（物理电子学专业论文）激光扫描声学显微镜的研究.pdf

摘要 f 声学显微镜( a c o u s t i cm i c r o s c o p y ) 作为一种重要的分析和检测仪器， 正在材料科学和生物医学科学两大领域内发挥十分重要的作用，该技术及其 应用的研究一直得到科技界和工业界的关注。 本论文中，根据微波声波与样品材料相互作用的原理，以及声光相互作 用成像的理论，全面的论述了激光扫描声学显微镜( s c a n n i n g l a s e ra c o u s t i c m i c r o s c o p y ，简称s l a m ) 的机理、设计和实用性的实验研究。广y 一 全文分为：引言，介绍声学显微镜，特别是s l a m 系统的历史、现状和发 展概况。第一章，以最小可检声强i 。和所需的视场范围a 为设计目标，系统 地分析计算s l a m 功能模块( 换能器和声学室) 内的声场分布，并实验测量得 到声学室表面的声场分布；临理论分析的结果基本相符j ) 第二章，s l a m 系统 成像检测样品时，可模拟成平面声波在分层介质内的传播，理论分析获得声 波透射率i m l 2 与入射角0 的一般公式，并用实际样品材料的声学参数，进行 了数值计算，所得的结果为s l a m 的设计制造提供了理论依据，并有助于使用 者提高测试样品的能力和效率。第三章，s l a m 的声光成像技术是著名的刀口 技才( k n i f e e d g em e t h o d ) 。为了提高灵敏度，激光的光斑尺寸与声波波长 应满足一定的关系，本文利用傅立叶光学变换的理论分析计算刀口解调技才毫v 一 找到了三种照射光场获得最佳灵敏度的光斑尺寸，并在实验上得到验证第 四章，在研制s l a m 中，为了缩小整机的结构体积，决定用半导体激光器替代 气体激光器，从而必须对系统的光路进行设计和分析计算，强口激光的准直、 整形和光束扫描等) 。第五章，介绍研制成的s l a m 系统的整机方块图，并对金 属网格、m i c 样品和模拟集成块的带状线焊接进行实用性无损检测实验，获 得满意的结果。 ( 应指出的是：首先，第二章的理论分析和计算结果所指出的实用方向是 目前国内外文献未见报道的内容，属于本文主要创新部分之一：其次，第四 章所论述的问题，已经有创新的实际成果。我国研制的s l a m ，首次用半导体 激光器代替国外s l a m 中的h e n e 激光器，其结构紧凑，使用寿命较长，价格 便宜，性能与国外的基本相同。厂矿， 关键词：激光扫描声学显微锑，微波声波：声学室：刀口技术，声波透 射率f m 2 a b s t r a c t a sa n i m p o r t a n ta n a l y t i c a l i n s t r u m e n t ，a c o u s t i cm i c r o s c o p y i s s e r v i n g e f f e c t i v e l yi nt h ea r e a so f b o t hb i o m e d i c a la n dm a t e r i a l st e c h n o l o g y m g h tu pt o n o w , s c i e n t i s t s a n d t e c h n o l o g i s t s s h o wi n t e r e s ti nt h er e s e a r c ho fa c o u s t i c m i c r o s c o p y a n di t sa p p l i c a t i o n o nt h i sa c a d e m i ct h e s i s ，t h et h e o r y , t e c h n o l o g i c a ld e s i g n ，a n de x p e r i m e n t s o fs l a ma r e c o m p r e h e n s i v e l y d i s c u s s e d b a s e du p o nt h e o r yo fi n t e r a c t i o n b e t w e e na c o u s t i cm i c r o w a v ea n dm a t e r i a l s ，a n da c o u s t o o p t i c a li m a g i n g o n p r e f a c e ，t h eh i s t o r y , p r e s e n ta n dd e v e l o p m e n to f a c o u s t i cm i c r o s c o p y , e s p e c i a ls l a m ，a r er e v i e w e d o nc h a p t e r l ，t h ef u n c t i o n a lm o d e lo fs l a m - a n a c o u s t i cc e l la n dat r a n s d u c e r - a r ed e s i g n e d i nt h ea c o u s t i cc e l l ，t h ed i s t r i b u t i o n o fa na c o u s t i cw a v ef i e l di sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ；a n dt h ea c o u s t i cf i e l do nt h e s u r f a c eo ft h ea c o u s t i cc e l li se x p e r i m e n t a l l yt e s t e d ，t h i st e s t e dr e s u l t sc o i n c i d e w i t l lt h et h e o r e t i c a lv a l u e s c h a p t e r 2 i sd e v o t e dt ot h em o r es i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n a l y s i s m l e n i m a g e - t e s t i n gs a m p l e s s l a mc a nb es i m u l a t e d a sa na c o u s t i cm i c r o w a v ei n l a y e r e dm e d i a , t h ef u n c t i o no f a na c o u s t i ct r a n s m i t t i v i t y l m 2 i n c i d e n ta n g l e ( o ) c a nb ec a l c u l a t e da n d d i g i t i z e d i t sr e s u l ti sv e r yu s e f u lf o rs l a m sd e s i g na n d a p p l i c a t i o n s a no t h e ri m p o r t a n tp a r to fs l a m i st h e a c o u s t o - o p t i c a li m a g i n g t e c h n i q u e ( w h i c hi s w e l lk n o w na s k n i f e - e d g et e c h n i q u e ) i nc h a p t e r 3 ，t h e k n i f e - e d g ed e m o d u l a t i o ni sa n a l y s i z e d 谢t l lf o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o d ，a n dt h e b e s td i f f r a c t i o n - l i m i t e ds p o t sa r ef o u n da n dc o n f i r m e dw i t l li t se x p e r i m e n t a lr e s u l t i nc h a p t e r 4 t h e r ei sa n i m p o r t a n tr e f o r mf o rs l a m m a d ei nc h i n a t l l i si s ：a l a s e rd i o d er e p l a c et h eg a sl a s e ra sa nl i g h ts o u r e eo f l a s e rs c a n n e r ”t h e r e f o r e ，t h e l i g h tc h a n n e l ，t h ec o l l i m a t i o na n dp l a s t i c so f l a s e r , a n dt h el a s e rs c a n n e rm u s tb e r e d e s i g n e da n dr e c a l c u l a t e d i nt h el a s tc h a p t e r 5 ，a f t e rs e t t i n gu po u r ss l a m ， s