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波导腔叠像系统及其在数字全息检测的应用研究

作　者: 樊则宾
导　师: 李俊昌
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 激光光束均匀化波导腔叠像器数字全息波面重建大尺寸试件
分类号: TG665
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在激光材料处理及加工技术中,对激光光束的功率分布提出了较高的要求。为了实现对作用区域,激光能量的精确控制,通常希望获得矩形、均匀的激光功率分布,因此,研究激光光束的均匀化系统具有重要意义。方形波导腔叠像器具有结构简单,调节方便,能够获得边界整齐、方形分布、能量分布较均匀的光强分布。但由于激光的高相干性,不可避免伴随出现细密的干涉条纹,影响了这种系统的实际应用。如何减小和消除这些干涉条纹是一个值得研究的课题。本论文在研究方形波导腔叠像光学系统特性的基础上,提出了通过实时改变入射到波导腔叠像器入口处聚焦光点的空间位置,达到有效消除干涉条纹,提高光强均匀度的效果。通过平行板波导腔模拟实验,验证了该方法的可行性。在考虑光能的充分利用,系统便于冷却的要求,提出了在波导腔入口前面增加反射转镜和电光晶体的两种针对大功率激光光束均匀化的实用装置。近年来,随着微电子技术的飞速发展,CCD的分辨率越来越高,性价比进一步提高,这些技术的进步促进了数字全息技术的快速发展。数字全息检测技术具有非接触、灵敏度高,特别是可以实现全场检测的能力,因此备受人们的关注。目前在数字全息检测技术中,如何获得大尺寸、高质量的再现像,在彩色数字全息检测技术中如何获得尺寸统一的再现像都是研究的热点问题。本文从理论上对数字全息的可变放大率波面重建方法进行了深入研究,提出了通过频域滤波获得建立无干扰数字全息图,并将该方法用于彩色数字全息,形成彩色数字全息非插值干扰波面重建的算法,实验结果表明,再现像的质量明显改善,这为彩色数字全息技术应用于材料的无损检测提供了有益的参考。在数字全息实验中,通常是细光束经针孔滤波、扩束、准直后,变成平行光照射物体形成物光。然而,在试件尺寸较大时,必须将光束扩得很大才能照射到整个试件。由于激光束的光场分布是高斯或准高斯分布,扩束光斑的均匀性差这一弱点便显现出来。作者在对波导腔叠像器系统特性研究的基础上,在国内外首次提出将波导腔叠像器系统应用于反射式数字全息检测,即利用波导腔叠像器系统输出的矩形分布的均匀光斑照射漫反射物体,由于波导腔叠像器系统输出光斑上存在的细密干涉条纹的宽度为十几微米的数量级,而物光来自散射表面的漫反射,因此,干涉条纹不会对数字全息记录产生影响。由于物光场的均匀性明显提高,再现像的光强均匀度会更好,有利于后续通过图像处理提取测量信息,此外由于光斑区域外光强几乎为零,提高了光能的利用率,增强了物光信息,也有利于全息图的记录。为了验证以上设想,我们编制了模拟仿真软件,对物光的均匀化对再现像质量的影响进行了模拟仿真研究,模拟结果表明物光的均匀化对再现像的质量有显著影响。为了进行实验验证,我们自行设计制作了方形波导腔,并进行了数字全息对比实验。数字全息实验结果表明,物光的均匀性对再现物光的确有显著影响,经过波导腔叠像器均匀化系统输出的均匀光束作为物光照射物体可以获得比普通扩束光斑质量更高的再现物光场。波导腔叠像器系统输出光斑上存在的细密条纹不会对数字全息记录产生影响。为了证实波导腔叠像器系统确实可以应用于大尺寸物体的数字全息检测,并且可以获得比普通扩束光束照射质量更好的再现像及数字全息检测结果,论文作者自主设计、制做了两种大尺寸(约80mm)实验模型。模型采用不锈钢薄板经激光加工制成。一种是利用空气加压的立方体压力容器模型,另一种长方形容器在水的静压力下的形变模型。这两种模型的最大优点是在加、减载荷时装置具有极高的稳定性和重复性,并且两种模型的形变都是离面位移,边界处形变为零,对应于零级条纹,这两种模型还便于通过ANSYS模拟仿真进行结果比较。数字全息实验采用经波导腔叠像器系统输出的较均匀方形光斑照射实验模型,利用消零级可变放大率波面重建算法获得再现物光,再通过两幅不同载荷条件下物光的干涉形成形变场干涉条纹,根据干涉条纹得到形变场。结果表明数字全息检测的形变场的结果与ANSYS模拟仿真结果吻合甚好,表明了方形波导腔叠像器系统的确可以应用于数字全息检测。这一研究结果无疑将为大尺寸物体的数字全息检测提供了一种有效手段。最后,本文根据方形空气压力模型的最大挠度与材料的弹性模量、泊松比、厚度及长宽尺寸有关,且存在精确解析解这一事实,提出了一种测量板状金属材料弹性模量的新方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-17
