【正文】 器時，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)時即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產(chǎn)生衍射。 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)動功率，更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和更好的光點質(zhì)量以及低的價格；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?；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(jié)構(gòu)簡單，成本較低，適合于實驗室內(nèi)進(jìn)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(nèi)處理, 避開低頻1/f 噪聲的干擾。 一類是光學(xué)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(xué)方法檢測。4 光外差干涉法檢測激光超聲的設(shè)計和實現(xiàn) 在常規(guī)超聲檢測中，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，檢測時通常必須用耦合劑與被測樣品耦合。研究結(jié)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(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。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(zhuǎn)換增益。但是，當(dāng)本振光功率足夠大時，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)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(qiáng)抑制作用。在直接檢測中，輸出信號電流的振幅為 ()外差轉(zhuǎn)換增益為 ()由上述推到我們可以發(fā)現(xiàn)在光外差檢測中，本機(jī)振蕩光功率比信號光功率大幾個數(shù)量級，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)107 ~ 10 8 。 光外差檢測優(yōu)勢（一）光外差檢測不僅可檢測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號，還可檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。但激光超聲信號的幅值強(qiáng)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(xué)器件較多, 會出現(xiàn)很多雜光, 光路噪聲大, 信噪比低。隨著激光散斑測量技術(shù)的發(fā)展，采用CCD攝像機(jī)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(shù)字化信號與計算機(jī)連接，自動處理，并可在計算機(jī)屏幕上實時觀察到干涉圖形，現(xiàn)場應(yīng)用十分方便。Δf 雙頻激光器外差干涉測長原理圖偏振分光鏡f2－f1f2－（f1177。頻帶寬度的光電探測器上合成，探測器響應(yīng)是電場強(qiáng)度和的平方，表示為： () () () ()激光器數(shù)據(jù)處理1/4波片準(zhǔn)直系統(tǒng)可動角隅棱鏡檢偏器v探測器 前置放大器f2 f1f1177。設(shè)測試光路和參考光路的光波頻率分別為ω和ω+Δω，則干涉場的瞬時光強(qiáng)為由于光電探測器的頻率響應(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的交變項對探測器的輸出響應(yīng)無貢獻(xiàn)。光外差干涉技術(shù)可以用于測量象平面上每一點的光程差 (OPD)值，這就是說，當(dāng)探測器位于象平面上一點時就可獲得正比于該點OPD的電壓，這種系統(tǒng)不記錄條紋，而是把象面上每點OPD值直接輸給計算機(jī)處理。在信號輸入到相位檢測器之前，需經(jīng)隔直流、自動增益放大、波形整形使之變成方波信號供相位檢測器件使用。所以，設(shè)計研制了硬件取值法來實現(xiàn)相位的高精度測量。因此，造價高且頻響低，適用于調(diào)制頻率較低(lkHz)的場合。軟件取值法主要是通過直接采樣干涉信號，然后通過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理獲得相位信息。當(dāng)光從基面入射，可在三個直角面上依次反射，仍從基面出射。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激光器帶來的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點，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)動均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動的角度不大時，它對光程的影響也是產(chǎn)生效果中不能忽視的。這時超聲波的傳播就相當(dāng)于移動光柵，其一級衍射光的頻移量就等于布拉格盒的驅(qū)動頻率f，而與光的波長無關(guān)。圓偏振光再次穿過固定1/4波片后又恢復(fù)為線偏振光，但頻率已發(fā)生偏移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級衍射光產(chǎn)生頻移，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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。1） 塞曼效應(yīng)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(xué)機(jī)械移頻a) 當(dāng)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(chǎn)生的頻移為。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(zhǔn)點(x0, y0)處，稱之為基準(zhǔn)探測器，其輸出基準(zhǔn)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) 。光外差干涉系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)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(yuǎn)鏡的視軸瞄準(zhǔn)精度以及作自適應(yīng)光學(xué)中的鑒相器等領(lǐng)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(xiàn)已廣泛應(yīng)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(yuǎn)鏡的視軸瞄準(zhǔn)精度以及作自適應(yīng)光學(xué)中的鑒相器等領(lǐng)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(jī)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(xiàn)。又利用頻率跟蹤等外差解調(diào)技術(shù)大量濾除了寬帶噪聲，因此提高了光電信號的信噪比。被測物體的變化如位移、振動、轉(zhuǎn)動、大氣擾動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)即可獲得被測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩種不同頻率的單色光作為測量光束和參考光束。光頻移速率可經(jīng)接收頻差除以光往返時間測定,距離大于l0km。