o m es a m p l e s ( m i c ，c h i p s e t c ) a r ei m a g i n g - t e s t e do nt h es l a ma sak i n do f p r a c t i c a lr e s e a r c h i ts h o u l db en o t e d ：t h e r ea r et w oa c h i e v e m e n t si n t h i st h e s i s f i r s t t h e r e s u l ti nc h a p t e r 2 ，t h ef u n c t i o no f t r a n s m i t t i v i t y m 1 2 i n c i d e n ta n g l e ( a ) i s v e r y u s e f u lf o rs l a m sd e s i g na n da p p l i c a t i o n s ，i th a v e n tp u b l i s h e do na n ya r t i c l e s e c o n d l y , t h ei m p o r t a n tr e f o r mi nc h a p t e r 4 ，c o m p a r e 谢t l ls l a m m a d ei nu s a ， t h ec o n s t r u c t i o no fo u rs l a mi sm o r ec o m p a c t ，i t sp r i c ei sm o r ec h e a pa n dt h e p e r f o r m a n c e i sa b o u tt h es a m e k e yw o r d s ：s c a n n i n g l a s e ra c o u s t i cm i c r o s c o p y , a c o u s t i cm i c r o w a v e ，a c o u s t i c c e l l ，k n i f e e d g et e c h n i q u e ，a c o u s t i ct r a n s m i t t i v i t y m 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名 日期：少浒彦月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名： 刎j导师签名) 蔽参f 盆 日期：矽吩年争月多日 电子科技大学博士学位论文 声学显微镜的引论 引言 在材料科学和医学科学等领域内，很多年来，光学显微镜早已作为一种 研究和探测物质微细结构的基本仪器，光学显微镜上所获得的图像是大家熟 悉的光像，光像的反差度与被测样品的电介质特性的分布有密切的关系，成 像系统的分辨率决定照射波的波长( 九) 。一台高级光学显微镜的分辨率约为 0 6 ，例如用绿色光照射，分辨率可达0 3l am 。 用“声波”( a c o u s t i cw a v e ) 来照射并观察物质样品也同样一直是人们关 心的问题。早在1 9 3 6 年，苏联学者s o k o l o v 首先提出利用声波实现显微 观测的设想和方案【”。“声学显微镜”具有两个主要特点：第一，声像的形成 来源于辐射声波与被测样品的相互作用，声学像的反差度仅与样品材料的机 械特性有关。实验证实，光学显微镜下观测得到的均匀样品或不透明的材料， 在声学显微镜下却获得具有高反差度和不均匀的声像；第二，声波在物质中 传播的速度远远低于光速，故只要利用远低于光波的声波频率，就可使声学 显微获得较高的分辨能力。因此声学显微镜能为人们提供新的信息，这些新 信息是在光学显微镜下得不到的。虽然声学显微具有上述不同于光学显微的 特点和优点，但在s o k o l o v 所处的年代，由于技术上的原因，无法使声学 显微镜成为现实，直到1 9 5 9 年才由d u n n 和f r y 两位学者第一次表演了“声 学显微”的实验1 2 ，但工作频率不是很高。随着激光技术、半导体和压电薄 膜等新技术和新材料的发展与成熟，7 0 至8 0 年代初，“声学显微”才真正成 为现实，并立刻受到人们的重视。这一时期内研究并制造出的声学显微镜主 要有两类型式：第一种类型是由c e q u a t e 等研制出的机械扫描声学显微镜 “m e c h a n i c a ls c a n n i n ga c o u s t i cm i c r o s c o p e ”简称( s a m ) 3 1 1 4 ，第二类型是 由l w k e s s l e r 等提出并研制出的激光扫描声学显微镜( s c a n n i n gl a s e r a c o u s t i cm i c r o s c o p e ，简称s l a m ) s l 。