探测激光超声用的激光外差干涉仪

D0I:10.13374/j.1ssn1001-053x.1998.05.022 第20卷第5期 北京科技大学学报 VoL.20 No.5 1998年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1998 探测激光超声用的激光外差干涉仪 龚育良张永智 梁海岩 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要简述了用外差干涉法探测固体表面激光超声的原理和实验结果，讨论了信号光、参考光的 准直角对信噪比YN的影响和信号光在分束器上的入射角对外差信号强度的影响.理论和实验结 果表明：当选择人射角时，可以得到约2倍的外差信号强度，为提高检测信号的强度，提出并讨论 了外差干涉的共轭输出法， 关键词外差干涉；探测：激光超声 分类号TB551;TH7443 激光外差干涉是激光超声最主要的光学探测方法之一.外差干涉法将激光超声加载到高 频范围内处理，避开了低频的1f噪声的干拢.外差干涉仪结构简单，调试容易，但由于它只有 在接收一个光斑时才有最佳的探测效果，因此这种方法通常只适用于实验室条件下光滑表面 超声的探测.自1984年J.P.Monchalin用激光外差干涉法进行连续超声接收实验以来，人们 采取了很多改进措施来提高干涉仪输出信号强度，以扩大它的应用范围，并取得了一定成效 但由于始终沿用45°人射和单面外差干涉输出，光信号能量的利用率不超过1/4.我们的研究 表明，选择适当的入射角，采用共轭外差干涉输出和信号光、参考光的严格准直，可使光能利 用率和输出信号提高约4倍. 1外差干涉探测激光超声的原理 图1是外差干涉探测固体表面微光超声位移的实验图，激光超声激励源是1台Q开关 反射镜1 YAG激光器 氦氖激光 样品 布拉格盒 反射镜2 射颊发生器 反射镜3 光分速器2 +f) )反射镜4 示波器 光探测器 射颗放大器锁相环 积分器 滤波器 放大器 图1外差干涉仪探测激光超声的实验装置图 1997-10-05收稿 龚育良 男，60岁，教授 *国家自然科学基金资助课题

第 卷 第 期 5 0 2 年 月 8 1 1 0 9 9 北 京 科 技 大 学 学 报 J O u r n a l o i f s r n U v e i 全 o i f t n n e e y c a d T e e h o n l o B g y e i j i n g l o V . N 0 2 o . 5 《 k 8 1 9 9 L 探测激光超声用 的激光外差 干 涉仪 龚育 良 张 永智 梁海岩 北京科技大 学应用 科学学院 . 北京 10 0 0 8 3 摘要 简述 了用 外差干涉法探测 固体表面 激光超声的原理 和 实验 结果 , 讨论 了信号光 、 参考光的 准直角对信噪 比 夕 N 的影 响和 信号 光在分束器 上 的人射角对外差 信号强 度的 影 响 . 理论和 实验结 果表 明 : 当选择人射 角时 , 可 以得 到 约2 倍 的外差 信号强度 . 为提高检测信号 的强 度 , 提 出并讨论 了外差干涉的 共扼输 出法 . 关键词 外差干涉 ; 探测 ; 激光超声 分类号 T B 5 5 1 ; T H 7 4 4 3 激 光外 差 干 涉是 激光 超声 最 主要 的光学 探 测方 法之 一外 差 干涉法将激 光超声 加 载到 高 频 范 围 内处理 , 避 开 了低频 的 1f/ 噪声 的干拢 . 外差 干 涉仪 结构 简单 , 调试容 易 , 但 由于 它只有 在 接收 一个 光斑 时才 有最 佳 的探测 效果 , 因此这种 方法 通 常只 适用 于 实验 室条件 下光 滑表 面 超 声 的探 测 . 自 19 8 4 年 J . P . M o cn h ial n 用 激 光外 差 干涉 法 进 行连 续超 声 接 收 实验 以 来 , 人 们 采 取 了 很 多改 进 措施来 提 高 干涉 仪输 出信 号强 度 , 以 扩 大它 的应 用范 围 , 并 取得 了一定成 效 . 但 由于 始终 沿用 45 “ 人射 和单 面外 差 干涉输 出 , 光 信 号能量 的利 用率 不超 过 14/ . 我们 的研 究 表 明 , 选 择适 当的人 射 角 , 采 用 共 扼外 差 干涉 输 出和信 号 光 、 参考 光 的严格 准直 , 可使 光能 利 用 率和 输 出信号 提 高 约4 倍 . 1 外 差干 涉探 测激 光超声的原理 图 1 是 外 差 干涉 探 测 固 体表 面激 光 超 声 位 移 的 实 验 图 . 激 光 超声 激 励 源是 l 台 Q 开 关 广、 反射镜 1 A G 激光 氦氖激光 样 品 反射镜 2 布拉格 反射镜 3 射频发生 器 光分速器 介认从) 反射镜 4 示波器 光探测器 射频放大器 图1 外差 干涉仪探测激光超声的实验装置图 19 9 7 一 10 一 0 5 收稿 龚育 良 男 , 60 岁 , 教授 * 国 家 自然科学基金 资助课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 05. 022

