第一章 全息干涉计量技术

全息技术基本原理及双曝光全息干涉计量技术在微小位移测量上的应用姓名：郭昕学号：0508138摘要：介绍了光全息的特点及技术原理，以及阴谋功用领域。

通过对悬臂梁受力前后双曝光全息图进行再现，测量出干涉条纹序数与相对应的位置坐标，进而得到微小位移。

顺带测出材料的杨氏模量。

关键词：全息技术；记录与再现；双曝光全息图；悬臂梁；微小位移1．引言40多年来，全息照相已成为信息光学最活跃的领域之一。

各种类型的全息图、全息元件和设备、全息检测方法和显示技术都到了发展；各种全息记录材料和全息产品获得了应用；越来越多的科技工作者们建立起了全息实验室，并开展了大量的学术研究和应用探索。

尤其是近十多余来，全息技术的发展使全息产品走向产业化，并开始深入到人们日常生活领域。

正如美国商务通信公司(BCC)所预测：“全息照相术正以活跃、最新和增长最快的高级技术工业之一的姿态呈现于世界。

2．光全息的技术特点及原理普通照相是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度(即振幅)，将空间物体成像在—个平面上，由于丢失了光波的相位，以而失去了物体的三维信息。

如果能够记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，则可看到包含物体全部信息的三维像。

即使物体己经移开，仍然可以看到原始物体本身具有的全部现象、包括三维感觉和视差。

利用干涉原理，将物体发出的持定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都贮存在记录介质中，故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。

当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像。

这个波前记录和重现的过程称为全息术或全息照相。

2．1 全息照相技术的特点和优越性1. 全息照相最突出的特点为由它所形成的三维形象一张全息图看上去很象一扇窗子，当通过它观看时，物体的三维形象在眼前，让人感觉到形象就要破窗而出。

如果观察者的头部上下、左右移动时，就可以看到物体的不同侧面。

所看到的整个景像是那样的逼真，完全没有普通照片给予人们的隔膜感。

反射镜全息 干 版图14-1实验十四 全息干涉计量实验实验目的：1. 理解全息干涉计量的基本原理2. 掌握全息干涉计量的特点和基本方法实验原理：全息干涉计量是全息应用的一个重要方面。

其计量的精度与波长同数量级。

在检验光学元件、机械工件、风洞中的气流等方面有着广泛的应用。

全息干涉的基本方法有单次曝光、二次曝光、多次曝光、连续曝光、非线性记录、多波长干涉和错位干涉等。

1. 单次曝光法单次曝光全息干涉是先记录一标准波面（或初始物光波面）的全息图，然后用被测试的物光波面和参考光同时照射全息图。

使直接透过全息图的测试物光波面与再现的标准波面（或初始物光波面）相干涉。

这样，被测试的物体可以更换，这种方法也叫做实时法。

如图14-1所示，设用参考光波()[]y x j R y x R o ,exp ),(ϕ=r 和初始物光波()[]y x j O y x o o ,e x p ),(ϕ=o 记录一张全息图。

在线性记录的条件下，全息图的振幅透射系数H o H ββτ+=，H 为曝光量，对于负片β为负值，用β'-表示，此时振幅透射系数可写为：162354 [][])(exp )(exp )(22R o o o R o o o o o o H j R O j R O R O ϕϕβϕϕβββτ--'--'-+'-=[][])(exp )(exp πϕϕβπϕϕβ---'++-'+=R o o o R o o o j R O j R O C(14-1)其中)(22o o o R O C +'-=ββ,观察时用原参考光和被测试的物光波()[]{}),(,exp ),(),(y x y x j y x O y x o o o ϕϕ∆+='o (14-2)同时照射全息图时。

全息图衍射光波为[][])2(exp )(exp )exp(22πϕϕβπϕβϕ+--'++'+=R o o o o o o R o j R O j R O j CR i [][])2(exp )(exp 2πϕϕϕβϕϕ+-∆+'+∆++R o o o o o o o j R O j CO[])(exp R 2πϕϕβ++∆'+R o o o j O (14-3)式中第一、二、三项是用参考光照明时再现的零级和正、负一级衍射像；第四、五、六项是用被测试的物光波),(y x o '照明再现的零级和正、负一级衍射像。