这两类声学显微镜作为一种重要的分 电子科技大学博士学位论文 析检测工具在材料科学和生物医学科学可发挥有效的作用。 由于应力波与样品材料的相互作用，声学显微获得的图像反映了材料各 处弹性特性的变化状态，即密度、压缩率和粘弹率的分布图像。又因大多数 物质对声波是透明的，故声学显微镜能对样品材料的内部作无损捡测。实际 应用证明：第一：在材料科学研究和材料生产的质量控制中，一些特殊的区 域、如亚表层缺陷、裂痕、掺杂和脱焊等，需用声学显微镜进行无损的成像 检测，以便发现或预见隐藏的缺陷、裂痕等问题。第二：在生物医学研究领 域内，声学显微成像技术不需要任何化学染色程序就能有效地观察并区分活 细胞组织的差别。这种没有化学处理细胞组织的显像目测方法，不但十分有 效，而且还能发现新的结构信息。因此在组织病变的医疗诊断时，“声学显微 成像目测”是目前最有价值的检测技术。8 0 年代初至今，在上述两个领域内， 实用研究获得的成果很多，发表的科研论文也不计其数。至今，有关显微成 像新技术仍在发展之中。 s a m 的概况 图1s a m 的原理框图 电子科技大学博士学位论文 图1 内所表示的是一种传输式s a m 的原理图。图中主要有两个结构上 完全相同的器件，即发射器件和接收器件。一根兰宝石园柱体的一端面上粘 贴了一块压电换能器片，另一端面中心处研磨成凹球面形状作为一个声透镜 ( a c o u s t i el e n s ) ，这样便形成了一个发射声波的器件，因它具有互易性，故 也能作为接收声波的器件。在发射器的压电换能片处加上电振荡器( o s c ) ， 换能器的声振动产生一束声波( 近似于平面声波) 。声波在兰宝石柱体内传播 并投射至球面声透镜上受到折射，在水中变成收敛波束和焦聚，焦点后的声 波为发散波，它投射在接收的声透镜上又一次折射成平面波，接着由接收换 能器转变成电信号输出。为了显像目测，样品薄片放置在焦平面上，并使它 有序移动让声波通过样品每个点。用声波透射率的变化去调制显示器c r t 的 亮度，从而显示出样品的图像。样品输出信号的位置移动是和显示器的x y 轴同步的。水平扫描是由紧贴在振动的喇叭筒上的一根杆来实现。垂直驱动 装置是一个液压传动活塞。图1 中所表示的声学系统是由l e m o n s 和q u a t e 提出并完成的【4 j 。 有关波束的聚焦问题，在光学系统中，为了补赏球像差问题，光学透镜 的设计和制造比较复杂，而且需要多个透镜。但声学系统中，将接收器件和 发射器件( 包括透镜) 安装成共轴和共焦点的形式，被测样品安置在焦聚区。 成像检测时，聚焦的声波束不动，移动的是被测样品片本身。这样能得到最 大的电信号和分辨能力。由于透镜材料与液体之间的声折射情况和光折射完 全不同，声束比光束更容易获得聚焦，故在s a m 内仅需两个声透镜就可使 系统的球像差很小。例如，兰宝石与水之间的声速之比为7 5 ( 声折射率之比 的倒数) ，所以从旁轴区和远区来的射线都能以较为精确的方式进入聚焦区并 穿过焦点。 s a m 的工作频率越高，分辨能力也越高。但是，工作频率的提高受到了 声透镜之间液体内声衰减的限制。声信号的衰减取决于两透镜间的间隔距离， 继而又取决于声透镜的曲率半径。第一次s a m 实验成功的报导在1 9 7 3 年， 其工作频率为1 6 0 m h z ，声透镜的曲率半径为1 5 9 r a m l 4 。它的两透镜之间的 电子科技大学博士学位论文 距离约为3 6 m m ，在室温下，包括样品本身的损耗在内，水中的总损失为 2 0 d b 。s o k o l o v 所建议的工作频率为3 g h z ，这时水中的声波长为o 5 i tm ， 可与可见光相比，然而在6 0 下水中的声吸收高达8 0 0 0 d b c m ，必需进一步 缩短透镜之间的距离才能实现，因此由j i p s o n 和q u a t e 实验成功的s a m ，工 作频率是在3 g h z ，声透镜的曲率半径只有4 0um t6 1 。 s a m 利用压电换能器接收和检测声信号，其主要优点是具有很高的灵敏 度。然而遗憾的是这一高灵敏特性受到液体吸收的严重影响。为了得到声波 的焦聚，透镜间的液体空间必需足够长，声波传播在此路程上，主要的声信 息被水吸收而损失很多。因此进一步提高工作频率和s a m 的分辨能力的可 能性将依靠寻找合适的低损耗液体和研制出曲率半径更小而精细的透镜曲 面。q u a t e 等建议将s a m 仪器随同被测样品一起工作在液氮中可以进一步提 高分辨力【”。因为声波在液氦中的波长比水中的要缩短很多，液氦中声波被 吸收而损失也要比水中低几个数量级。 