Vol.20'o.5 龚育良等：探测激光超声用的澈光外差干涉仪 ·503· YAG激光器，波长1.06μm,激光脉冲宽10ns,单脉冲能量在60mJ内连续可调，光束直径 2~4mm,光束以1次/s的频率投射到样品表面，在样品中激励超声脉冲.探测固体表面激光 超声用的激光外差干涉仪由激光源、Brgg衍射盒、4个反射镜、分束镜、光电转换器和电信号 处理电路等组成.Bragg衍射盒由射频发生器激励，He-Me激光束经Bragg衍射盒后分为具 有不同频率的两束光，一束是频率为∫，的信号光，另一束是频率为(5+)的参考光，其光 场分别为e,()=Ecos(2t+中，)和e,()=cos(2+中)，式中E,E,分别为信号光和参考光 的电场幅值，f,为移频量，中中，分别为参考光和信号光的初位相两光束在光分束器上会聚干 涉，经光电转换后输出的光电流为： 0=l0+eoj-号+号+号mle++号ola2++ EE,cos[2π(2f+f)1+中，+中，]+EEcos[2时aI+中，-中]. 右式中，第3~第5项是光频项，光电转换器反应不出来.若样品表面的超声脉冲为()，则信 号光经样品表面反射后发生(4π/)()的相位移，则输出的光电流为回： 0=1+4+2反cos[2+经0 (1) 右式中，，，分别为信号光、参考光的直流分量和射频发生器的频率，入是信号光的波长， (④是YAG激光器在样品中激发的表面的超声脉冲，其他参数均为常数.显然，光电流是一个 调相信号. 2调相信号的解调 将调相信号放大后，通过锁相环将超声脉冲解调出来.锁相环(PLL)是一个能自动跟踪信 号的相位的闭环自动控制系统，锁相环和积分器组成了调相信号的解调器环路包括3个部 件：鉴相器(PD),环路滤波器(L可和压控振荡器(VCO).对于良好设计的调制跟踪锁相环，其 传递函数等于1，相移为0.因而压控振荡器输出信号的相位()与输入信号的相位相同， 即90-要0，环路输出电压为0-是日0积分器输出电压为： K dt (2) 式中，R,C是积分器的电阻和电容.显然，干涉仪输出电压与激光超声成正比滤波器的作用 是将解调输出中因环境振动引起的低频干扰以及一些低频电路噪声滤除，输出的激光超声脉 冲电压放大后送到数字存贮示波器 3超声脉冲的探测结果 用本干涉仪对激光超声进行了探测试验，并用该干涉仪和压电探头对压电超声进行了探 测对比试验.图2和图3是探测结果.图中纵坐标为每格2V,时基为每格50μs.图2中上面的 波形是YAG激光器氙灯输出的触发信号，下面的波形是干涉仪接收到的激光超声信号.超声 信号延迟160μs是由于带Q开关YAG激光器从氙灯点燃到激发激光脉冲需150μs左右，激 光超声在样品中传播需6μs所致.图3中()，(b)分别为由激光外干涉和压电探头测得的压

v ol . 20 oN .5 龚育 良等 : 探 测激光超 声用 的激光外 差 干涉仪 . 5 03 . Y A G 激光器 , 波 长 1 . 06 “ m , 激光 脉 冲 宽 10 ns , 单脉 冲 能 量 在 60 mJ 内连 续 可调 , 光束 直 径 2一 4 r n 〔 n , 光束 以 1 次 / s 的频 率投 射到 样 品表 面 , 在 样 品 中激 励 超声 脉冲 . 探 测 固体表 面激 光 超 声 用 的激光外 差 干 涉仪由激光 源 、 B agr g 衍 射 盒 、 4 个 反射镜 、 分束镜 、 光 电转换 器和 电信 号 处理 电路等组成 . B agr g 衍射盒 由射频发 生器激 励 , eH 一 Ne 激 光束 经 B agr g 衍射 盒后 分为 具 有不 同频 率的两束光 , 一 束是 频率为 f : 的信号光 , 另一 束是 频率为介(关+ fs ) 的参考 光 , 其 光 场分别为 e , (t) = sE co s( 2城 t + 叭)和以t) = co s( 2城t + 沪r) , 式 中 E s , E 分别为信 号光和 参考 光 的 电场 幅值 , f 。