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1、光折变全息干涉计量术及其应用3 范云正 (山东大学南校区数理系,济南 250061) 摘 要 光折变晶体是一种新型的记录材料,应用光折变效应,不需显影、 定影等复杂处理,可 实现实时观测。 探索了光折变实时全息干涉法在光学检测中的应用,提出实时监测火焰温度场的新 技术,阐述了有关的原理,从理论上推导了有关的实验参数和实验条件,介绍了实验的过程,分析了 最后得出的结果。 主题词 晶体 全息图 干涉测量 温度场 实时检测 HOLOGRAPHIC INTERFEROM ETRY USING PHOTOREFRACTIVE CRYSTALS AND ITS APPL ICATI ON Fan Yunz
2、heng (Department ofM aths2Physics, Shandong U niversity, Jinan) Abstract Photorefractive crystals(PRCs)are very prom ising recordingmaterials for holographic interferom2 etry, w ith which real2ti me testing can be realized since they dont need developing and fixing.The application of holographic int
3、erferometry using PRCs as real2ti me recording and reconstruction materials to optical testing has been investigated and the method for the distribution of the temperature field of an alcohol flame has been put for2 ward.The principles, the derivation of the parameters and conditions for experi ment
4、s, the experi mentalprocedure in detail and final results are presented. Keywords Crystal Holographic i mage Interferometry Temperature field Real2ti me testing 光学全息干涉计量技术因其对被测对象不产生 干扰,可实现全场、 定量、 快速和直观的无损检测,因 而得到广泛应用。 特别是小型半导体激光器的出现, 使其走出实验室成为实用的现场测试方法成为可 能。 但由于全息干涉记录材料的限制,使之不能实现 现场实时处理,因而不能实现实时观测。
5、在光学全息 干涉技术中采用光折变晶体代替感光胶片或干版作 为记录介质是近期国际上非常活跃的一个研究方 向,称为光折变全息干涉计量术1 5。采用光折变晶 体作为全息干涉记录介质有以下优点: 可实时记 录、 再现和擦除,不需要任何化学处理过程,可重复 使用,可实现现场实时检测。 全息图在晶体内的 存储时间可在一个很大范围内选择,通过选用不同 的光折变晶体或给晶体以不同的掺杂元素和浓度, 来改变全息图的存储时间,需要时还可以用电、 光、 热等方法在一些晶体中对全息图进行定影。 存储 3山东省科委资助项目 信息量大。 具有足够的灵敏度和很好的分辨力, 并且由于它主要是对激光敏感,所以可适应于外界 各种
6、光照的环境。本文旨在探索光折变实时干涉法 在光学检测中的应用,提出实时监测火焰温度场的 新技术。 1 实时全息干涉法介绍 1. 1 实时全息干涉法的基本原理 全息干涉计量技术的应用一般分两类,第一类 是用于测量漫射不透明物体的力学参数;第二类是 用于测量透射物体的力学和光学参数。当光束通过 一个透射物体,如光栅、 感光胶片、 全息照片或流场 等时,它的复振幅将发生改变。 光波的复振幅包含光 波的两个特征参量,即实振幅与位相。 因此透射物体 对光波的作用又可分为两种情况。如果透射物体仅 影响透射光的实振幅,这种物体被称为振幅物体,它 的振幅透过率是实数,例如吸收型的感光胶片;如果 透射物体仅影响
7、透射光的位相,则称之为位相物体, 135 第22卷第12期 2000年12月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 12 Dec. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 它的振幅透过率是复数。 在热物理的参数测试中,大 多数的实验对象是对光波透明的流场。它们对光波 的吸收作用甚微,即对光波振幅的影响常常可以忽 略。 它们主要改变透射光波的位相,因而常称之为位 相物体,如气流、 火焰、 等离子体等。 下面仅介绍位相 物体的全息
8、干涉计量术。 传统实时全息干涉法的基本原理是,首先记录 一张位相物体初始状态时物光波标准波面的全息 图,经显影、 定影处理后,将该全息图准确复位于光 路中的原来位置,然后用位相物体变化后的被测试 物光与参考光同时照射该全息图,使直接透过全息 图的测试物光波与全息图所再现的原始物光波相互 干涉,从而获得实时全息干涉图。 依据该干涉图上条 纹的变化情况确定被测定的物理量。但传统记录材 料不容易做到准确复位,而用光折变晶体则可避免 复位所带来的操作复杂和不能准确复位所产生的误 差。用光折变晶体作记录材料的光折变实时全息干 涉法和传统方法的原理类似,只是免去了显影、 定影 和复位的麻烦。其基本光路图如
