基于对称的非对称双光束入射云纹干涉法.pdf

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基于对称的非对称双光束入射云纹干涉法

第 7卷 第 20期 2007年 10月 1671-1819( 2007) 20-5213-05 科 学 技 术 与 工 程 Sc ience Techno logy and Eng ineer ing Vo .l 7 No. 20 Oct. 2007 n 2007 Sc.i T ech. Engng. 物理学 基于对称的非对称双光束入射云纹干涉法 曹宇东 1, 2 王世斌 2 祁双喜 1 (中国工程物理研究院流体物理研究所 1,绵阳 621900;天津大学机械工程学院力学系 2,天津 300072) 摘 要 传统的云纹干涉法是采用双光束精确对称入射的方式。在云纹干涉法精调零场的基础上, 微旋一束入射光使双光 束呈现微小的非对称, 视场中出现稀疏的载波条纹。通过稀疏载波条纹在物体变形前后的变化对小应变进行直接分析, 形成 了一种基于对称的非对称双光束入射云纹干涉法。理论分析表明,该方法可近似给出全场诸像素点的正应变值;相对于传统 的云纹干涉法, 应变分析灵敏度大幅提高, 达到了微应变或亚微应变的量级, 应变测量精度有望得到改善, 使光测法研究微小 应变成为可能。 关键词 云纹干涉 非对称 稀疏载波条纹 小应变 灵敏度 中图分类号 O438. 1 O348. 12; 文献标识码 B 2007年 6月 29日收到 国防重点预研课题基金资助 第一作者简介:曹宇东 ( 1980) ) ,男,内蒙古赤峰市人,硕士,研究 实习员,研究方向:光力学及高能闪光照相光电接收技术研究。 E-m ai:l caoyudongw angtao@ 126. com, caoyudong@ eyou. com。 云纹法是 20世纪 60年代兴起的物体全场变形 的测量技术。80年代初,高频率光栅的制作技术日 趋成熟。D. Post将高密度衍射光栅技术引入光测 力学, 提出了云纹干涉法。此后云纹干涉法在国内 外迅速地发展起来。戴福隆教授利用波前干涉理 论,科学地解释了云纹干涉法的基本原理 [ 1] , 为云 纹干涉法的发展奠定了理论基础。迄今为止,云纹 干涉法在基本原理、实验技术和测量精度等方面都 得到了很大的改善和发展 [ 2) 6 ] 。云纹干涉法主要用 于物体面内位移场的测量, 具有灵敏度高、条纹清 晰、空间分辨率高、信噪比高、变形测量范围大、非 接触和实时全场观测等优点。它在复合材料力学、 断裂力学、细观力学、微电子封装等诸多方面都获 得成功的应用。随着科学工程技术发展的需要,云 纹干涉法必然会为各领域的变形测量提供有效的 实验研究手段。并对实验力学等相关学科的发展 起到积极的推动作用。 对于应变测量, 与电测法相比, 光测法的缺点 在于它的应变测量精度不够高。云纹干涉法的应 变测量精度一般为 10 2 LE量级, 这个精度要低于电 测法的精度 (几个微应变 )约 2个量级, 不能满足微 小应变测试的要求。对传统云纹干涉法中对称入 射的双光束 (虚栅 ), 人为地加入微小的偏角, 使双 光束变为非对称,就形成了一种基于对称的非对称 双光束入射云纹干涉测量方法。这种方法可实现 对变形物体应变的直接测量。理论分析表明, 该方 法灵敏度很高, 有望提高应变测量的精度, 使光测 法研究微小应变成为可能。 1 双光束对称入射云纹干涉法 云纹干涉法是利用光的衍射和干涉原理, 将两 束波长为 K的相干平行光对称照射到频率为 f s光 栅上。据光栅方程: sinHn + sinA= nf sK ( 1) ( 1)式中 Hn为 n级衍射角, A为入射角。当光线传 播方向在光栅平面法线的逆时针方向时, 其传播角 为正号,反之取负号。 要使两束对称入射的相干平行光 ? 1级衍射光 在光栅平面的法线方向传播, 进而发生干涉, 入射 角 ? A与光栅频率 f s的关系为: sinA = - sin(- A) = Kf s (2) 图 1为双光束对称入射云纹干涉法原理图,两 束入射光 A、B的 ? 1级衍射光均沿光栅表面的法线 方向传播,衍射光波仍为平面波。两入射光的夹角 为 2A,它们的干涉条纹的频率为 f = 2sinA K 。光栅贴 在试件上形成试件栅 (实栅 ),对比可知, f = 2f s。 图 1 双光束对称入射云纹干涉法原理 试件形变测量光路如图 2所示, P、Pc分别为形 变前后试件上的对应点, A、B、R为变形前的入射光 和衍射光, Ac、Bc、R c为变形后的入射光和衍射光, A 为入射光的入射角,入射光束在 XZ平面内, U、W为 变形前后试件上 P点在 X、Z方向的位移。 图 2 面内位移测量示意图 试件变形前,两束衍射光均为平面波,分别记为: A = aexp( iU01 ), B = a

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