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