激光全息干涉测量技术1 激光全息干涉测量技术发展史全息技术是英国科学家丹尼斯 盖伯（Dennis Gabor ）在1948年首先提出的。

但是直到1960年初，激光器的出现才为这种方法提供了适用的、具有足够相干性同时又具有高度单色性的照明光源。

1962年利思（Leith ）和厄帕特尼克斯（Upatnieks ）提出离轴全息图，全息术的研究进入了一个极为活跃的阶段，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。

光学全息术的发展到现在经历了三个阶段。

第一阶段是盖伯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轭像不能分离，以及没有理想的相干光源。

第二阶段是利用厄帕特尼克斯提出离轴全息图，把原始像和共轭像分离，同时激光器的出现为全息术提供了理想的光源。

这一阶段全息术在理论上建立了基础，在可能的应用方面作了大量的实验，取得了丰硕的成果，在全息记录材料方面也得到了相应的发展。

第三阶段是激光记录白光再现全息术，主要有反射全息图、像全息图、彩虹全息图及合成全息图，使全息术在显示方面展示其优越性。

反射全息图，特别是真彩色全息全息图一成为已成为一种高贵的艺术品，在科学技术上亦有较重要的应用价值。

浮雕彩虹全息图的研制成功，发展了全息图模压大批量复制技术，现已形成全息印刷产业。

经过近十几年的发展，全息术被应用于许多领域：如全息干涉计量、全息三维显示、全息显微术、光学信息编码存储、光学信息处理等等。

目前随着实时记录材料和性能优良的光聚合材料的发展以及全息术和光电技术，计算机技术相结合，全息术在科学技术上的应用也扩展到实时全息干涉自动测量、光学图像实时处理、光计算等新的应用领域。

