【正文】 波電路、信號(hào)抬高放 大電路后就得到了與相位差成正比的電壓信號(hào)。 光外差干涉技術(shù)可以用于測(cè)量象平面上每一點(diǎn)的光程差 (OPD)值，這就是說，當(dāng)探測(cè)器位于象平面上一點(diǎn)時(shí)就可獲得正比于該點(diǎn) OPD的電壓，這種系統(tǒng)不記錄條紋，而是把象面上每點(diǎn) OPD值直接輸給計(jì)算機(jī)處理。圖 ，以說明外差相位測(cè)量原理。設(shè)測(cè)試光路和參考光路的光波頻率分別為ω和ω +Δω，則干涉場(chǎng)的瞬時(shí)光強(qiáng)為由于光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光頻ω，它不能跟隨光頻變化，所以式中含有 2ω的交變項(xiàng)對(duì)探測(cè)器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。干涉場(chǎng)中某點(diǎn)（ x， y）處光強(qiáng)以低頻Δω 隨時(shí)間呈余弦變化。頻帶寬度的光電探測(cè)器上合成，探測(cè)器響應(yīng)是電場(chǎng)強(qiáng)度和的平方，表示為： ? ? ? ? ? ?? ?? ? 2,c o sc o s, yxtEtEtyxI rr ???? ????? ? ?? ? ? ?? ?? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?yxtEEyxtEEyxtEtEtrtrtr,c os,2c os,2c os1212c os121 22??????????????????????? () ? ? ? ?? ?yxtEEEEtyxi trtr ,c o s22, 22 ?? ????? () ? ?? ???? t tt Lv d tdtvf d t 0 00 222 ???? () ? ?????? t f d tNL 022 ?? () 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁 共 38 頁 由于是利用物體表面反射的光通過棱鏡后產(chǎn)生的微小剪切量形成散斑干涉圖，不需要參考光路，因此外界干擾的影響小，檢測(cè)時(shí)不需要防震工作臺(tái)，便于在現(xiàn)場(chǎng)使用。隨著激光散斑測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，采用 CCD攝像機(jī)輸出干涉圖像信號(hào)，省去了顯影、定影等繁雜的濕處理程序，大大提高了檢測(cè)效率，同時(shí)可直接將輸出的數(shù)字化信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接，自動(dòng)處理，并可在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)觀察到干涉圖形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分方便。是將激光超聲加載到高頻范圍內(nèi)處理 , 避開低 頻 1/f 噪聲的干擾。但激光超聲信號(hào)的幅值強(qiáng)度很小 (其位移幅值一般在微米量級(jí) ), 通常的外差干涉系統(tǒng) , 因使用的光學(xué)器件較多 , 會(huì)出現(xiàn)很多雜光 , 光路噪聲大 , 信噪比低。差頻信號(hào)是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)。 光外差檢測(cè)優(yōu)勢(shì) （一）光外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。 （二）光外差檢測(cè)器輸出電流振幅為 LSLsm PPkAkAI 2?? () 式中 LS PP, ，分別為信號(hào)光功率和本振光功率。 激激 光光 器器 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 處處 理理 1/4波波 片片 準(zhǔn)準(zhǔn) 直直 系系 統(tǒng)統(tǒng) 可可 動(dòng)動(dòng) 角角 隅隅 棱棱 鏡鏡 檢檢 偏偏 器器 v 探探 測(cè)測(cè) 器器 前前 置置 放放 大大 器器 f2 f1 f1177。177。 ΔΔ f f2 f1 f2 f1177。177。 ΔΔ f 圖圖 雙雙 頻頻 激激 光光 器器 外外 差差 干干 涉涉 測(cè)測(cè) 長(zhǎng)長(zhǎng) 原原 理理 圖圖 偏偏 振振 分分 光光 鏡鏡 f2－－ f1 f2－－ （（ f1177。177。 ΔΔ f）） 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22 頁 共 38 頁 在直接檢測(cè)中，輸出信號(hào)電流的振幅為 ss kPI ? () 外差轉(zhuǎn)換增益為 SLsLSsmi PPPk PPkIIG 44 22222 ??? () 由上述推到我們可以發(fā)現(xiàn)在光外差檢測(cè)中，本機(jī)振蕩光功率 LP 比信號(hào)光功率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá) 107 ~ 10 8 。由此看出，外差檢測(cè)靈敏度比直接檢測(cè)靈敏度高 107 ~ 10 8 倍。 （三）光外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。 如果取差頻信號(hào)寬度ω c / 2π =ω Lω s /2π為信息處理器的通頻帶Δ f，那么只有與本機(jī)振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光可以進(jìn)入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號(hào)處理器濾掉。