为移频量 , 叭 , 叭分 别为参考 光 和信号光 的初 位相 . 两 光束在光 分束器上 会聚 干 涉 , 经 光 电转换后 输出的光 电流为 : i( )t 二 【 e : ( )t + e 义)t 1 ’ e o s [ 2 ( 2硕 , + 沪 s ) ] e o s [ 2 (2城 , + 沪)r 1 嘴一 + 2 + 一鲜2 嘴+ 一2 一 SE 双。 0 5 [ 2 7T (联 + fB ) ` + 沪 s + 沪 r ] + 瓦CEF o s [ 2叽 , + 沪 r 一 沪 s ] . 右式 中 , 第 3 一 第 5 项是 光 频 项 , 光 电转换 器 反应 不 出来 . 若 样 品表 面 的超声 脉冲 为 u( )t , 则 信 号光 经样 品表 面反射 后 发生 (4 二 / 幻 u( t) 的相位 移 , 则 输 出的光 电流 为l2] : , (。 一 、 + 、 + 2佩 一 } 2 、 才+ 誓 · (。 1 ( l ) 右 式 中 , sI , rI, 几分 别 为 信 号光 、 参考 光 的 直 流分 量 和 射 频 发 生 器 的频 率 , 又是 信号光 的波 长 , u( )t 是 Y A G 激 光 器在样 品 中激 发的表 面 的超声脉 冲 , 其他 参数 均 为常数 . 显然 , 光 电流是 一个 调相 信号 . 2 调相信号的解调 将调 相信号 放大后 , 通 过锁 相环 将超 声脉 冲解调 出来 . 锁 相 环 (P L )L 是一个 能 自动跟 踪信 号 的相 位 的 闭环 自动控 制 系 统 , 锁相 环 和 积分 器 组成 了 调 相信 号 的解 调 器 . 环路 包 括 3 个 部 件 : 鉴 相 器 (P )D , 环路 滤 波器 (L D 和压 控 振荡 器 v( c o ) . 对于 良好 设计 的调 制跟 踪锁 相 环 , 其 传递 函 数等 于 1 , 相 移为 0 . 因而 压 控 振 荡 器 输 出 信 号 的 相 位 0 ()t 与 输 人 信号 的 相 位 相 同 、 4 兀 、 一 _ ` 一 . , . 一 一 、 , _ _ _ _ 以p日( t ) = 一: 一 u ( t ) , 外研 骊 山 甩压 刀 以 t ) 凡 1 d s ( )t OK d t , 积分器 输 出电压 为2[] : 何口 二 一上 ~ 戈人r 4 7t , 。 — “ 1 1 1 几 ( 2) 式 中 , R , C 是 积 分 器 的 电阻和 电容 . 显然 , 干涉仪 输 出 电压 与激 光超 声成 正 比 . 滤波 器 的作 用 是将 解调 输 出 中因 环 境振 动引起 的低 频 干扰 以 及一 些低 频 电路 噪声滤 除 , 输 出 的激 光超 声脉 冲 电压放 大后 送到 数字 存贮示波 器 . 3 超声脉冲的探测结果 用本干 涉仪对激光 超 声进行 了探测 试验 , 并用 该干 涉仪 和压 电探 头对压 电超声 进行了探 测 对比试 验 . 图 2 和 图 3 是 探测 结果 . 图 中纵 坐标 为每格 Z v , 时基 为每格 50 娜 . 图 2 中上面 的 波形 是 Y A G 激 光器 氛灯 输 出的触 发信号 , 下 面 的波形是 干涉仪 接收 到的激 光超 声信号 . 超声 信号 延迟 160 林s 是 由于 带 Q 开关 Y A G 激光器 从氮 灯点 燃到 激 发激光脉 冲需 150 协S 左 右 , 激 光超 声在 样 品 中传播 需 6 哪 所致 . 图 3 中 (a) , ( b) 分 别 为 由激 光外 干涉 和压 电探 头测得 的压

v ol . 20 No .5 龚育 良等 : 探 测激光超 声用 的激光外 差 干涉仪 . 5 03 . Y A G 激光器 , 波 长 1 . 06 “ m , 激光 脉 冲 宽 10 ns , 单脉 冲 能 量 在 60 mJ 内连 续 可调 , 光束 直 径 2一 4 r n 〔 n , 光束 以 1 次 / s 的频 率投 射到 样 品表 面 , 在 样 品 中激 励 超声 脉冲 . 