【正文】 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。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。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。上原理圖中激光腔外采用的聲光調(diào)制器為布拉格型。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。因此 ,可利用換能器上超聲波電壓來控制一級(jí)衍射光。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(yè) 共 38 頁(yè) 調(diào)制，這種調(diào)制稱為聲光調(diào)制。 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。 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。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。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(yè) 共 38 頁(yè) 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。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。 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。177。177。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)。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??????????????????????? 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() 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 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。 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。所以，設(shè)計(jì)研制了硬件取值法來實(shí)現(xiàn)相位的高精度測(cè)量。軟件取值法主要是通過直接采樣干涉信號(hào)，然后通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理獲得相位信息。 使用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光 束反饋回激光器而對(duì)激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不大時(shí)，它對(duì)光程的影響也是產(chǎn)生效果中不能忽視的。 4） 聲光調(diào)制器 利用布拉格盒（ BraggCell）聲光調(diào)制器可以起到與移動(dòng)光柵同樣的移頻效果。 b) 如果圓偏振光通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)中的半波片，則透射光將產(chǎn)生兩倍于半波片旋轉(zhuǎn)頻率 f 的頻移，即 f2??? 。將兩信號(hào)相比，測(cè)出信號(hào)的過零時(shí)間差Δ t，便可知道二者的光學(xué)位相差 ? ? ? ? ? ?vttyxyx ??????? 12, 00 ???? () 由控制系統(tǒng)控制掃描探測(cè)器對(duì)整個(gè)干涉場(chǎng)掃描，就可以測(cè)出干涉場(chǎng)各點(diǎn)的位相差。 光 外差干涉 系統(tǒng) 中兩種不同頻率的光束可由兩只穩(wěn)頻的激光器提供，也可以利用磁光、電光、聲光效應(yīng)或旋轉(zhuǎn)光柵盤的衍射效應(yīng)提供。例如零差干涉測(cè)長(zhǎng) 系統(tǒng) 中，當(dāng)測(cè)量光束受外界干擾光強(qiáng)衰減50％時(shí)，就不易正常工作，而外差干涉測(cè)長(zhǎng) 系統(tǒng) 則可在光強(qiáng)衰減 90％時(shí)仍能正常工作，因此能用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并能測(cè)量較長(zhǎng)距離（大于 60 米）。被測(cè)物體的變化如位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、大氣擾動(dòng)等引起的光波相位變化或多普勒頻移載于此差頻上 ，經(jīng)解調(diào)即可獲得被測(cè)數(shù)據(jù)的 系統(tǒng) 。光頻移速率探測(cè)器 放大器 fsfL 信號(hào)光源 f1 f2 本振 光束 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁(yè) 共 38 頁(yè) 可經(jīng)接收頻差除以光往返時(shí)間測(cè)定 ,距離大于 l0km。 光外差探測(cè)系統(tǒng) 光學(xué)外差探測(cè)利用一個(gè)頻率與被測(cè)相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測(cè)元件（通常由光電導(dǎo)材料、光生伏打材料或光電發(fā)射材料制成）中與被測(cè)輻射混頻而產(chǎn)生差頻。光外差探測(cè)與直接探測(cè)相比較有許多優(yōu)點(diǎn)，在直接探測(cè)中由于光的振動(dòng)頻率高達(dá) 2 1013~ 1014Hz，振動(dòng)周期 T 為 5 1014 ~ 10 15 s (可見光到中近紅外 )，而探測(cè)器響應(yīng)時(shí) 間最短 110 s, 它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。 光 外差干涉 原理 光外差探測(cè)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)振、光譜學(xué)等方面都很有用。 光外差干涉測(cè)試技術(shù) 概述 由于單頻激光干涉儀的光 強(qiáng)信號(hào)及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號(hào)都是直流量，直流漂移是影響測(cè)量準(zhǔn)確度的重要原因，信號(hào)處理及細(xì)分都比較困難。 激光超聲技術(shù)是利用開關(guān)脈沖激光器發(fā)出的激光束照射被測(cè)物體，激發(fā)出超聲波，采用干涉儀顯示該超聲波的干涉條紋。利用光學(xué)方法探測(cè)材料表面的超聲振動(dòng)是一種新型的無損檢測(cè)手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)需要耦合劑的缺點(diǎn)，是真正意義上的清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁(yè) 共 38 頁(yè) 非接觸、寬帶檢測(cè)技術(shù)。 激光超聲的接收主要有傳感器檢測(cè)和光學(xué)法檢測(cè)兩類。 20世紀(jì) 30年代初磁粉探傷用以檢驗(yàn)航空鋼零件。常用的滲透液為含有有色染料或熒光的液體。材料中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形或相變等引起應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生應(yīng)力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。