一些有特殊功能的全息光学元件如光学互连元件、二元光学元件、多功能全息成像元件空间光调制器、空间滤波器等全息方法来制作有其优越性。

特别是计算机全息图的实现，补充了照相记录全息图的不足。

2 激光全息干涉测量原理全息技术分两步成像，即全息图的纪录和物光波的再现。

全息干涉计量全息干涉现象是人们在全息照相实践中发现的。

全息干涉计量双曝光法，即实时全息干涉计量法，在精密测量，无损检测，动态监控，生物技术等方面有着广泛的应用前景。

全息干涉计量又是科学技术上的一个新领域，涉及诸多相关学科技术。

本实验，光源采用连续波工作的激光器，摄取和再现被计量或监控物的静态形变状态。

重点了解全息双曝光技术的基本原理，主要特征和操作要领。

一、实验目的1．了解全息干涉计量的原理，有关应用及特点。

2．掌握全息干涉计量的双曝光法。

二、实验原理、应用及特点全息干涉计量是全息照相技术目前应用最广泛的应用领域之一。

它的基本原理是：借助全息干涉测量确定物体表面上的静态与动态的形变。

就是，将没有形变的物体表面形状在第一次曝光中记录在一张全息图上，再将变形的该物体的表面形状在第二次曝光中记录在同一张全息图上。

这种方法我们称为双曝光法。

在全息图再现时就必定同时出现两个有细微差异的物体表面图象。

在全息图上衍射的光互相重叠，并产生肉眼可见的干涉条纹，这些干涉条纹就是衡量物体表面形变的尺度。

利用全息干涉图能够记录物光相位的变动和光程的变动。

要是在形变的测量中，折射率是常数，光程的变动是由几何光程的变化而产生的干涉条纹。

但也可以反过来，使几何光程为常数，折射率变化。

具体操作可以这样来做，例如，将一物体放到一个玻璃容器中。

在做两次曝光时变换填充于容器内的气体，或改变压力（加温）。

这样，就会产生间隔可调的等高线；同样也可利用发射两种不同波长的一台激光器来达到。

在前面介绍的一个物体处在两种状态下通过两次曝光被记录在同一张感光材料上，物像再现时把这些变化状态同时再现出来。

在静态形变状态下光源可以采用连续波工作的激光器，而在动态形变一般就必须采用脉冲激光器。

下面再介绍全息干涉计量另一种叫瞬时观察法（实时法）。

在这种方法中是将初始状态物体利用全息技术拍摄下来，在经光化学显影、定影之后，将感光版再极精确地放回到原拍摄位置上，或将感光材料留在原处实现使显影、定影。

实验9 全息照相技术实验目的1．了解全息照相的基本原理。

2．观察全息照相的主要特点。

3．学习拍摄全息图与再现立体图像的方法实验仪器氦氖激光器及电源，防震台，分光镜，扩束镜，全反镜，干版架，带有磁铁的支架，全息干版和冲洗设备。

实验原理1948年，英国物理学家伽伯(D.Gabor，1900—1979)为了提高电子显微镜的分辨能力，发明了一种利用干涉和衍射和照相新技术。

他不是记录物体的平面影像，而是记录物体上各点光的完全信息——振幅和位相，因此后来称这种技术为全息技术。

由于当时没有强的相干光源，全息术在最初的十年间发展非常缓慢。

1960年高强度相干光源激光问世，1962年利思（E.N.Leith）等人利用激光做光源，成功地进行了三维物体光波波前的记录和重建，全息技术进入了迅速发展时期。

1971年伽伯也因全息术的发明而荣获诺贝尔物理奖。

现在，全息术已成为一门仍在不断发展的新技术学科，并得到越来越多的应用。

一全息照相的原理和方法全息照相是一种能够记录光波全部信息的新技术，它完全不同于普通的照相成像原理，而是采用一种无透镜的二步成像法进行拍摄和再现，其再现图像有许多优异的特点。

目前全息照相在干涉计量、信息存储、光学信息处理、无损检测、立体显示、生物学、医学及国防科研等领域中已经获得相当广泛的应用。

1．全息照相和普通照相的主要区别普通照相是运用几何光学中透镜成像的原理，把被拍摄物体的像成在一张感光底片上，冲洗以后，就得到一张记录了物体表面光强分布的平面图像。

像的亮暗和物体表面反射光的强弱一一对应，也就是说普通照相仅记录了物光中的振幅信息，不能反映出物光光波的位相信息，所以普通照片上像没有立体感。

而全息照相则是一种无透镜成像方法，它利用光的干涉原理在全息干版上记录被摄物体光波的全部信息——振幅和位相，所以称为全息照相。

全息照片再现时，所看到的物体是立体的，而且形象逼真。

2．全息照片的获得——光的干涉由惠更斯—菲涅耳原理可知，自物体散射（或透射）的光波可看作是由物体上的各物点（如几个物点）发出的球面波叠加而成，其表达式为：∑=-+=n i i i i i r t r A t r O 1)2cos(),(λπφω 其中：i r 表示自物体上第i 个物点发出的矢径，ω、λ为光波的圆频率和波长，i φ，i A 为第i 点发出光波的初位相和振幅。

全息干涉计量在工程断裂力学中的应用研究摘要：本研究通过实验和模拟方法，探讨了全息干涉计量在工程断裂力学中的应用。

首先，介绍了实验设计和数据采集方法。

然后，分析了干涉条纹，重建了位移场和应力场，并评估了断裂参数。

接着，以金属、复合材料和生物材料为例，展示了全息干涉计量在工程断裂力学中的应用效果。

最后，总结了研究成果，指出了研究不足和未来研究方向。

本研究证实了全息干涉计量在工程断裂力学中的应用潜力。

关键词：全息干涉计量；工程断裂力学；应用；结果与讨论引言：随着科学技术的不断发展，工程结构的复杂性和重要性日益增加，断裂力学作为一种研究材料裂纹扩展规律的学科，对于确保工程结构的安全运行具有重要意义。