探 测 固体表 面激 光 超 声 用 的激光外 差 干 涉仪由激光 源 、 B agr g 衍 射 盒 、 4 个 反射镜 、 分束镜 、 光 电转换 器和 电信 号 处理 电路等组成 . B agr g 衍射盒 由射频发 生器激 励 , eH 一 Ne 激 光束 经 B agr g 衍射 盒后 分为 具 有不 同频 率的两束光 , 一 束是 频率为 f : 的信号光 , 另一 束是 频率为介(关+ fs ) 的参考 光 , 其 光 场分别为 e , (t) = sE co s( 2城 t + 叭)和以t) = co s( 2城t + 沪r) , 式 中 E s , E 分别为信 号光和 参考 光 的 电场 幅值 , f 。为移频量 , 叭 , 叭分 别为参考 光 和信号光 的初 位相 . 两 光束在光 分束器上 会聚 干 涉 , 经 光 电转换后 输出的光 电流为 : i( )t 二 【 e : ( )t + e 义)t 1 ’ e o s [ 2 ( 2硕 , + 沪 s ) ] e o s [ 2 (2城 , + 沪)r 1 嘴一 + 2 + 一鲜2 嘴+ 一2 一 SE 双。 0 5 [ 2 7T (联 + fB ) ` + 沪 s + 沪 r ] + 瓦CEF o s [ 2叽 , + 沪 r 一 沪 s ] . 右式 中 , 第 3 一 第 5 项是 光 频 项 , 光 电转换 器 反应 不 出来 . 若 样 品表 面 的超声 脉冲 为 u( )t , 则 信 号光 经样 品表 面反射 后 发生 (4 二 / 幻 u( t) 的相位 移 , 则 输 出的光 电流 为l2] : , (。 一 、 + 、 + 2佩 一 } 2 、 才+ 誓 · (。 1 ( l ) 右 式 中 , sI , rI, 几分 别 为 信 号光 、 参考 光 的 直 流分 量 和 射 频 发 生 器 的频 率 , 又是 信号光 的波 长 , u( )t 是 Y A G 激 光 器在样 品 中激 发的表 面 的超声脉 冲 , 其他 参数 均 为常数 . 显然 , 光 电流是 一个 调相 信号 . 2 调相信号的解调 将调 相信号 放大后 , 通 过锁 相环 将超 声脉 冲解调 出来 . 锁 相 环 (P L )L 是一个 能 自动跟 踪信 号 的相 位 的 闭环 自动控 制 系 统 , 锁相 环 和 积分 器 组成 了 调 相信 号 的解 调 器 . 环路 包 括 3 个 部 件 : 鉴 相 器 (P )D , 环路 滤 波器 (L D 和压 控 振荡 器 v( c o ) . 对于 良好 设计 的调 制跟 踪锁 相 环 , 其 传递 函 数等 于 1 , 相 移为 0 . 因而 压 控 振 荡 器 输 出 信 号 的 相 位 0 ()t 与 输 人 信号 的 相 位 相 同 、 4 兀 、 一 _ ` 一 . , . 一 一 、 , _ _ _ _ 以p日( t ) = 一: 一 u ( t ) , 外研 骊 山 甩压 刀 以 t ) 凡 1 d s ( )t OK d t , 积分器 输 出电压 为2[] : 何口 二 一上 ~ 戈人r 4 7t , 。 — “ 1 1 1 几 ( 2) 式 中 , R , C 是 积 分 器 的 电阻和 电容 . 显然 , 干涉仪 输 出 电压 与激 光超 声成 正 比 . 滤波 器 的作 用 是将 解调 输 出 中因 环 境振 动引起 的低 频 干扰 以 及一 些低 频 电路 噪声滤 除 , 输 出 的激 光超 声脉 冲 电压放 大后 送到 数字 存贮示波 器 . 3 超声脉冲的探测结果 用本干 涉仪对激光 超 声进行 了探测 试验 , 并用 该干 涉仪 和压 电探 头对压 电超声 进行了探 测 对比试 验 . 图 2 和 图 3 是 探测 结果 . 图 中纵 坐标 为每格 Z v , 时基 为每格 50 娜 . 图 2 中上面 的 波形 是 Y A G 激 光器 氛灯 输 出的触 发信号 , 下 面 的波形是 干涉仪 接收 到的激 光超 声信号 . 超声 信号 延迟 160 林s 是 由于 带 Q 开关 Y A G 激光器 从氮 灯点 燃到 激 发激光脉 冲需 150 协S 左 右 , 激 光超 声在 样 品 中传播 需 6 哪 所致 . 图 3 中 (a) , ( b) 分 别 为 由激 光外 干涉 和压 电探 头测得 的压