  1.1 论文研究的背景  13-15
  1.2 课题研究的内容及成果  15-17
第二章光的衍射计算  17-31
  2.1 波函数的复数表示  17
  2.2 空间频率  17-19
  2.3 傅里叶变换的数学基础  19-20
  2.4 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射  20-23
    2.4.1 菲涅耳衍射  21-23
    2.4.2 夫琅禾费衍射  23
  2.5 菲涅耳衍射的快速傅里叶计算  23-31
    2.5.1 菲涅耳衍射积分的S—FFT算法  23-27
    2.5.2 菲涅耳衍射的卷积算法  27-31
第三章方形波导腔叠像器的改进  31-51
  3.1 激光光束整形技术概述  31-33
  3.2 矩形孔的菲涅耳衍射  33-35
  3.3 用菲涅耳函数表示菲涅耳衍射  35-36
  3.4 方形波导腔叠像器的衍射分析  36-40
  3.5 波导腔叠像器系统光强分布的几何光学分析  40-43
  3.6 有效消除波导腔叠像器干涉条纹的实验模拟  43-49
    3.6.1 实验装置及原理  43-44
    3.6.2 实验结果分析  44-48
    3.6.3 两种实用的光学装置形式  48-49
  3.7 本章小结  49-51
第四章数字全息理论及算法研究  51-83
  4.1 数字全息概述  51-54
    4.1.1 数字全息发展历程  51-53
    4.1.2 数字全息再现算法  53
    4.1.3 数字全息的应用领域  53-54
  4.2 点光源全息图的记录  54-58
    4.2.1 点光源全息图的记录  54-55
    4.2.2 点光源全息图的再现  55-58
  4.3 离轴数字全息及波前的1-FFT重建  58-67
    4.3.1 离轴数字全息记录系统  58-59
    4.3.2 数字全息图的记录及重建过程  59-64
    4.3.3 离轴数字全息系统的设计  64-65
    4.3.4 数字全息系统的优化模拟及实验研究  65-67
  4.4 S-FFT方法重建波前的噪声研究及消除  67-69
    4.4.1 数字全息图的衍射效率  67-68
    4.4.2 零级衍射干扰的直接消除  68-69
  4.5 可变放大率波面重建算法研究  69-75
    4.5.1 可变放大率波前重建算法  70-72
    4.5.2 可控放大率2-FFT波面重建实验  72-75
  4.6 可控放大率波面重建中零级衍射干扰的抑制  75-81
    4.6.1 球面波照射下数字全息图的频谱分析  75-76
    4.6.2 可变放大率波前重建方法的改进  76-77
    4.6.3 彩色数字全息实验  77-81
  4.7 本章小结  81-83
第五章波导腔叠像系统在数字全息中的应用  83-103
  5.1 问题的提出  83
  5.2 理论模拟研究  83-84
  5.3 数字全息实验验证  84-87
  5.4 两种实验模型的设计与制作  87-89
  5.5 两种实验模型的ANSYS仿真结果  89-96
    5.5.1 ANSYS有限元分析软件  89-92
    5.5.2 ANSYS分析结果  92-96
  5.6 两种实验模型的数字全息实验及结果分析  96-98
    5.6.1 实验光路及可变放大率波面重建  96-98
  5.7 实验结果比较分析  98-100
    5.7.1 空气压力容器的ANSYS仿真与数字全息检测结果比较  98
    5.7.2 水压容器ANSYS仿真与数字全息检测结果比较  98-99
    5.7.3 用千分表测量方形空气压力容器最大挠度  99-100
    5.7.4 一种测量板状金属材料弹性模量的新方法  100
  5.8 本章小结  100-103
第六章结论  103-105
参考文献  105-113
致谢  113-115
附录A (ANSYS仿真分析代码)  115-119
附录B (攻读博士学位期间发表论文清单及其它科研成果)  119-121
附录C (攻读博士学位期主持和参加科研项目情况)  121

波导腔叠像系统及其在数字全息检测的应用研究

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