【正文】 又因為最大的調制帶寬近似等于聲頻率 fs 的一半。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。允許的聲頻帶寬與布喇格角θ B 的可能變化量之間的關系為 : BBs nvf ?? ? ??? c o s2 () 調制帶寬 ? ? Bsm vff ??? c o s221 0???? () 其中 w0為入射光束束腰半徑； D 為聲束寬度。對于給定入射角和波長的光波，只有一個確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。下圖 是以入射角 ?i 與超聲波產生的 衍射光 ，衍射角為的 ?d，實現了對激光的振幅或強度調制的 原理圖。 一級光衍射效率 ???????? ?????????? hlPvPn a2s in32602 ???? () 衍射角 sinθ d≈θ d=（λ 0/υ） f1 () 其中 f1 為超聲波衍射一級的頻率；λ 0 為光波長 ； V 為聲光介質中的聲速；入射光 驅動電源 一級衍射光 零級光 θ 0 θ 0 θ d 壓電換能器 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 26 頁 共 38 頁 I1為一級光衍射強度； h 為聲光互作用寬（高）度； l/h 為為長寬比； ? 介質密度； M2 為聲光品質因數； P 為介質的光彈常數； Pa 為換能器發(fā)出的超聲功率；n 為介質的折射率。布拉格衍射時 ,一級光衍射強度至關重要 ,其強度主要取決于衍射效率。 衍射模式有布拉格衍射和 拉曼 奈斯型衍射。在一定范圍內 ,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?？傊?,聲光轉換及激光本身的特點 ,可以用于各種測試、控制、輸出設備及儀器中。這樣就成為電 聲 光的轉換。但是這 里有一個前提 ,此時必須在換能器上加入超高頻電壓 ,使聲光介質內產生超聲波 ,否則 ,衍射是不存在的 ,當然也就不存在一級光了。其工作原理簡述如下圖所示。當驅動源的某種特定載波頻率驅動換能器時，換能器即產生同一頻率的超聲波并傳入 聲光介質，在節(jié)奏內形成折射率變化，光束通過介質時即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產生衍射。 聲光調制技術比光源的直接調制技術有高得多的調制頻率；與電光調制技術相比，它有更高的消光比（一般大于 1000:1），更低的驅動功率，更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和更好的光點質量以及低的價格；與機械調制方式相比，它有更小的體積、重量和更好的輸出波形?；诖耍疚闹胁捎昧司€偏振光作為光源，改善了傳統(tǒng)的干涉光路系統(tǒng)，實驗得到了較好的外差干涉信號，很大程度上提高了信噪比，改善了系統(tǒng)整體性能，而且結構簡單，成本較低，適合于實驗室內進行激光超聲探測方面的研究。比較常用的是外差干涉的方法 , 其最大的特點是將激光超聲加載到高頻范圍內處理 , 避開低頻 1/f 噪聲的干擾。 一類是光學非干涉法 , 如狹縫法、刀刃法等 。對于激光超聲的檢測 , 目前多用光學方法檢測。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 38 頁 4 光外差干涉法檢測激光超聲的設計和實現 在常規(guī)超聲檢測中，超聲波是由壓電或壓磁換能器產生的 , 其帶寬有限 , 只能在固體或液體中傳播，檢測時通常必須用耦合劑與被測樣品耦合。 研究結果表明，該電路是成功的，其相位檢測精度優(yōu)于 λ ／ 1000。 本章小結 綜上所述，外差干涉技術具有很高的空間分辨力，理論值達λ／ 1000。所以，在實際的光外差探測系統(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 換增益。 但是，當本振光功率足夠大時，本振光產生的散粒噪聲遠大于其他噪聲。