s l a m 的概况 图2s l a m 系统的方框图 4 电子科技大学博士学位论文 图2 所表示的是s l a m 整个系统的方框图酗。与s a m 系统内的聚焦声 波通过被测样品的方式不一样，s l a m 系统内的被测样品则受到平面声波的 透视，并用一束激光去扫描位于样品另一侧面附近屏幕和读出声学图像( 作 为屏幕的面板是一块半透明的镜面) ，屏幕面上的声光相互作用的原理图表示 在图3 中【5 】。当一个单频的平面声波透射通过样品时，声波将根据样品物质 图3 在交界面上声波能量的激光探测图 内在的弹性微观结构状态被散射和吸引，因此透射声波是一个含有样品各种 声信息的调制波，在屏幕交界面上是一个非正弦的动态波纹，当用一束激光 在交界面上作扫描检测时，就能读出样品的弹性分布图像( 即声学像) 。如图 3 所示，位于声压波动场内的一个光反射面也将引起动态的变化，它的畸变 性变动正比于各处的声压，即反射镜面的位移变化与声压波的幅度及相位是 一致的。当激光束入射在此动态镜面上，反射的激光在空间上得到角度调制。 如果全部的角度调制光束被光电二级管所接收，则它的电信号输出的一个直 流电平信号，因为进入光电检测器的光功率将不可能变成含有角度函数的电 信号。如果将一部分( 5 0 ) 激光束用刀1 2 1 ( k n i f e e d g e ) 拦住，让另一部分 电子科技大学博士学位论文 反射光进入光电二级管检测器，这样获得的输出电信号将由直流分量和交流 分量组成，其交流分量的幅度正比于声压波的幅度函数。这就是著名的刀口 解调技术。 在s l a m 系统内，应用声光衍射器来实现激光束的水平扫描【9 1 ，在声光 衍射室内，一个单向行进的声波用来作为衍射激光束的光栅，只要声光相互 作用距离足够长，就能引起有效b r a g g 衍射，实际上b r a g g 衍射是将所有激 光衍射偏转成单边的一级光，其偏转角是光栅周期的函数。所以改变波的频 率，就可使输出激光束在一定角度范围内扫描。激光束的垂直扫描是由一台 伺服控制的振镜电流计完成的。s l a m 系统的每帧图象扫描频率调整设计得 与电视机的标准一致。 s l a m 系统的工作频率选择取决于声信号在样品材料内传输时的固有衰 减量，当前一般多工作在1 0 0 m h z 5 0 0 m h z 范围以内。除样品本身的损耗 过大之外，较厚的样品用s l a m 来无损检测没有什么问题。与s a m 相同， 为了提高分辨能力，需提高工作频率和降低工作温度，可将s l a m 系统处于 液氦中工作，而与s a m 不同的是：s l a m 的分辨率取决于激光光波的波长。 作为激光扫描技术的副产品，s l a m 工作时，除获得声学像之外，可同 时获得样品的光像，如图2 所示，在光学半透明的样品下，如生物组织和透 明的固体材料，应用半透明的面板，这样，一部分激光能穿透镜面和被测样 品，后进入另一个光电探测器，其电信号输入另一个显示器中得样品的光学 图像。对于某些用户来说，同时获得样品的声学图像和光学图像是十分有价 值的事。 8 0 年代中期至今，s l a m 在追求更高分辨能力、灵敏度的同时，在实际 无损检测新材料、新器件的特性、缺陷及伤痕等方面，包括新器件的在线无 损检测，s l a m 作为高新技术，发挥了非常重要的作用 1 0 - 2 2 】。 我国s l m 的研制和应用概况：1 9 8 8 年电子科技大学成功地研制了我国 第一台1 0 0 m h zs l a m 实验系统 2 3 1 。并在基础上利用谐波技术将工作频率提 高到3 0 0 m h z ，分辨率从2 5 “m 提高至8um 1 2 4 】1 2 5 1 ，并对人的肺组织、植物 6 电子科技大学博士学位论文 表皮纤维组织等进行了s l a m 探测，得到十分满意的声学图像。实践说明， 作为一种高科技的无损检测仪器，s l a m 的工作频率、声学室的结构设计， 完全与被测样品的形状和声学性能有密切的关系，因此，针对电子元器件制 造工业中需要无损检测大量的多层陶瓷电容器，电子科技大学制造了专用的 s l a m 无损检测仪【2 6 1 ，在研制过程中，首次成功地用半导体激光器替代体积 庞大的h e - n e 激光源，从而缩小了s l a m 整机的体积。对于声表器件之类的 s l a m 无损检测可以不需要独立的声发射源，因为声表器件本身就能发射或 接收声波，仅需利用激光扫描读出系统，就可显示检测这类器件自身的声学 图像【2 ”。 声学显微成像模式的简介 声学显微镜作为一种新的分析工具，其实用价值完全取决于它对解决问 题的适应能力。上述的s a m 和s l a m 仅是给出了一个良好的基本框架结构。 为了达到实用上具有通用的能力，还必需作许多技术上的改进。下面将只介 绍有关s l a m 的几种成像模式。 