9、图1所示。 图1 全息干涉法的原理图 1. 2 实时全息干涉法的数学描述 设位相物体未变化时的初始物光波O1和参考 光波R均为平面波。记录平面与物光波面相平行, 参考光波以一定角度入射记录平面。 因此,这两个光 波的实振幅和物光波的位相因子都不随x,y而变 化。它们的复振幅分别为 参考光波 R(x,y ) = Are- i5r(x,y) (1) 初始物光波 O1(x,y ) = A0e- i50 (2) 在线性记录的条件下,由上述两光波所记录的 全息图振幅透过率t(x,y)为 t(x,y ) = t0+A02+Ar2+O1R 3 (x,y ) + O13R(x,y ) (3) 式中 t0未曝光
10、时全息干版的透过率 曝光时间 全息感光度 3 共轭 若记录材料为光折变晶体,则 t0无光照时的晶体透过率 光照时间 晶体感光度 所以上式可写为 t(x,y ) = C+O1R 3 (x,y ) + O13R(x,y) (4) 式中 C=t0+(A02+Ar2) 实时观察时,用原参考光波R与位相物体变化 后的被测试物光波O2同时照射全息图。 由于是位相 物体,被测试物光波O2与原物光波O1具有相同的 实振幅,因此被测试物光波的复振幅O2(x,y)为 O2(x,y ) = A0e- i50+5(x,y ) (5) 式中 5(x,y)位相物体变化对光束干扰所产 生的附加位相差 实时再现时,在R和O2
11、两光波的照射下,全息 图衍射光波的复振幅为 Gt(x,y ) = R(x,y ) + O2(x,y ) t(x,y ) = CR(x,y ) + Ar2O1+O 3 1R 2(x ,y ) + CO2(x,y ) + O1O2R 3 (x,y ) + O13O2R(x,y ) = u1+u2+u3+u4+u5+u6(6) 式中 u1参考光R照射全息图时再现的零级衍 射象 u2,u3参考光R照射全息图时再现的正一 级和负一级衍射象 u4被测物光波O2照射全息图时再现的 零级衍射象 u5,u6被测物光波O2照射全息图时再现的 正一级和负一级衍射象 其中u2,u4(图 2) 代表了通过位相物体前后的
12、 初始物光波O1与被测物光波O2,此两项光波的传 播方向相同,且与其它光波的传播方向在空间上分 离,故可相互干涉。 它们形成的干涉条纹即为实时全 图2 实时全息干涉中各衍射光波分量的物理含义 235 范云正:光折变全息干涉计量术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 息干涉图。因此可单独考虑这两项。令叠加后的复 振幅A(x,y)为 A(x,y ) = Ar2O1+CO2(x,y)(7) 则所显示的实时全息干涉图的光强分布为 I(x,y )
13、 = A(x,y)A 3 (x,y ) = A02 2 Ar2+ C 2 + 2CAr cos( 5(x,y ) - ) (8) 由上式可知,在观察视场中光强是按余弦规律 变化,全息条纹的形状取决于位相物体变化前后两 物光波的位相差函数 5(x,y ), 当 5= (2m + 1) 时,光强呈极大值;当 5= 2m时,光强呈极小值。 这些条纹的变化情况反映了初始物光波O1和被测 物光波O2的位相差 5(x,y)的变化。 2 实验 2. 1 实验过程 实验光路图如图3所示。 其中,实验所用光源是 10mWHe2N e激光器, 1?2波片使得进入光学系统 的光为沿水平方向振动的线偏振光(对晶体为非
14、常 光e光 ); 待测物体放在P1面上,P2是空间频率谱 面,在此放置光折变晶体PRC;P3是输出面,它是 P1的象面,CCD相机放在此处。系统产生的全息干 涉图由CCD相机记录显示在监视器上,并由微机进 行数据处理 ; S 1和S2是两个快门,控制光的通过; A1和A2是两个光强衰减器,分别用于调节物光和 参考光的强度 ;M 1和M2是两个反射镜 ;L 1是一个 傅立叶变换透镜,其焦距f1= 312mm ,L2是一个短 焦距透镜,其焦距f2= 30mm;BE1为滤波扩束准直 器;BS为分束器,将激光器出射的激光分成物光和 参考光两束,在分束器后两光强度比约为1. 31; 所 用晶体是CeSB
15、N(尺寸为8mm5mm 4mm ), d为晶体的厚度,物光和参考光在晶体内发 生干涉,从而记录下全息图,它们在晶体前入射的夹 角约为25 。 图3 用光折变晶体的实时全息干涉光路图 实验开始时,在P1面上放置待测物体(我们用 的是酒精灯)。同时打开开关S1和S2,调节衰减器 A1和A2使物光波和参考光波的强度均达最大值, 调节物光波和参考光波的比值,使全息图的对比度 最好。记录下待测物平面P1的初始状态(酒精灯熄 灭状态)。然后,关闭S1,即此时无物光。将酒精灯点 燃,待稳定后,调节A2降低参考光的强度,使再现 物光波减弱,调节A2的同时,从监测器上观察物光 波的强度变化,直到减弱到刚好小于C
16、CD饱和强度 的1?4为止。 再打开S1调节A1物光波强度,同时从 监视器上观察干涉条纹的对比度变化,直至达到最 佳为止,此时,记录下全息干涉图(图 4) 。 图4 酒精灯火焰全息干涉图 2. 2 实验分析 在实验中,记录初始物光波的全息图后,降低参 考光的强度的主要目的有: (1)使所记录的全息干涉条纹亮纹强度不至于 使CCD达到饱和。 因为条纹强度饱和会对接下来要 进行的图象处理(条纹骨架抽取)和数据处理造成困 难和误差。 (2)减慢所记录的初始物光波的相位栅的擦 除,使它保留较长时间,以便实时观察测量。因为相 位栅的擦除时间与入射光强成反比,光强越强则擦 除越快,反之,则越慢6。 光路结