全息干涉计量技术作为一种非接触式、高精度的测量方法，其在工程断裂力学中的应用具有显著的研究背景和意义。

一、全息干涉计量技术简介1.基本原理全息干涉计量技术的基本原理是基于光的波动性和干涉现象。

当两束相干光束相互干涉时，光场中的波动会相互叠加，形成干涉条纹。

通过测量这些干涉条纹，可以获取物体表面的位移场、应力场等物理信息。

全息干涉计量技术利用了光的波动性和干涉原理，可以实现对物体表面的高精度测量。

2.技术发展历程全息干涉计量技术的发展历程可以追溯到20世纪60年代。

最早的全息干涉技术是静态全息干涉，它需要拍摄两次全息图，并进行对比分析。

然而，这种方法无法应用于动态测量。

为了解决这一问题，研究者们发展了实时全息干涉计量技术。

实时全息干涉技术可以在短时间内获取大量的干涉条纹，从而实现对物体表面的实时测量。

随着激光技术、光学传感技术和计算机技术的发展，全息干涉计量技术的精度和应用范围得到了极大的提高。

3.技术优点和应用范围全息干涉计量技术具有以下优点：（1）高精度：全息干涉计量技术可以实现对物体表面的高精度测量，位移测量精度可以达到纳米级别。

（2）非接触式测量：全息干涉计量技术是一种非接触式测量方法，对被测物体无损伤，适用于各种材料。

全息干涉量度术全息干涉量度术全息干涉量度术正文进行高精度测量的主要光学方法之一。

能实现非接触的测量。

一般光学干涉量度只能测量形状比较简单、表面光洁度很高的零件，而用全息干涉计量方法则能将应用范围扩展到具有任意形状的三维漫射表面的物体。

无论其表面光洁度如何，都能相对分析测量到光学公差的精度。

由于全息图具有三维性质，使用全息技术允许从不同视角，通过干涉量度方法去考察一个形状复杂的物体。

因此全息干涉量度分析在无损检验、微应力应变测量、形状和等高线的检测、振动分析、高速光学等多种领域中已得到广泛的应用，并已解决了用其他手段难以解决的问题。

全息干涉量度，其操作的基本程序与全息记录相似，只是在记录时根据需要进行一次曝光(实时全息干涉法)、两次曝光（双曝光全息干涉法、夹层全息法）和连续曝光（时间平均全息干涉法）。

它们都是根据波面干涉原理，在再现象上出现一系列干涉条纹。

这些条纹代表了沿观察轴线方向的等位移轮廓线。

条纹间隔代表的位移量大致等于记录中所用相干光源波长的一半。

一次曝光全息干涉法它同光学干涉原理是一样的。

用一般全息术记录一张物体未经变形时的全息图。

再将这张全息图精确地放在原记录位置上。

由原参考光作照明光，让它在原物位置产生再现像。

被研究的物体在原来位置作微小变形，同时也用激光照明。

全息图衍射的原始物波和物体散射的物波会产生干涉条纹，条纹的形状就反映了物体的形变。

这种方法可以观察物体的形变过程，因此也叫实时全息干涉法。

二次曝光全息干涉法在同一张全息图上记录同一物体变形前后的二张全息图。

它记录了物体在不同时刻的二个波面。

再现时，二个波面之间产生干涉，称为两次曝光全息干涉。

通过条纹的计算，可以确定物体的形变和位移。

二次曝光全息将物体形变的二种状态冻结在全息图里，可以保存，在没有原物时也能再现这种变化。

但是一张全息图只能保留一种比较状态。

夹层全息用二张全息干板分别记录物体二个状态的物波信息。

记录时，用一对全息干板放在特制的可以精确定位的全息片架上。

第1篇一、实验目的1. 理解全息干涉测量原理，掌握其基本操作步骤。

2. 学习使用全息干涉测量技术进行物体形变和位移的测量。

3. 分析实验数据，验证全息干涉测量技术的准确性和可靠性。

二、实验原理全息干涉测量技术是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术。

其基本原理是利用参考光束和物光束的干涉，将物体的光波信息记录在全息干板上，通过再现光束照射全息干板，可以得到物体的三维图像。

实验中，我们使用二次曝光法进行全息干涉测量。

具体步骤如下：1. 将物体放置在载物台上，调整激光器和分束镜，使激光束分为两束：参考光束和物光束。

2. 首先记录物体的初始状态，即物体未发生形变时的全息图像。

3. 对物体施加外力，使其发生形变，再次记录物体的全息图像。

4. 通过再现光束照射全息干板，观察再现的干涉条纹，分析物体形变情况。

三、实验仪器1. 全息实验台2. 激光器3. 分束镜4. 反射镜5. 扩束镜6. 载物台7. 全息干板8. 显影及定影器材9. 凸透镜全息照相四、实验步骤1. 将全息干板放置在载物台上，调整激光器和分束镜，使激光束分为两束：参考光束和物光束。

