属于干涉学中的一个新分枝。（1）实时干涉法v将全息图片放回到它原来曝光时所在的位置，并用原来的参考光来照明。v透过全息干板观察原来的物体。v则虚像和实像重合。在张力作用下的金属叉上的实时干涉条纹在张力作用下的金属叉上的

7、实时干涉条纹子弹激起的冲击波2、双曝光干涉法将同一拍摄对象不同时刻的全息像记录在一个干板上用原来的参考光同时再现出不同时刻的物象这两个物象产生干涉现象，出现条纹条纹代表光程的变化3、全息干涉无损检测v假设：当物体内部存在缺陷时，在整体变形时，会产生局部畸变。v通过外力、加热、腐蚀产生整体变形。v采用实时全息干涉，或双曝光干涉法获得变形干涉条纹，并加以分析。v局部脱胶检测v压力传感器膜片检测v金属蜂窝蒙皮缺陷检测4、全息云纹干涉测量v十多年来云纹法在光测力学学科发展很快。v例如利用错位云纹干涉法，引入适当载波及相应的滤波、错位处理，可以实现二维位移导数分量的直接、同步测量。v还有偏振错位云纹干涉

8、可以消除面内位移条纹的干扰，从而得到清楚的面内位移导数场条纹图。v如果采用4000cymm的试件栅，使用微机处理数据，灵敏度可达纳米量级：5、光纤传感器v将光纤作为传感元件的一部分代替原干涉仪的一部分光路，可以发展为光纤传感器。v光纤传感器以单模光纤为基础。v与传统干涉仪相比，稳定性、抗环境干扰能力强，仪器体积小，使用方便。可用于位移、流体速度、压力力、磁场、温度的测量迈克尔逊光纤干涉仪光纤陀螺v1976年vvail提出了光纤陀螺的概念用长为580m的单模光纤，绕在直径D14cm的芯棒上，能测得的长期灵敏度为02。h，短期灵敏度可达002 。 h。二、激光诱导荧光法测量v荧光和荧光分析法v荧光

9、分析法的特点v激光诱导荧光法的应用一、荧光和荧光原理v 当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。v当采用某种波长的激发光线照射某些物质的时候，这些物质会发射出波长更长的光，而当激发光停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。v荧光分析是由试样溶液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量。v荧光分析的灵敏度一般都高过应用最广泛的比色法和分光光度法比色法及分光光度法的灵敏皮通常在千万分之几；而荧光分析法的灵敏度常达亿分之儿甚至有千亿分之几的。如果荧光分析法与纸层析或薄层层析等方

10、法结合进行，还可能达到更高的灵敏度。荧光的产生吸收光谱和荧光光谱能级跃迁示意图v产生荧光的过程和条件荧光物质产生荧光的过程可以分为这样四个步骤：1处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照射，吸收了和它具有的特征频率相一致的光线，跃迁跃迁到第一电子激发态的各个振动能级。 2被激发到第一电子激发态的各个振动能级的分子，通过无辐射跃迁无辐射跃迁，降落到第一电子激发态的最低振动能级；3降落到第一电子激发态的最低振动能级的分子继续降落到基态的各个不同振动能级降落到基态的各个不同振动能级，同时发射出相应的光量子这就是荧光：4到达基态的各个不同振动能级的分子再通过无辐无辐射跃迁射跃迁最后回到基态的最

11、低振动能级基态的最低振动能级。硫酸奎宁的激发光谱及荧光光谱硫酸奎宁的激发光谱及荧光光谱蒽的激发光谱（虚线）和荧光光谱（实线）蒽的激发光谱（虚线）和荧光光谱（实线）荧光光谱荧光光谱 S0S1*激发光谱激发光谱 产生荧光的条件v具有和激发光相对应相对应的电子能级差。v具有比较高的荧光效率荧光效率荧光效率(fluorescence efficiency) 荧光量子产率荧光量子产率(fluorescence quantum yield)吸收激发光的光子数发射荧光的光子数f物物 质质 f溶溶 剂剂荧光素钠荧光素钠0.92水水荧光素荧光素0.65水水蒽蒽0.30乙醇乙醇菲菲1.00乙醇乙醇 第三节第三节

12、定量定性分析方法定量定性分析方法 一荧光强度与物质浓度的关系一荧光强度与物质浓度的关系IoIF荧光强度正比于荧光物质吸收的荧光强度正比于荧光物质吸收的光强度，光强度，F(Io I)F = K(Io I) I = Io10-ECL K为常数，取决于荧光效率，为常数，取决于荧光效率， Io-入射光强度，入射光强度，I-透射光强透射光强度，度，C-溶液浓度，溶液浓度，L-液层厚液层厚度度, E-物质吸光系数物质吸光系数当浓度当浓度C很小，很小，ECL也很小，也很小，ECL0.05, 上式中第二项上式中第二项后可以忽略，后可以忽略，F = 2.3KIoECL = KC，在低浓度时，荧光，在低浓度时，荧

13、光强度与溶液中荧光物质浓度呈线性关系。强度与溶液中荧光物质浓度呈线性关系。 ECL0.05，荧光强度与溶液中荧光物质浓度不呈线性，荧光强度与溶液中荧光物质浓度不呈线性关系。关系。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、荧光分析法的特点v荧光分析的灵敏度一般都高过应用最广泛的比色法和分光光度法比色法及分光光渡法的灵敏度通常在千万分之几；而荧光分析法的灵敏皮常达亿分之儿甚至有千亿分之几的。v荧光分析法的另一优点是选择性高。v荧光分析法也有它的不足之处主要是指它比起其它方法来说应用范围还不够广泛。因为有许多物质本身不会产生荧光。三、激光诱导荧光法的应用1、测量燃烧火焰中的OH基浓度参数：波长283nm脉冲宽度5ns能量7mj/pulse激光诱导荧光法的应用火焰自发光图像LIF图像v遥感激光荧光雷达0号柴油的荧光v喷雾浓度测量方面的应用燃烧定容装置原理图荧光剂：奈、二甲基对苯二氨光学发动机喷雾粒子直径SMD分布测量激光诱导荧光法在发动机浓度场测量中应用的注意点v温度的影响，温度越高，荧光效率越低；v氧气的影响，氧气是荧光熄灭剂；v对于喷雾场浓度的测量，由于喷雾粒子对