透射声波的幅度成像模式 在s l a m 发展过程中，首先获得的是透射声场的幅度图像。至今透射波 的幅度成像仍然是种最有实用意义的声成像模式。在这一成像模式中，由 于声波能量的透射率随着地点的改变而变化，故声像显示出的为样品材料组 织的结构状态。由样品自身的声吸收或由于样品弹性结构的不均匀分布出现 声波的反射和散射，都会引起透射声波的衰减，尺度上大于一个声波波长的 不均匀性将一个个独自地得到分辨，并将一些有差别的组织结构呈现在声学 显微图上。当不均匀分布的尺度小于一个声波波长时，声波束的衰减则主要 来源于声波的散射。故微粒结构的散射将产生种独特性的“质地性”声学 图像，这种图像可反映出被测材料的特征。 电子科技大学博士学位论文 透射声波的相位成像模式 除透射波的幅度变化之外，声波的渡越时间或相位的变化也是十分重要 的信息源。因为相位与声速有密切的关系，而声速本身又与压缩的空间密度 相关联，因此相位信息一定能被用来形成新的声学显微图像。可是在声学显 微镜出现之前，尤其在微观水平上来说，实现相位成像、测量密度和压缩率 的空间分布等是不可能的。 声学相位反差度成像模式完全是直接模拟光学相位反差度成像而得来 的。在相位反差度模式中，由透射声波的相位控制了监示器的亮度电平，因 此声图像是声速变化的结果。( 和透射幅度像相比较，监示器的亮度电平是受 声波衰减量的变化所控制的) 。除了同样能揭露样品材料的物理特性之外，从 实际应用的观点来看，相位成像模式的优点是能较为容易地“观察”低反差 度的组织结构情况。例如，在m a r m o r 等的文章中【2 引，需要检测某人的视网 膜切片，在光学或声学的幅度成像模式下，看不到细胞层组织特性的各种变 化，而在声学相位成像下，无需任何染色程序就能清楚地看到特性的变化， 而且能很好区分细胞组织的结构状态。 声学的干涉图 声学干涉成像模式是只要将一系列的干涉条纹加在声幅度图像上，就可 将声速数据编入在声图像内。举例来说，图4 所示的为一只活的老鼠在胚胎 期内的心脏图像1 2 圳。由于它比较厚，光学上是不透明的，故在图4 ( a ) 所示的 样品像是全黑的。图4 ( b ) 所示的为声幅度显微图像，在图中已经可看到样品 的轮廓和区别组织结构状态，证明了声成像的优越特点。图4 ( c ) 为声学干涉 图像，它由一系列垂直的干涉条纹组成，一束l o 。的声波入射场和一模似垂 直入射的参考电信号同时输入至检测器，这样在声像内出现了空间拍频的垂 直条纹。需要指出的是：一般的相位成像是将相位信息转化成灰度电平，而 干涉图像则从干涉条纹的横向位移来获得相位信息。图l - 4 ( c ) 的干涉图上， 干涉条纹的位置移动是样品自身的两个状态所决定的：第一、心脏组织的声 皇王型垫查堂堕主堂垡丝壅 ( b )( c ) 图4 活的老鼠在胚胎期内的心脏图像 速要比它周围的内脏( 包括有机液体) 的声速要高一些，所以出现条纹右移， 右移的大小取决于组织厚度；第二，当肌肉收缩时，声波的固有速度要增加 一点。 声波频率扫描下的声成像模式 在单一频率下工作的s l a m ，发射波是一种具有相干性的声波，在传播 路径上，经过水、样品本身的材料物质等，如果物质是不均匀的，则经历反 射或散射后的透射波将在像平面上产生声斑点或振纹。若所有相干的空间波 分量之间的相位相长和相消是随机性的，则图像强度在位置上也随机分布的， 这就称谓“声斑点”；若相位的相消和相消是一种有秩序的变化，则像平面上 将出现条纹状态的图案，这就称谓“声振纹”。 当我们观察相干系统产生的图像( 包含斑点和振纹) 时，就很难说明看 9 电子科技大学博士学位论文 出了什么，并很难对图像作出评价。这些虚假的像素与噪声完全不同，它们 实际上是一种对我们毫无用处的声信息，它们总是干扰着我们对被测样品的 了解。尤其是在检测静止的样品材料时，斑点和振纹的出现是特别会惹起麻 烦的事。 实验证实，在激光读出系统中，声波的相干性越强越好，但同时斑点和 振纹也越严重。若降低声波的相干性，斑点和振纹也随之减弱，但系统的分 辨能力也随相干性的降低而降低，最终将出现图像模糊。故相干性降低到什 么程度需要有一个允许的限度。 用单一频率发射的一般声成像系统，如s l a m 系统，利用声波频率扫 描来消除图像的虚假细节。在这方面已由a k o r p e l 等给出了坚实的数学 推导【3 0 l 。 综上所述，s l a m 作为一种新型的无损检测仪器，其技术还在不断的发 展中，其设计、结构等都密切依赖于应用的对象。本文首先以s l a m 最小可检 测声强i 。