2. 调整扩束镜，使激光束在载物台上形成圆形光斑。

3. 调整反射镜，使参考光束照射到全息干板上。

4. 将物体放置在载物台上，调整物体位置，使物光束与参考光束发生干涉。

5. 使用相机拍摄干涉条纹，记录物体的初始状态。

6. 对物体施加外力，使其发生形变。

7. 再次调整物光束，使参考光束和物光束发生干涉。

8. 使用相机拍摄干涉条纹，记录物体形变后的状态。

9. 通过再现光束照射全息干板，观察再现的干涉条纹，分析物体形变情况。

五、实验结果与分析实验中，我们选择了不同形状和尺寸的物体进行全息干涉测量，得到了一系列干涉条纹。

通过对干涉条纹的分析，我们可以得到物体形变和位移的信息。

1. 干涉条纹的间距反映了物体形变的大小。

当物体形变较大时，干涉条纹间距较大；当物体形变较小时，干涉条纹间距较小。

全息干涉的研究现状Introduction全息干涉是一种能够静态和动态的检查有粗糙表面的物体位移的技术，测量的精度可以达到光学干涉的精度（小于光线的波长）。

这种技术也可以用来检测透明介质中的光路长度的变化，因此可以显示并分析液体的流动。

它也可以用于产生物体表面的等高线。

目前这种技术被广泛的用于测量机械结构的应力、张力和震动情况。

全息干涉用于测量变形：利用全息照相获得物体变形前后的光波波阵面相互干涉所产生的干涉条纹图，以分析物体变形的一种干涉量度方法，是实验应力分析方法的一种。

采用全息照相术，能将沿同一光路而时间不同的两个光波波阵面间的相互干涉显示出来。

物体变形前，记录第一个波阵面；变形后再记录第二个波阵面。

它们重叠在全息图上。

这样，变形前后由物体散射的物光信息，都贮存在此全息图中。

将全息图用激光再现时，能同时将物体变形前后的两个波阵面再现出来，由于这两个波阵面都是用相干光记录的，它们几乎在同一空间位置出现，具有完全确定的振幅和相位分布，所以能够相干而形成明暗相间的干涉条纹图。

对于具有漫反射表面的不透明物体，条纹图表示物体沿观察方向的等位移线；对于透明的光弹性模型，例如有机玻璃模型，则表示模型中主应力和等于常数的等和线。

全息干涉法的主要内容是研究条纹图的形成、条纹的定位，以及对条纹图的解释。

常用的全息干涉法有：双曝光法又称两次曝光法。

在全息光路布局中，用一张全息底片分别对变形前后的物体进行两次全息照相。

实时法又称即时法。

用全息照相记录物体未变形时的散射光的波阵面。

将全息底片显影，就得到全息图。

均时法用全息照相对周期变化的物体长时间曝光以获得全息记录，又称时间平均法。

用全息图再现物光的波阵面，可将相位关系全部再现出来，所以能用再现的波阵面进行干涉测量。

在激光器出现以前，要用普通的光学干涉法对表面粗糙的物体进行三维测量是极其困难的。

若采用全息干涉法，就可实现分时干涉测量，换句话说，能使存在于不同时刻的波阵面之间的干涉显示出来。

全息干涉计量课件 (一)全息干涉计量课件是计量学科中的一种新型技术，它利用全息图中的干涉条纹进行非接触式测量，具有高精度、高分辨率、高稳定性等诸多优点。

以下从定义、原理、应用等三个方面来探讨全息干涉计量课件的应用。

一、定义全息干涉计量课件是一种利用全息学原理测量物体形状、位移、变形、应力等物理量的技术。

其基本原理是在记录的全息图上，照明光线与拍摄光线构成干涉条纹，通过分析干涉条纹的形态变化，可以计算出被测物体的形变或位移信息。

二、原理全息干涉计量的原理是基于光的干涉原理，即在两束光线相遇的区域内，光的电场会相互干涉，形成一组干涉条纹。

如果其中一束光线在透过物体时发生相位变化，则会在全息图上留下对应的干涉信息。

通过分析这些干涉条纹的形态变化，可以得到被测物体的形状、位移等信息。

三、应用全息干涉计量课件广泛应用于制造业、航空航天、建筑工程、地质勘探等领域。

具体应用包括以下几个方面。

1.形状测量：全息干涉计量可以实现高精度的物体形状测量，应用于汽车、飞机、船舶等大型机械的形状检测。

2.位移测量：全息干涉计量可以实现微小位移的测量，应用于地质、隧道、桥梁等工程结构的位移监测。

3.变形测量：全息干涉计量可以实现复杂形变的测量，应用于建筑结构受力行为的研究。

4.应力测量：全息干涉计量可以实现应力分布的测量，应用于建筑、材料等领域的应力分析。

总结全息干涉计量课件是一种新型的光学非接触测量技术，具有高精度、高分辨率、高稳定性等优点。

其应用范围广泛，包括汽车、飞机、船舶、建筑、地质等行业领域。

在实际应用中，选择合适的光源、相机、光栅等装置以及采用适当的分析方法等是保证测量精度的重要因素。