因此，光外差檢測系統(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系統(tǒng)還好得多。 （三）光外差檢測對背景光有強抑制作用。 ΔΔ f）） 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 38 頁 在直接檢測中，輸出信號電流的振幅為 ss kPI ? () 外差轉換增益為 SLsLSsmi PPPk PPkIIG 44 22222 ??? () 由上述推到我們可以發(fā)現在光外差檢測中，本機振蕩光功率 LP 比信號光功率大幾個數量級，所以，外差轉換增益可以高達 107 ~ 10 8 。 ΔΔ f 圖圖 雙雙 頻頻 激激 光光 器器 外外 差差 干干 涉涉 測測 長長 原原 理理 圖圖 偏偏 振振 分分 光光 鏡鏡 f2－－ f1 f2－－ （（ f1177。 ΔΔ f f2 f1 f2 f1177。 激激 光光 器器 數數 據據 處處 理理 1/4波波 片片 準準 直直 系系 統(tǒng)統(tǒng) 可可 動動 角角 隅隅 棱棱 鏡鏡 檢檢 偏偏 器器 v 探探 測測 器器 前前 置置 放放 大大 器器 f2 f1 f1177。 光外差檢測優(yōu)勢 （一）光外差檢測不僅可檢測振幅和強度調制的光信號，還可檢測頻率調制及相位調制的光信號。但激光超聲信號的幅值強度很小 (其位移幅值一般在微米量級 ), 通常的外差干涉系統(tǒng) , 因使用的光學器件較多 , 會出現很多雜光 , 光路噪聲大 , 信噪比低。隨著激光散斑測量技術的發(fā)展，采用 CCD攝像機輸出干涉圖像信號，省去了顯影、定影等繁雜的濕處理程序，大大提高了檢測效率，同時可直接將輸出的數字化信號與計算機連接，自動處理，并可在計算機屏幕上實時觀察到干涉圖形，現場應用十分方便。干涉場中某點（ x， y）處光強以低頻Δω 隨時間呈余弦變化。圖 ，以說明外差相位測量原理。而方波信號經鑒相器、電荷泵、濾波電路、信號抬高放 大電路后就得到了與相位差成正比的電壓信號。硬件取值法主要是通過把光電探測器探測到的信號經過放大處理后，再整形成方波信號。應用受到一定程度的限制。在實驗中發(fā)現，軟件取值法要求設計的外差干涉系統(tǒng)、激光器的 輸出功率與頻率均需要有相當高的穩(wěn)定性， A／ D轉換器的轉換速率應大于系統(tǒng)外差頻率 (即調制頻率 1／ T)的三倍，而且它一般采用 CCD線陣顯示裝置 光電計數器 Nd:YAG 激 光器 待測物 可移動臺 光電顯微鏡 激光束 光束 2 光束 1 邁克爾遜干涉儀 BS 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 38 頁 或面陣作為光電探測器。出射光線與入射光線總保持平行。角錐棱鏡的形狀相當于立方體切下來的一個角，它的三個內表面作為光學反射面并相互垂直。 圖 激光干涉測長的基本原理圖 激光外差干涉測長 激光散斑無損檢測技術是通過被檢物體在加載前后的激光散斑圖的疊加，從而在有缺陷部位形成干涉條紋。這時超聲波的傳播就相當于移動光柵，其一級衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅動頻率 f，而與光的波長無關。圓偏振光再次穿過固定 1/4 波片后又恢復為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移 f2??? d) 垂直于入射光束方向移動（勻速）光柵的方法也可以使通過光柵的第 n清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 38 頁 級衍射光產生 nVf??? 頻移，此處 f 是光柵的空間頻率， V是光柵移動速度 。 c) 在參考光路中放入一個固定的 1/4 波片和一旋轉的 1/4 波片，如果固定 1/4波片的主方向定位合適，它可以把入射的線偏振光轉變?yōu)閳A偏振光。 1） 塞曼效應 Nd:YAG 激光器 —— 可得到 1~2MHz 的頻差； 2） 雙縱模 Nd:YAG 激光器 —— 頻差約 600MHz（較大）； 3） 光學機械移頻 a) 當干涉儀中的參考鏡以勻速 v 沿光軸方向移動時，則垂直入射的反射光將產生的頻移為 ?? v2?? 