和所需的视场范围a 为设计目标，在确定的s l n d 工作频率下，通 过对s l a m 换能器和声学室声场的理论分析和实验研究，进行换能器和声学室 的理论设计；其次，由于s l a m 的分辨率、声波传输角度等指标参数完全与被 测样品的声学性能、尺寸厚度密切相关，因此，将根据声波的传输理论，分 析计算声波在层状结构下的透射率与入射角的关系，求得最佳声波入射角， 以获得最佳灵敏度；第三，为了使透过样品的声波能被检测，根据傅立叶光 学变换的理论分析了声光互作用的刀口解调技术，并对三种照射光场获得最 佳灵敏度的光斑尺寸进行了计算并进行了实验验证；第四，在研制s l a m 中， 为了缩小整机体积，提高可靠性，决定用半导体激光器替代气体激光器，并 对系统的光路进行了重新设计和计算；最后，在研制成功的s l a m 整机上，对 金属网格、m i c 样品和模拟集成块的缺陷进行了实验检测，获得了较满意的 效果。上述工作实际上前后持续长达6 年，取得了一些成果。本文将在以下 章节对此进行详细的描述和总结。 电子科技大学博士学位论文 第一章声学室和换能器的理论和设计 本章将以最小可检声强度i 。和所需的视场范围a o 为主要设计指标，系 统地分析计算s l a m 中的声学室和换能器，给出了它们的设计依据，计算出 了声学室的衍射场和衍射损耗以及声学室表面处的透射、反射系数，求出了 换能器的转换损耗和反射功率，并在此基础上算出了微波源的输出功率。 1 1 声学室的设计与材料 在s l a m 系统中，i 。代表了s l a m 系统的灵敏度，在假设电子系统的 散粒效应噪声有限，光电二级管中激光所引起的散粒效应噪声要比接收机的 电子噪声大得多，在信噪比为1 时，可证明【3 l 】： i $ m 2 丽鲁 ( 1 _ 1 ) 式中为声波频率，以百m h z 计，v 为声波在水中的速度，p 为水的密度， 为光波波长( 以a 计) ，h 为p l a n k 常数，h ；6 6 3 1 0 。3 4 j s e c ，v 为光频率， n 为光电二级管量子效率，t 为取样时间，g l ( 0 ) 为招描面板的响应特性， 9 2 ( 01 光e g - 极管的响应特性，p o 为激光功率。 若采用半导体激光作光源，p o = 1 5 m w , = 7 8 0 0 a ，t = 0 8 l o s e c ，n = o 4 ，g ( e ) g i ( o ) = o 1 5 则有 is m = 2 1 0 。w c m z ( 1 - 2 ) 从( 1 - 2 ) 式可知，灵敏度随声波频率工成反比变化，声波频率越高，灵 敏度越低，在7 6 h m z 情况下，通过改变p o 、t 和r i ，可得最小可检声强度 i s m = 1 0 - 3 m c m 2 ，在7 6 m h z 频率下，我们要求在工作面板上有一个2 2 m m 2 的 现场范围。为了在此范围内建立起所需要求的动态波纹，必须有一束强度为 i 。的声波斜入射到工作界面上，也就是要建立一个声学室来传播声波。 电子科技大学博士学位论文 1 1 1 声学室的结构和材料 声学室除了传播声波外，同时还要用来固定换能器，并要求它对声波的 衰减尽可能小。基于这样的考虑和加工方便，选择石英作为声学室的材料， 结构如图1 1 所示。 换能器 l k 一： i 冬 一i 图1 1 声学室结构示意图 面板 水层 玻璃( 声学室) 图1 1 结构中，水层的作用有两个，第一是作为声学室与工作面板的过 渡层或称为匹配层，第二是放置被测样品，这个水层很薄，一般为1 2 r n m ， 为了分析方便，忽略其中的衰减，也不会引起大的误差。我们刚才提到的i 。 在这里就是指水中入射到工作面板下表面的入射声波功率密度，在没有损耗 的水中，也就是声学室表面的透射功率密度i s 。 1 1 2 声学室表面的透射与反射 这一段将分析为了得到所要求的透射功率密度i s m 。，声学室中应有多大的 声波的入射功率密度，为此，必须先求出声学室表面的透射系数和反射系数。 设一束声纵波以8 ，角度入射到声学室表面上，如图1 2 所示，一般情况下， 它将在介质中耦合起一束反射纵波和一束反射横波，此反射波横波的极化方 向平行于入射面【3 2 1 ，在水中( c 4 4 - o ) 只能耦合出纵波，这束波的z 方向分量 可以分别用传输来等效，而交界面用理想变压器等效，等效电路如图1 - - 3 1 3 3 1 所示。 电子科技大学博士学位论文 图1 2 交界面处的透、反射图图1 3 交界面的等效电路图 其中，代表在介质中的纵波，s 代表在介质中的横波，代表在水中的纵 波。理论分析表明： 乙= 巫c o s 五8 ， 乙= 巫c o s 互0 s 乙= 巫c o s 盟8 f k l = 知了石 k j = | v ” 以及： ”，= 砰( 砖一七三) n 。= 2 七。，( 七三一k 5 ) 称”，为透射变压器匝比，而为反射横波变压器匝比，各参量中m 表示 m e d i u m ，w 表示w a t e r 。根据网络理论，可以得到透射系数为： 乃= 而荔2 磊2 ( 1 - 3 )乃。