全息干涉法

1965年，R.L.鮑威爾和K.A.斯特森用波陣面再現干涉現象分析振動問題，開始了全息干涉法的實驗研究。當時，他們偶然發現了疊加在全息圖上的“黑帶”，認為它和拍攝全息圖時物體的微小位移有關，就利用這些干涉條紋分析物體的振型。從此，全息干涉法作為一種新的干涉量度方法迅速發展起來。

採用全息照相術，能將沿同一光路而時間不同的兩個光波波陣面間的相互干涉顯示出來。物體變形前，記錄第一個波陣面；變形后再記錄第二個波陣面。它們重疊在全息圖上。這樣，變形前後由物體散射的物光信息，都貯存在此全息圖中。將全息圖用激光再現時，能同時將物體變形前後的兩個波陣面再現出來，由於這兩個波陣面都是用相干光記錄的，它們幾乎在同一空間位置出現，具有完全確定的振幅和相位分佈，所以能夠相干而形成明暗相間的干涉條紋圖。對於具有漫反射表面的不透明物體，條紋圖表示物體沿觀察方向的等位移線；對於透明的光彈性模型，例如有機玻璃模型，則表示模型中主應力和等於常數的等和線。全息干涉法的主要內容是研究條紋圖的形成、條紋的定位，以及對條紋圖的解釋。常用的全息干涉法有：

雙曝光法又稱兩次曝光法。在全息光路布局中，用一張全息底片分別對變形前後的物體進行兩次全息照相。這時，物體在變形前後的兩個光波波陣面相互重疊，固定在一張全息圖中。如全息圖用拍攝時的參考光照明，再現的干涉條紋圖即表徵物體在兩次曝光之間的變形或位移。雙曝光全息干涉法是簡單易行的常用方法，可獲得高反差的干涉條紋圖。

實時法又稱即時法。用全息照相記錄物體未變形時的散射光的波陣面。將全息底片顯影，就得到全息圖。若把全息圖放在原來曝光時的位置並精確複位，再用拍攝時的參考光照射它，就能再現物體原來發射的光波波陣面。這時，如果物體仍處於原來的位置，且用激光照明時，由全息圖再現的光波波陣面，將和物體的散射光的波陣面完全重疊。值得注意的是，由全息圖再現的光波波陣面是已固定在全息圖中的“死”波陣面；而直接由物體散射的物光，其波陣面卻隨物體的變形(有位移或有應力)而變化，因而是一種“活”的波陣面。如果物體的變形很微小，則由於這兩個波陣面相互干涉的結果，將產生一組干涉條紋圖。物體表面位移每有變化，可變的波陣面即隨著改變，便可觀察到干涉條紋圖的變化。因此，通過觀察表徵物體的變形或位移的干涉條紋圖的變化，可實時觀察到物體出現的任何微小的變化。實時全息干涉法的優點是利用一張全息照片可以重複觀測物體變化的過程。如果一次觀測不清楚，還可以再來一次。缺點是底片的精確複位比較困難。但在大多數情況下，用此法與雙曝光全息干涉法相互補充，可節省大量的時間和底片。

均時法用全息照相對周期變化的物體長時間曝光以獲得全息記錄，又稱時間平均法。實際上，它是多次曝光全息干涉法的一種極限情形。正如拍攝鐘擺的照片時，採用了長時間曝光法，可明顯得到鐘擺在兩個極限位置的象。對於定常振動體，此法能將其兩個極限表面之間所有的連續過程的表面信息都記錄下來。把這幅全息圖再現時，所有這些表面散射的光波波陣面，將疊加成干涉條紋。振動體上振幅為零處的“波節點”顯現出清晰明亮的節線；其餘各點則隨振幅和相位的不同，形成和等幅線極其相似的條紋分佈。此法的優點是可以測量節線、振幅分佈、振型和振幅值。進行全息記錄時，只須採用連續波的激光器(如氦氖或氬離子激光器)，所用的技術也比較簡單。缺點是不能測量振動相位，干涉條紋的反差隨振幅的增加而急劇降低，以及可測的振幅範圍較窄。

用全息圖再現物光的波陣面，可將相位關係全部再現出來，所以能用再現的波陣面進行干涉測量。在激光器出現以前，要用普通的光學干涉法對錶面粗糙的物體進行三維測量是極其困難的。若採用全息干涉法，就可實現分時干涉測量，換句話說，能使存在於不同時刻的波陣面之間的干涉顯示出來。由於物光波陣面之間相互干涉時不需要基準波面，所以此法不受光學系統的象差等因素的影響。

全息干涉法是一種非接觸式的全場檢測方法，它對所測物體的工作條件和環境，如靜態載荷、動態載荷、高溫、高壓等，都沒有嚴格限制，並有較高的檢測靈敏度和精度（達到光波波長數量級）。全息圖再現時，由於物光波陣面的三維性質，可以從不同的視角對一個複雜的物體進行全息干涉量度。全息干涉法對所用的光學元件的質量和安裝調試的要求，也遠遠低於普通光學干涉法。

全息干涉法可應用於三維位移場的定量分析（見位移場全息干涉分析），應變和應力分析（見全息光彈性法），例如對精密機床的模型或實物的變形進行觀測研究；用均時法或頻閃法分析振型和振幅，如對渦輪葉片的振型（見圖）和螺旋槳振動問題的研究；測定裂紋張開位移和應力強度因子；研究材料的力學性能，例如測定受彎平板的泊松比；還可望對熱應力和殘餘應力的研究作出定量評價；在無損檢驗中，可用它檢測裂紋，這對於研究蜂窩板和輪胎一類的組合材料的內部缺陷，確是一種行之有效的檢測手段。全息干涉法是全息照相術最有成效的應用領域之一。脈衝全息術的發展，放寬了全息照相對於防震系統、試驗的環境和試驗條件的要求，因此，應用脈衝全息干涉法解決動態位移和應變的測量問題是大有前途的。

參考書目

C.M. Vest, Holographic　Interferometry,　John Wiley & Sons, New　York, 1979.