。外差干涉需要雙頻光源。 激光外差干涉測試系統(tǒng) 測試系統(tǒng)的原理 在干涉場中，放入兩個探測器，一個放在基準點 (x0, y0)處，稱之為基準探測器，其輸出基準信號 i(x0, y0, t)，另一個放在干涉場某探測點 (xi, yi)處，稱之為掃描探測器，輸出信號為 i(xi, yi, t) 。 掃掃 描描 輸輸 出出 坐坐 標標（（ xi, yi）） 基基 準準 坐坐 標標（（ x0, y0）） （（ a）） ΔΔ t 1/ΔΔ νν t i(x, y, t) （（ b）） 探探 測測 器器 圖 外差干涉圖樣和電信號 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 38 頁 光 外差干涉 系統(tǒng) 現已廣泛應用于測速、測長、測角、測振、測表面光潔度、測激光束通過湍流時光束的擾動、提高望遠鏡的視軸瞄準精度以及作自適應光學中的鑒相器等領域，獲得了比零差干涉 系統(tǒng) 更高的精度。光 外差干涉 系統(tǒng) 現已 廣泛應用于測速、測長、測角、測振、測表面光潔度、測激光束通過湍流時光束的擾動、提高望遠鏡的視軸瞄準精度以及作自適應光學中的鑒相器等領域，獲得了比零差干涉 系統(tǒng) 更高的精度。 (2)可以直接從輸出頻率相對于差頻的增減判別運動的方向，因此可以測量物體的連續(xù)變化過程如隨機振動波形，氣流擾動隨時間變化過程，而零差干涉 系統(tǒng)較難實現。又利用頻率跟蹤等外差解調技術大量濾除了寬 帶噪聲，因此提高了光電信號的信噪比。 系統(tǒng)工作原理圖如 所示。通過光電探測器的混頻，輸出差頻信號（受光電探測器頻響的限制，頻差一般在 100 兆赫以內）。 光外差 干涉 系統(tǒng) 又稱雙頻干涉 系統(tǒng) 或交流干涉 系統(tǒng) 。發(fā)射光頻的穩(wěn)定性可以放寬 。光學外差探測只受到散粒噪聲的限制，因而探測率比直接探測或零差探測高幾個數量級。故又稱相干探測。在直接探測中，設光波動的圓頻率為ω，振幅為 A， 則光波 f(t)= Acosω t () 平均功率 ? ? 221 2220 2 AttdC O SAP cp ?? ? ??? ? () ? ? ? ?? ? ? ?LLLLsSSs tC O SAtf tC O SAtf ?? ?? ?? ?? () 圖 外差探測原理示意圖 fs 為信號光波， fL為本機振蕩 (本振 )光波，這兩束平面平行的相干光，經過分光鏡和可變光闌入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。 激光受大氣湍流效應影響嚴重，破壞了激光的相干性，因而目前遠距離外差探測在大氣中應用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯系已達到實用清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 38 頁 階段。其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。光外差干涉所具備的特點：克服單頻干涉儀的漂移問題；細分變得容易；提高了抗干擾性能。為了提高光學干涉測量的準確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術移植到光干涉測量領域，發(fā)展了一種新型的光外差干涉技術 [21]。 (3)易于聚焦，實現快速掃描和成像。與常規(guī)超聲檢測相比，激光超聲檢測的主要優(yōu)越性是： (1)能實現一定距離之外的非接觸檢測，不存在耦合與匹配問題。目前廣泛使用的是外插干涉儀、共焦 F P 干涉儀是線性干涉 儀，而相位共軛干涉儀，雙波混合干涉儀以及光感生電動勢干涉儀則屬于非線性光學的。光學法檢測技術又可細分為非干涉檢測技術和干涉檢測技術兩種。并且超聲檢測用壓電換能器接收超聲信號這種方法需要用耦合劑，對被測