Vol.20 No.5 龚育良等：探测激光超声用的激光外差干涉仪 ·505· 式中，i,i,为信号光、参考光的人射角，R,R,R分别为光能流在空气/镀膜、镀膜/玻璃、 玻璃/空气界面上的反射率，p=4πn,cosi,/1,为相邻透射光线的相位差.镀膜的折射率和 厚度、玻璃的折射率对AA,一，曲线都有影响.对于给定的光分束器，有一个最佳入射角，这 时A,A,有一个极大值.对于以折射率1.5的玻璃为基体的光分束器，最佳入射角为77°左右， 这时的AA-0.42,为通常45°角入射时的0.21的近2倍.可见采用最佳人射角外差信号强度 可提高约2倍，见图6.图中曲线是理论结果，圆点为实验结果，两者符合较好 0.45 0.40 -计算 空气io 0.35 ·实验 薄膜m 0.30 0.25 0.20 玻璃n2 0.15 n=13 0.10 n2=l.5 空气 0.05 a U,U, 0.00 00.20.40.60.81.01.21.41.6 a/(°) 图5信号光和参考光在分速器上干涉 图6A::随信号光和参考光的入射角的变化 6外差干涉的共轭输出 通常的外差干涉仪都是单边输出，只利用 了光能的一半，如果采用图7所示的装置，则另 光分速器 一半光能也将得到利用.它不但利用信号光的 透射光和参考光的反射光进行干涉输出，而且 示波器 相加器 还利用其共轭光即信号光的反射光和参考光的 透射光进行干涉输出.图中1和2代表2组相同 的光电探测和信号处理电路.经过解调后它们 图7外差干涉的共轭输出，1,2为光电探测 和信号处理电路 的输出分别为： U(0= 1 4π u() KRC A (6) U,(0= 1 4π KRC 4t+δ) (7) 式中，d1=(d,-d,)/c,是光从分束器传播到两光电探测器的时间差，是一常数.若u(0是频 率为w的正弦信号，则经加法电路后，它们的输出可写成 U)=U()+U()=U,sin(ωt+中，)+U2sin(wt+p,)=Usin(ωt+) 式中U=U+U+2U,U2cos(w6),若d,-d=1cm,w=2π×10'，则cos(wd)≈1，所以 U=U,+U,0也为一常数.由此可见，采用外差干涉的共轭输出，如果光电探测和电路的传输 系数相同，光能将得以充分利用，干涉仪的输出电压将增大1倍

v .ol 20 No . 5 龚育 良等 : 探测激光超声用 的激光外差 干涉仪 · 505 · 式 中 , i , , 1 2为信号 光 、 参考 光 的人 射角 , 风 , 凡 , 凡分 别 为光 能流在 空气 / 镀 膜 、 镀 膜 / 玻 璃 、 玻璃 / 空气 界 面 上 的反射 率 , 沪 二 4 7t 。 , co s i Z / 凡为相 邻 透射 光 线 的相位 差 . 镀 膜 的折射 率 和 厚度 、 玻璃 的折射 率 对 IA A Z一 i , 曲线都 有影 响 . 对 于 给定 的光 分束器 , 有 一 个最佳 入射 角 , 这 时 A I A Z有 一 个极 大值 . 对 于 以 折射率 1 . 5 的玻 璃为基 体的光分 束器 , 最佳 人射 角为 7 。 左右 , 这时 的 A l凡一.0 42 , 为通 常 45 。 角人射 时 的 0 . 21 的近 2 倍 . 可见 采用 最佳人 射角外 差信 号强度 可提 高 约 2 倍 . 见 图 6 . 图中 曲线是理 论结果 , 圆点为实验 结果 , 两者 符合较 好 . soU 诌 空气 一n0ln吸 薄膜 玻璃 n] = 1 . 3 n , 吕 1 . 5 一渗阵 l匕 .045321 侧叫zl 空气 n0 〔乱 sU rU 图5 信号光和参考光在分速器上干涉 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6 a / ( o ) 图6 IA 击 随信号光和参考光的入射 角的变化 6 外差千涉的共辘输 出 通 常 的外 差 干涉 仪 都 是 单边 输 出 , 只利 用 了 光 能 的 一半 , 如 果 采 用 图 7 所 示 的装 置 , 则 另 一半 光 能 也 将 得 到 利 用 . 它 不 但利 用 信 号光 的 透 射 光 和 参考 光 的 反 射 光 进 行 干 涉 输 出 , 而 且 还利 用 其共 扼 光 即信 号 光 的反 射光 和 参考 光 的 透射 光进 行干 涉输 出 . 图 中 1 和 2 代表 2 组相 同 的 光 电探 测 和 信号处 理 电 路 . 经 过 解 调 后 它 们 的输出分别 为 : 口 示波器 图7 外差干涉的共辘输 出 , 1 , 2为光电探测 和信号处理电路 U I ( t) 认( O = 1 4 孔 K l 尺C , 又 u ( )t (6 ) 1 4 兀 — - : - 赵 ( t + O t ) 凡凡从 凡 ( 7) 式 中 , 由 = d( 1 一 d Z ) / ’c 是 光从分 束器 传 播到 两 光 电探 测器 的时 间差 , 是 一 常数 . 