因此，光外差檢測(cè)系統(tǒng)中不需要加光譜濾光片，其效果甚至比加濾光片的直接檢測(cè)系統(tǒng)還好得多。 （四）外差檢測(cè)抗干擾性強(qiáng) 如果入射到探測(cè)器上的光場(chǎng)不僅存在信 號(hào)光波 Ps，還存在背景光波 Pb，輸出信噪比為 bSbSLbLSns AAPPPPk PPkII ??? 22 () 上述說明外差探測(cè)的輸出信噪比等于信號(hào)光波和背景光波振幅的比值，輸人信噪比等于輸出信噪比，輸出信躁比沒有任何損失。 但是，當(dāng)本振光功率足夠大時(shí)，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲。本振光功率繼續(xù)增大時(shí)，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲隨之增大，從而使光外差探測(cè)系統(tǒng)的倍噪比降低。所以，在實(shí)際的光外差探測(cè)系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn) 換增益。 （五）穩(wěn)定性和可靠性較高即使被測(cè)參量為 0，載波信號(hào)仍保持穩(wěn)定的幅度。 本章小結(jié) 綜上所述，外差干涉技術(shù)具有很高的空間分辨力，理論值達(dá)λ／ 1000。因此，必須設(shè)計(jì)一套與之相匹配的高精度相位檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)采用的數(shù)據(jù)處理方法及所需清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 38 頁 的光電器件不同，可采用軟件取值法與硬件取值法來獲得高精度相位信息。 研究結(jié)果表明，該電路是成功的，其相位檢測(cè)精度優(yōu)于 λ ／ 1000。需指出的是利用該套電路的相位檢測(cè)范圍為士 2π若要擴(kuò)大量程可采用分頻的方法來實(shí)現(xiàn)，在信號(hào)進(jìn)行檢相器之前先進(jìn)行 N次分頻，則可擴(kuò)大量程至士 2Nπ。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁 共 38 頁 4 光外差干涉法檢測(cè)激光超聲的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 在常規(guī)超聲檢測(cè)中，超聲波是由壓電或壓磁換能器產(chǎn)生的 , 其帶寬有限 , 只能在固體或液體中傳播，檢測(cè)時(shí)通常必須用耦合劑與被測(cè)樣品耦合。而自 20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來的激光超聲技術(shù)，因其頻帶較寬，模式多樣，具有很高的時(shí)間空間分辨率，在無損探傷領(lǐng)域得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個(gè)重要分支。對(duì)于激光超聲的檢測(cè) , 目前多用光學(xué)方法檢測(cè)。通常把光學(xué)法檢測(cè)超聲分為兩大類 。 一類是光學(xué)非干涉法 , 如狹縫法、刀刃法等 。 另一類為光學(xué)干涉法 , 主要包括外差干涉法、差分干 涉法和多光束干涉法等。比較常用的是外差干涉的方法 , 其最大的特點(diǎn)是將激光超聲加載到高頻范圍內(nèi)處理 , 避開低頻 1/f 噪聲的干擾。但激光超聲信號(hào)的幅值強(qiáng)度很小 (其位移幅值一般在微米量級(jí) )，通常的外差干涉系統(tǒng) , 因使用的光學(xué)器件較多，會(huì)出現(xiàn)很多雜光 , 光路噪聲大，信噪比低?；诖?，本文中采用了線偏振光作為光源，改善了傳統(tǒng)的干涉光路系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)得到了較好的外差干涉信號(hào)，很大程度上提高了信噪比，改善了系統(tǒng)整體性能，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適合于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行激光超聲探測(cè)方面的研究。 聲光調(diào)制 聲 光調(diào)制器原理 聲光調(diào)制 (AOM, Acoustooptical Modulators)是一種外調(diào)制技術(shù)，通常把控制激光束強(qiáng)度變化的聲光器件稱作聲光調(diào)制器。 聲光調(diào)制技術(shù)比光源的直接調(diào)制技術(shù)有高得多的調(diào)制頻率；與電光調(diào)制技術(shù)相比，它有更高的消光比（一般大于 1000:1），更低的驅(qū)動(dòng)功率，更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和更好的光點(diǎn)質(zhì)量以及低的價(jià)格；與機(jī)械調(diào)制方式相比，它有更小的體積、重量和更好的輸出波形。 聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)和壓電換能器構(gòu)成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)源的某種特定載波頻率驅(qū)動(dòng)換能器時(shí)，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入 聲光介質(zhì)，在節(jié)奏內(nèi)形成折射率變化，光束通過介質(zhì)時(shí)即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產(chǎn)生衍射。