17、构中,P3是P1面的象,这样可以减少光 线经过温度场时,由于温度场的折射造成的光线弯 曲对三维折射率场再现造成的误差。 2. 3 数据处理及结果 由图4可以看出,全息干涉图的条纹有一定横 向宽度,这就为条纹位移量的准确测定带来了困难。 由于所用光折变晶体的前后面不严格平行以及实验 中的光散射、 气流扰动都会在光折变全息干涉图中 造成一些背景噪声和背景条纹,使得全息干涉条纹 加宽,不利于条纹级序的判别和计算。 因此在对干涉 条纹进行分析、 计算、 再现三维场分布之前,对其进 行一系列预处理,可得到图5。图中A,B,C是酒精 灯火焰的三个测量截面。可由这三个横截面上的折 射率场分布求得相应的温度场
18、。 利用预处理后的骨架图计算酒精灯火焰的三个 335 范云正:光折变全息干涉计量术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图5 预处理后的骨架图 横截面的折射率如图6所示。 图中,曲线A2A,B2B, C2C分别代表A,B,C三个截面的折射率分布曲线。 横轴r代表火焰场距其中轴线的轴向距离。由图可 见,对相同的r,B2B曲线上对应的折射率最小。而 A2A与C2C有两个相交点,对相同的r,在相交点以 外的区域,A2A曲线上对应的折射率较小;
19、而在相 交点以内的区域,C2C曲线上对应的折射率较小。 对 于A2A曲线,在火焰中心部分有一个向上的凸起, 即在这一区域,折射率随r的减小而增大。 在其它区 域(包括B2B和C2C曲线)折射率均随r的减小而 减小。这一结果和其它同类实验结果相一致7 8。 图6 三个不同水平截面上酒精灯火焰的折射率分布 A面距灯芯18mm B面距灯芯23mm C面距灯芯31mm 3 结论 本文采用光折变晶体作为记录介质实现了实时 全息干涉计量,并应用它来解决实际问题,实现了对 三维轴对称火焰温度场的实时观察和测量,并获得 了与理论预期相符的实验结果。这一技术与传统方 法相比有以下优点: 可实时观测干涉条纹及监测
20、 待测场。 由于物光波两次通过同一光路,光学系 统的不完善带来的误差可相互抵消,故降低了对光 路器件的要求。 可用小功率He2N e激光器实现。 操作简单、 省时,具有较高精度。因此,它在实践 中有较大的应用价值。本文也证明了光折变晶体在 实时干涉计量术中有较大应用潜力,类似的原理和 方法也可应用于光学测试与实时监控等其它领域。 参考文献 1 GeorgesM P, L enmaire Ph C. Holographic interferome2 try using photorefractive crystal:recent advances and applications . SP IE
21、, 1996, 2782(1): 476- 485 2 Rohleder H, Petersen PM , M arrakchiA. J Appl Phys, 1994, 76(1): 81- 86 3 Pouet B, Krishnaswamy S. Appl Opt, 1996, 35(2): 787 - 792 4 W ang X, Robert R M agnusson, Haji2Sherkh A. Real2 ti me interferometryw ith photorefractive reference holo2 gram s . ApplOpt, 1993, 32(6)
22、: 1983- 1986 5 GeorgesM P, L enmaire Ph C.Phase shifting real2ti me holographic interferometry that uses bismuth silicon ox2 ide crystals . ApplOpt, 1995, 34(32): 7497- 7506 6 刘思敏,郭 儒,凌振芳编.光折变非线性光学.北京:中 国计量出版社, 1992. 7 是度芳,唐 川,龙 飞.火焰温度场的全息干涉测量和 变换处理.华中理工大学学报, 1993, 21(增刊): 40- 43 8 周明轩,唐 川,是度芳.用FFT算
23、法计算轴对称火焰温 度的径向分布.华中理工大学学报, 1992, 20(4): 32- 36 收稿日期: 2000207226 书讯美国无损检测手册电磁卷 中译本已正式出版 美国无损检测手册电磁卷 中译本已正式出 版。该书内容范围极广,包含了涡流检测、 微波测试 和转向磁通检测的理论和应用,并论述了各种材料 和各种几何形状测试件的电磁检测。该书注重理论 联系实际,内容由浅入深,图文并茂,是无损检测人 员不可多得的参考书。 电磁卷每册80元,如需邮购另加15%邮费。请 欲购者速与我处联系,地址:上海市邯郸路99号,邮 编: 200437,电话: (021) 654207752311,传真: (021) 65449079211,开户行:上海工行虹口大柏分,帐号: 022320214409106,帐户:上海材料研究所,联系人: 王敏。(上海材料研究所发行处) 435 范云正:光折变全息干涉计量术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载
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