若 u( )t 是 频 率为。 的正 弦信 号 , 则经加 法 电路后 , 它们的 输 出可 写成 (U )t = U t (l) + 认( )t = U l s i n (。 t + 沪 1 ) + 认 s i n佃 t + 沪2 ) 二 U s i n (臼 t + 0 ) 式 中 护 = 斌+ 代 + 2 U I认 c o s ( 。 占)t , 若d , 一 姚= 1 e m , 。 = 2 二 x 10 , , 则 e o s ( 。 d )t 二 l , 所 以 U = U , + 认 , e 也 为一 常数 . 由此 可见 , 采 用外差 干涉 的共 扼输 出 , 如 果光 电探 测和 电路 的传输 系数相 同 , 光 能将得 以充 分利 用 , 干涉 仪 的输出 电压将增大 1 倍

·506· 北京科技大学学报 1998年第5期 7结论 激光外差干涉法能有效探测固体光滑表面的激光超声脉冲，传统的干涉仪光束都以45° 角人射到光分束器上，光能的利用率不足1/4，外差信号非常弱，所以激光外差干涉法一般只 能探测光滑表面的超声位移.信号光与参考光的空间准直性和在分束器上的入射角对外差信 号的强度和信嗓比有极大的影响.为保证有足够的信噪比，准直角必须控制在准直角阀值以 内，而且愈小愈好，对不同的入射角，外差信号存在一个极大值，选择最佳人射角人射，可使探 测信号提高近1倍改变传统的干涉仪单边干涉输出的方法，采用两边共轭干涉输出，又可使 探测信号提高1倍.这样外差干涉法也能有效地探测粗糙固体表面的激光超声脉冲， 参考文献 1 Monchalin J P.Heterodyne Interferometer Laser Probe to Measure Continuous Ultrasonic Displacement Rev Sci Instrum,1985,56(4):543 2龚育良，李红卫，白世武，刘惠敏.激光外差探测超声位移的原理、方法和实验.声学学报，1996,21(3)： 259 3白世武，龚育良.空间准直性对激光外差干涉信噪比的影响.光学仪器，1994,16(1)1 4龚育良，张水智，丁红胜。信号光的人射角和分光片对激光外差干涉信号强度的影响，光学仪器， 1997,1919 Detection Research of Solid Surface Laser Ultrasonic Pulse Using Laser Heterodyne Interferometric Method Gong Yuliang Zhang Yongzhi Liang Haiyan Applied Science School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The measuring principle and experiment of Laser Ultrasonic Pulse by Laser Heterodyne Interferometric Method is described.The effect of collimation angle of signal light,reference light upon S/N radio is discussed,and the effect of incidence of signal light upon bean spliter on heterodyne signal intensity is discussed too.In order to increase the detective signal intensity,the method of heterodyne interferomtric conjugate output is developed. KEY WORDS heterodyne interferometer;detection;laser ultrasonic pulse