聲波的應(yīng)變場(chǎng)也能改變某些類型晶體的折射率，由于聲波的周期性，會(huì)引起折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而對(duì)入射的光波產(chǎn)生清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 25 頁 共 38 頁 調(diào)制，這種調(diào)制稱為聲光調(diào)制。其工作原理簡(jiǎn)述如下圖所示。 圖 聲光調(diào)制工作原理圖 從上原理圖分析可知 ,激光光束射入有光調(diào)制器后如果入射角滿足布拉格衍射條件 ,即入射角等于布拉格角時(shí) ,通過聲光調(diào)制器后的激光束將產(chǎn)生一級(jí)光衍射。但是這 里有一個(gè)前提 ,此時(shí)必須在換能器上加入超高頻電壓 ,使聲光介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生超聲波 ,否則 ,衍射是不存在的 ,當(dāng)然也就不存在一級(jí)光了。因此 ,可利用換能器上超聲波電壓來控制一級(jí)衍射光。這樣就成為電 聲 光的轉(zhuǎn)換。即由聲光調(diào)制器的開關(guān)進(jìn)行調(diào)制?？傊?,聲光轉(zhuǎn)換及激光本身的特點(diǎn) ,可以用于各種測(cè)試、控制、輸出設(shè)備及儀器中。這里談及的超高頻電壓的大小與換能器上發(fā)出的超聲功率 是對(duì)應(yīng)的。在一定范圍內(nèi) ,超聲功率隨加入超高頻電壓的增加而增大 ,從而 ,衍射效率也隨之提高。因此 ,利用這一特性 ,可以使聲光調(diào)制器用作強(qiáng)度調(diào)制。 衍射模式有布拉格衍射和 拉曼 奈斯型衍射。上原理圖中激光腔外采用的聲光調(diào)制器為布拉格型。布拉格衍射時(shí) ,一級(jí)光衍射強(qiáng)度至關(guān)重要 ,其強(qiáng)度主要取決于衍射效率。衍射效率是一級(jí)光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比 ,其值由下式?jīng)Q定。 一級(jí)光衍射效率 ???????? ?????????? hlPvPn a2s in32602 ???? () 衍射角 sinθ d≈θ d=（λ 0/υ） f1 () 其中 f1 為超聲波衍射一級(jí)的頻率；λ 0 為光波長(zhǎng) ； V 為聲光介質(zhì)中的聲速；入射光 驅(qū)動(dòng)電源 一級(jí)衍射光 零級(jí)光 θ 0 θ 0 θ d 壓電換能器 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26 頁 共 38 頁 I1為一級(jí)光衍射強(qiáng)度； h 為聲光互作用寬（高）度； l/h 為為長(zhǎng)寬比； ? 介質(zhì)密度； M2 為聲光品質(zhì)因數(shù)； P 為介質(zhì)的光彈常數(shù)； Pa 為換能器發(fā)出的超聲功率；n 為介質(zhì)的折射率。當(dāng)外加信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電源作用到聲光器件時(shí)，超聲強(qiáng)度隨此信號(hào)變化，衍射光強(qiáng)也隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光的振幅或強(qiáng)度調(diào)制；當(dāng)外加信號(hào)僅為載波頻率且不隨時(shí)間變化時(shí)，衍射光的頻率發(fā)生變化而達(dá)到移頻。下圖 是以入射角 ?i 與超聲波產(chǎn)生的 衍射光 ，衍射角為的 ?d，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光的振幅或強(qiáng)度調(diào)制的 原理圖。 圖 聲光調(diào)制器 調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的另一個(gè)重要參量，它是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個(gè)重要指標(biāo)，它受布喇格帶寬的限制。對(duì)于給定入射角和波長(zhǎng)的光波，只有一個(gè)確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波場(chǎng)時(shí)，波束的有限角將會(huì)擴(kuò)展，因此，在一個(gè)有限的聲頻范圍內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。允許的聲頻帶寬與布喇格角θ B 的可能變化量之間的關(guān)系為 : BBs nvf ?? ? ??? c o s2 () 調(diào)制帶寬 ? ? Bsm vff ??? c o s221 0???? () 其中 w0為入射光束束腰半徑； D 為聲束寬度。 由上述可知，聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿國(guó)光束的度越時(shí)間（ w0/v）成反?i ?d ks 入射光 衍射光 L 聲表面波 轉(zhuǎn)換器 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 27 頁 共 38 頁 比，即與光束的直徑成反比。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散角不能太大，否則， 0 級(jí)和 1 級(jí)衍射會(huì)有部分重疊，降低調(diào)制的效果。又因?yàn)樽畲蟮恼{(diào)制帶寬近似等于聲頻率 fs 的一半。所以，大的調(diào)制帶寬要采