基于光外差干涉检测激光超射波技术研究_学位论文.docVIP

目录 1 引言 1 1.1 课题背景 1 1.2 国内外发展状况 1 1.3 课题意义 3 1.4 课题内容 3 2 激光超声激励技术研究 5 2.1 超声波的性质 5 2.1.1 超声波的分类 5 2.1.2 超声波的特点 5 2.1.3 超声波的波型与声速 6 2.1.4 超声波的反射折射及波型转换 6 2.2 超声波的检测 7 2.3 激光产生超声的原理 9 2.4 Nd:YAG激光器激励超声波 10 2.4.1 Nd:YAG激光介绍 10 2.4.2 Nd:YAG激光器 10 2.5 本章小结 11 3 激光外差干涉概述 13 3.1 光电检测 13 3.1.1 系统分类 13 3.1.2 激光超声检测 16 3.2 光外差干涉测试技术 17 3.2.1 概述 17 3.2.2 光外差干涉 17 3.2.3 光外差探测系统 18 3.3 激光外差干涉测试系统 19 3.3.1 测试系统的原理 19 3.3.2 激光外差干涉测长 21 3.4 光外差检测优势 23 3.5 本章小结 24 4 光外差干涉法检测激光超声的设计和实现 25 4.1 声光调制 25 4.1.1 声光调制器原理 25 4.1.2 声光调制 27 4.2 系统设计 28 4.2.1 外差干涉系统构成 29 4.2.1 超声信号检测原理 30 4.2.2 光外差干涉法检测激光超声原理 31 4.3 光路调试结果 32 4.4 本章小结 33 5 总结 34 5.1 主要工作 34 5.2 系统存在问题 34 参 考 文 献 35 致 谢 37 1 引言 1.1 课题背景 随自20世纪70年代以来，激光超声技术因其频带较宽、模式多样、具有很高的时间和空间分辨率等特性，在无损探伤领域得到了越来越广泛的关注和应用，已发展成为超声学的一个重要分支[1-2]。但激光超声振动信号非常微弱，位移幅值一般在数微米量级，且激发超声的激光源所需强度特别大[3-5]，因此，目前多用光学方法检测。光学法检测超声可分为两大类：一类是非干涉法，如狭缝法、刀刃法等；另一类为干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等[6]。此外，还有使用法布里-珀罗干涉仪(Fairy-Perot Interferometer)和光折变干涉仪的方法，但前者性能不稳定，后者价格十分昂贵。较常用的当属外差干涉法[7]，该方法最大的特点是将微弱的激光超声信号加载到高频范围内进行处理，从而避开了低频1／?噪声的干扰。 通常的外差干涉系统，因使用的光学器件较多，会出现很多杂光如回授光[8]，光学噪声大，信噪比低，并不适合微弱激光超声信号的检测。因此，本文采用线偏振光作为光源来改善传统的干涉光路系统，设计出了检测微弱振动信号的新型线偏振光外差干涉系统。该系统用压电超声代替激光超声作为微弱振动信号源，实验得到了较好的外差干涉信号，并得到了与压电探头振动激励信号一致的探测信号，而且结构简单，成本较低。虽然超声技术已获得极大成功，但在应用过程中传统超声技术还是暴露出许多不足之处。 1.2 国内外发展状况 激光超声技术的研究始于1962年。当时，White和Askaryan分别论证了用脉冲激光束在固体和液体中激发声波的方法。紧接着，Ramsden，Bunkiny和Stegman观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的燃烧波，会随时间和距离的增加而衰变成声波。之后。对固体，液体和气体媒质中激光超声激发的研究均有了很大的发展。1976年，Bondarenko等首先把激光超声用于材料检测。他们用调Q红宝石激光器激发超声，用带宽为5kHz至150MHz，位移灵敏度为10- 9nm的干涉仪检测激光超声，并对不锈钢板的人工缺陷进行了检测。之后，Hutehins和Nedeou等用Nd:YAG和带宽为45MHz，位移灵敏度为1nm的干涉仪进行了表面缺陷的实验。1979年，Ledbetter等最先同时捡测到一次激发产生的纵波，横波和表面波。1980和1982年，Seruby和Dewhurst等对激光在金属中产生的超声波形进行了定量测量，并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象[9],为激光超声的应用技术打下了基础。20世纪80年代中期，加拿大人J．E Monehalin提出了用球面共焦Fabry-Perot干涉仪探测超声振动——超声测厚技术，首次实现了在1m远处对未抛光的钢板进行激光超声的实验，向实用化迈出了一大步[10]。20世纪90年代中期，Y Dagata，J．Huang，J．D．Achenbach和Krishnaswamy等进行了一系列的理论和应用研究工作近几年，激光超声机理