. 5 0 6 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 8年 第 5期 7 结论 激 光外 差 干涉法 能 有效探测 固体 光滑表 面 的激光 超 声脉 冲 , 传统的 干涉仪 光束都以 45 “ 角人射 到 光分束器 上 , 光 能 的利用 率不 足 1 / 4 , 外 差信 号 非常 弱 , 所 以 激光 外差 干涉 法一般 只 能探测 光 滑表 面 的超 声 位移 . 信 号光 与参考 光 的空 间准直 性和 在分束器 上的人 射角 对外差 信 号 的强度 和 信 噪 比有 极大 的影 响 . 为 保证 有足 够 的信噪 比 , 准直 角必 须控 制在 准 直角 阀值 以 内 , 而 且 愈小愈 好 . 对不 同的人射 角 , 外差信号存 在一 个极 大值 , 选择 最佳 人射角人射 , 可使 探 测信 号提 高 近 1 倍 . 改变 传统 的干涉 仪 单边 干涉 输 出的方 法 , 采 用两边 共扼 干涉 输 出 , 又 可 使 探测 信号 提高 1 倍 . 这样 外差 干 涉法也 能有 效地 探测粗 糙 固体表面 的激光超 声脉 冲 . 参 考 文 献 1 M o cn h al i n J P . eH et r do y n e I n et -lfe or m e et r La s e r P r o 比 ot M e as u er oC n it n u o us U t r a s o n i e 公 s lP ac e me n L 处 v S e i I n s lt u n l , 1 9 8 5 , 5 6 ( 4 ) : 54 3 2 龚育 良 , 李 红卫 , 白世武 , 刘 惠敏 . 激光外差探测超声位 移的 原理 、 方法 和 实验 . 声学学报 , 19 96 , 2 1 (:3) 2 5 9 3 白世 武 , 龚育 良 . 空 间准直性对激光外差干涉信噪 比的影响 . 光学仪器 , 19 94 , 1 6 (l :) l 4 龚育 良 , 张永 智 , 丁 红胜 . 信 号光的人射角和 分光片 对激 光外差干涉信号强 度 的影响 . 光学 仪器 , 1 9 9 7 , 19 ( l ) : 9 D e t e c t i o n R e s e ar e h o f S o li d S u r af e e L a s e r U l t r a s o n i e P u l s e U s i n g L a s e r H e t e r o dy n e I n t e r fe r o m e t r i c M e t h o d G o n g uY li a n g 助 a n g oY n g hz i jI a n g aH iy a n A P P Ii e d S e i e cn e S c h o o l , U S T B e ij i n g , B e iJ 一n g 10 0 0 8 3 , C h 一n a A B ST R A C T hT e m e as u ir n g P ir cn iPl e an d e x pe ir m e n t o f L a s e r 创 t ars o n i c uP l s e b y L as e r eH te r od y n e I n te rfe or m e itr e M e ht od 1 5 d e s e ir be d . hT e e fe c t o f c o l lim a it o n a n g l e o f s i g n a l li g h t 、 re fe re n e e li g h t u op n s N/ r a d i o 1 5 d i s e u s s e d , a n d t h e e fe c t o f i n c i d e n e e o f s i g n a l li g h t u po n be an s P li et r o n h e et r o d y n e s i g n a l i n et n s i yt 1 5 d i s e u s s e d ot o . I n o dr e r to icn er as e ht e d e et e it v e s i g n al i n et n s i yt , ht e m e ht do o f h e et r o d y n e ; n et fer r o m itr e e o nj u g a et o u t P u t K E Y 1 5 d e v e l o pe d . W O R D S h e et r de y n e i n et fer r o m e et r ; d e et c u o n ; l a s e r u l t r as o n i c P u l s e