零差探測的本振信號經(jīng)分光器從發(fā)射光源分離出來,與調(diào)制后的接收信號混頻產(chǎn)生外差信號, 本振信號的頻率相同,差頻為零, 主要優(yōu)點:省去了本振器,比外差探測簡單,可靠。 光外差探測系統(tǒng)光學(xué)外差探測利用一個頻率與被測相干輻射的頻率相近的參考激光輻射在探測元件（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）中與被測輻射混頻而產(chǎn)生差頻。經(jīng)探測器變換后，輸出信號中包含fc＝ fs –fL的差頻信號。光外差探測與直接探測相比較有許多優(yōu)點，在直接探測中由于光的振動頻率高達(dá)21013~1014Hz，振動周期T為51014 ~ 10 15 s (可見光到中近紅外)，而探測器響應(yīng)時間最短110 s, 它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。光外差探測與光直接探測比較，其測量精度要高7~8個數(shù)量級。 光外差干涉原理光外差探測在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振、光譜學(xué)等方面都很有用。光外差干涉是指兩只相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋的不斷掃描，經(jīng)光電探測器將干涉場中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由電路和計算機(jī)檢出干涉場的相位差。 光外差干涉測試技術(shù) 概述由于單頻激光干涉儀的光強(qiáng)信號及光電轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號都是直流量，直流漂移是影響測量準(zhǔn)確度的重要原因，信號處理及細(xì)分都比較困難。 (2)利用超短激光脈沖可以得到超短聲脈沖和高時間分辨率，可以在寬帶范圍內(nèi)提取信息，實現(xiàn)寬帶檢測。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。直接檢測(非相干檢測)是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息，直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化。利用光學(xué)方法探測材料表面的超聲振動是一種新型的無損檢測手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點，是真正意義上的非接觸、寬帶檢測技術(shù)。這些檢測方法,可以十分簡便地接收到激光超聲信號，但傳感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面，才能獲得高的檢測靈敏度[20]。激光超聲的接收主要有傳感器檢測和光學(xué)法檢測兩類。在第二次世界大戰(zhàn)期間，飛機(jī)已經(jīng)大量使用鋁合金和鎂合金，為了檢查這些非鐵磁性材料的表面缺陷，開始使用熒光滲透檢驗法。20世紀(jì)30年代初磁粉探傷用以檢驗航空鋼零件。通過磁粉在物體缺陷附近漏磁場中的堆積來檢測物體表面或近表面處的缺陷，被檢測物體必須具有鐵磁性。常用的滲透液為含有有色染料或熒光的液體?！　B透探傷(penetranttesting)。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?！　÷暟l(fā)射檢測(acousticemissiontesting)。～5兆赫(MHz)?！　〕暀z測(ultrasonictesting)。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。下面是一些常見的無損檢測的方法： 　射線探傷(radiographictesting)。目前用于無損檢測的方法很多。為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織無損檢測技術(shù)委員會制定并發(fā)布了一項新的國際標(biāo)準(zhǔn)，旨在將這些不同形式和寫法的術(shù)語統(tǒng)一起來，明確它們是有一個相同定義的術(shù)語、都是同義詞，即等同于無損檢測(non destryctive testing)。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、無損檢測、無損評價等不同術(shù)語形式和寫法。在國外，無損檢測一詞相對應(yīng)的英文詞，除了該詞的前半部分——即non destructive 的寫法大多相同外，其后半部分的寫法就各異了。 在我國，無損檢測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。在熱彈性區(qū)，激光產(chǎn)生的應(yīng)力波大小與吸收光的能量呈正比，對于均勻能量分布，可用一維模型描述激光束在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力，其在材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變與材料表面吸收的激光能量呈正比統(tǒng)。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)。激光超聲就是利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時熱作用，通過熱彈效應(yīng)（少數(shù)情況是熱蝕效應(yīng)）在固體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場，使粒子產(chǎn)生波動，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。 本章小結(jié)當(dāng)激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時，部分會轉(zhuǎn)移到材料本身并以熱能和應(yīng)力波動能的形式表現(xiàn)出來。當(dāng)激光入射到材料上時，所產(chǎn)生的超聲波以不同的類型傳播出去，主要有縱波、橫波和表面波。超聲源 固體 激光激勵方式試驗結(jié)果表明，采用上述課題研究的激光激勵方法可以較好地在復(fù)合材料中激發(fā)出超聲波。熱應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變 ()式中為泊松比；為線性膨脹系數(shù)；為被材料表面吸收的激光能量；為材料密度；為材料的特征熱。在熱彈效應(yīng)區(qū)內(nèi)，激光產(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。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)，該模式稱為熱彈效應(yīng)；在高能作用下，物體的溫度升高，超過了其蒸發(fā)溫度，產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，使材料表面汽化，形成等離子體，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈性波源，該產(chǎn)生超聲的模式稱為熱蝕效應(yīng)。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(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。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實現(xiàn)光放大。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。Nd:YAG激活物質(zhì)晶體使用之泵浦燈管主要為氪氣(krypton)或氙氣(Xenon)燈管，泵浦燈的發(fā)射光譜是一個寬帶連續(xù)浦，但僅少數(shù)固定的光譜峰被Nd離子吸收[18]，所以泵浦燈僅利用了很少部份的光譜能量，大部份沒被吸收的光譜能量轉(zhuǎn)換成熱能，所以能量的使用率偏低。 Nd:YAG激光器激勵超聲波 Nd:YAG激光介紹Nd:YAG為其英文簡化名稱，來自(Neodymiumdoped Yttrium Alumini