在超聲檢測(cè)中常用的超聲頻率為～ 5兆赫 (MHz)。若將受到不同程度吸收的射線投射到 X射線膠片上，經(jīng)顯影后可得到顯示物體厚度變化和內(nèi)部缺陷情況的照片。 目前用于無損檢測(cè)的方法很多。這些詞與前半部分結(jié)合后，形成的縮略語則分別是 NDI、 NDT 和 NDE，翻譯成中文就出現(xiàn)了無損探傷、無損檢查 (非破壞檢查 )、無損檢驗(yàn)、無損檢測(cè)、無損評(píng)價(jià)等不同術(shù)語形式和寫法。 在我國(guó)，無損檢測(cè)一詞最早被稱之為探傷或無損探傷，其不同的方法也同樣被稱之為探傷，如射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷等等。在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過其融化溫度，產(chǎn)生的是短時(shí)膨脹過程，與該膨脹相關(guān)的應(yīng)力波絕大部分在彈性范圍內(nèi)，該方式稱為熱彈效應(yīng)。 本章小結(jié) 當(dāng)激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時(shí)，部分會(huì)轉(zhuǎn)移到材料本身并以熱能和超聲源 固體 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 應(yīng)力波動(dòng)能的形式表現(xiàn)出來。 圖 激光激勵(lì)方式 試驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述課題研究的激光激勵(lì)方法可以較好地在復(fù)合材料中激發(fā)出超聲波。在熱彈效應(yīng)區(qū)內(nèi)，激光清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁(yè) 共 38 頁(yè) 產(chǎn)生的應(yīng)力波大小與吸收光的能量成正比，在能量分布均勻的情況下，可用一維模型來描述激光在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力σ。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，還能通過改變諧振腔長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波 Nd:YAG 激光介紹 Nd:YAG 為其英文簡(jiǎn)化名稱，來自 (Neodymiumdoped Yttrium Aluminium Gar。熱彈機(jī)制由于對(duì)表面無損傷，且能產(chǎn)生各種波形，所以現(xiàn)在用得最多。 （ 2）燒蝕機(jī)制 當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時(shí)，材料表層的瞬態(tài)升溫將逐步導(dǎo)致材料的熔化、汽化和形成等離子體。由于激發(fā)功率的密度較低，表層的局部升溫沒有導(dǎo)致材料的任何相變，因而具有嚴(yán)格無損檢測(cè)的特點(diǎn)。 激光產(chǎn)生超聲的原理 利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類。有研究指出，振鈴計(jì)數(shù)、高幅度和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間信號(hào)，費(fèi)利西蒂比和恒載聲發(fā)射特性可作為評(píng)價(jià)材料中清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 損傷的判據(jù)。早在 80年代，杜邦公司就已應(yīng)用工業(yè) CT檢測(cè)金屬基復(fù)合材料。聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)法可以檢測(cè)出管子身部的嚴(yán)重疏松 (對(duì)一般疏松的檢測(cè)能力還有待進(jìn)一步試驗(yàn) )，但對(duì)裂紋缺陷很不敏感。在檢測(cè)時(shí)將管子裝在一個(gè)有兩個(gè)支點(diǎn)的支架上，用一個(gè)低頻敲擊 器周期性地敲擊管子。測(cè)量超聲衰減的技術(shù)通常有試件背面回波法、穿透法和反射板法 (兩次穿透法 ) 等。通常對(duì)薄壁金屬管材都采用超聲反射法檢驗(yàn)，以水浸聚焦的方式進(jìn)行，需要昂貴的傳動(dòng)裝置。這種方法通常對(duì)其平面垂直于聲束的不連續(xù)性尤其敏感，因此特別適合于檢測(cè)復(fù)合材料中平行于試件表面的層狀不連續(xù)性。一般設(shè)定的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如 K=2（ K值根據(jù)厚度和寬度選擇）。這時(shí)在第二介質(zhì)中已沒有 縱波，只有橫波。 （ 3）表面波在不同固體的介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆曀俨煌? 超聲波的波型與聲速 （ 1） 縱波 （ L） 縱波定義為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播在水平方向上的超聲波。 超聲波的特點(diǎn) （ 1）有良好的指向性； （ 2）能量高； I1/I2=1MHz2/1KHz2=100萬倍。我們能夠聽到聲音是因?yàn)槁暡▊鞯搅宋覀兊亩鷥?nèi)，聲波的頻率在 20HZ～ 20200HZ，頻率低于或超過上述范圍時(shí)人們 無法聽到聲音，頻率低于 20HZ的聲波稱為次聲波，頻率超過 20200HZ的聲波稱為超聲波?？v波傳導(dǎo)時(shí)，每個(gè)粒子都在平行于波動(dòng)前進(jìn)方向上振動(dòng)，呈現(xiàn)交替密集或稀疏的變化，在超聲波探傷中最常用。主要由頻移裝置，連續(xù)激光器，分光鏡，反光鏡，激光超聲源 ，光電探測(cè)器，信號(hào)處理器，示波器等部分組成。 然后 激光 介紹了 產(chǎn)生超聲波的方法 技術(shù)，重點(diǎn)介紹了 利用 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波的工作 原理 如 熱彈機(jī) 理 、燒蝕機(jī) 理 及其特點(diǎn) 。 課題內(nèi)容 通過對(duì) 激光激勵(lì)超聲波的 基本概念、 Nd:YAG 激光器激勵(lì)超聲波的工作 原理、光外差干涉的原理和測(cè)量方法、 聲光調(diào)制器的工作原理及使用方法等的掌握， 以此為基礎(chǔ)構(gòu)成光外差干涉檢測(cè)激光超聲波的裝置，從而達(dá)到利用光外差干涉技術(shù)對(duì) 激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行研究的目的。目前，激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料的缺陷探測(cè)和定位，內(nèi)部損傷過程監(jiān)測(cè)和斷裂機(jī)理研究等工程領(lǐng)域中。被測(cè)件的最大允許尺寸也往往受到一定限制，因而還難于實(shí)現(xiàn)一般的工業(yè)使用。采用電磁聲換能器 (既 AT)并配上適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高溫下的非接觸式檢測(cè) [13]。然而當(dāng)溫度升高時(shí)，大多數(shù)耦合劑將汽化，失去粘性并產(chǎn)生化學(xué)變化，從而使得超聲檢測(cè)變得十分困難。利用激光激發(fā)可以重復(fù)產(chǎn)生很窄的超聲脈沖，在時(shí)間和空間均具有極高的分辨