i 而赢 横波反射系数为： 电子科技大学博士学位论文 t = 而券2 瓦 ( 1 - 4 ) 以及纵波反射糸数为： 乃= 畿2 券2 孝 m s ， 将各参数代入各表达式得： 乃2 面丽而了万石2 面m 再函五两而 1 _ 6 ) t = 面面面8 c 死o s 2o - , s i n 面so,t弱go：历tgo而f ( 1 1 7 )j = ，一 i ， 5 留岛c 喀曰rc o s 22 以+ 2 c 喀口，s i n 2 以s i n2 见+ m 、。 正：m + s i n s2 0 下, t g o , c t g o ：- c o s 2 2 0 , t g 0 1 t c t g o ：( 1 - 8 )，= ：- - - ? 一 l t g e , c t g e f c o s i2 0 , + 2 c t g e fs i n 2 0 , s i n i8s + m 这里m = p 。p ， 上面各系数都是质点速度的z 方向分量v 2 对应的系数，它们可以通过 s n e l ll a w 表达成入射角0 ，的函数，由于表达复杂，这里就不显式表达了。 我们感兴趣的是纵波( 或横波) 传播方向的质点速度的反射和透射系数，它 们是： 乃= 乃嚣= 丽面忑( 酉2 m c 石o s o t 面) c o 面s o ：面两磊 乃= 。湖c o s 以s _ _ _ _ l = 面画8 忑c o s o 匾, s i n 瓦20 3 t g 瓦o s c t 面g o ：c 蕊o s o 瓦t 而 利用计算机可描出t 随入射角0 ，的变化曲线，如图1 4 所示蛳 1 4 ( 1 - 1 0 ) 电子科技大学博士学位论文 图1 4 透射、反射系数随0 ，的变化曲线图 从图中曲线可见，当入射角0 ，。4 3 。时，反射纵波t ，为零，只有反射横 波和透射纵波。因此，为了分析的方便，入射角0 ，应选成4 3 。，但考虑到 加工的方便和规则，选0r m 5 。，这时透射系数t n = 0 1 5 3 。 现在就可以求出介质中的入射功率密度了。根据坡延亭公式： 即= 去砀和 ( 1 - 1 1 ) t n = z 一 ( 1 - 1 2 ) 得到传播方向上的纵波透射功率密度为： p f l = i j y - - 西p ，y ；( i - 1 3 ) 令胪i 。，故： = = 3 6 5 1 0 3 ( m s e e )r 1 1 4 ) 此处，珞表示水中传播方向的质点速度振幅，砀为水中声波的传播速度。 同理，在介质中有： 蜀= 三，风砰 这样可以得到声学室表面处的功率透射系数为： ( 1 - 1 5 ) 荔 电子科技大学博士学位论文 鲁= 辔皆o o o z s ， 故： p l = t i 。= 0 3 7 4 ( w c m 2 1 透射损耗的d b 数为： t l i ( 面) = 1 0 l o g p - 惫- - = 2 5 7 3 ( 如) 1 2 声学室的衍射 ( 1 - 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) ( 1 - 1 8 ) ； 图1 - 5 各向同性介质中的损耗曲线图 在阻尼衰减很小的石英琉璃介质中，衍射损耗成为主要的衰减而不可忽 略，声波的衍射场可以借助电磁波的衍射理论推导出来口5 1 。除特殊情况外， 衍射问题最后将归结为一个无限极数，必须用数值法方可得到最终的场解。 电子科技大学博士学位论文 下面讨论一种特殊的情况，即园盘状换能器的衍射，此换能器的结构类似一 个电容，二电极之间夹着压电体、电极上加电压后，换能器沿厚度方向来回 膨胀、收缩，在换能器附近的固体中产生声波，此类换能器波称为平面活塞 式换能器，下面分析它辐射出的声场。 1 2 1 平面活塞式换能器声场分布表达式 其原理如图1 6 所示： 换能器s o 被媒质包围，它在空间各处( 如p o 点) 产生声场( 速度位妒) 。 换能器左右两侧速度分别为v 。、v ：，在空间产生声波，在分析时，常作假设 如下： 图1 6 活塞式辐射器示意图 i 换能器很薄，厚度可以忽略不计，换能器横向尺寸很小，可以认为换 能器s o 上各点位函数q 为常数。 2 换能器左右对称，左右两端膨胀、收缩速度相等，而且同相，中心面 振动速度为0 。 在上述假设条件下，经数学推导可得声场位函数 毗) = 学- j k , d s 1 9 ) s l a m 系统中常用圆片振动塞换能器，这种结构中都可近似认为换能器 是园片形，半径为a 且认为： 1 换能器上各点都是法向振动速度，而且速度相等。 、： 一f 廷 扛；、 电子科技大学博士学位论文 2 换能器周围媒质均匀、无穷大，故声场是对称的，只要求出x o z 面上 各点的声场即可。 换能器半径为a , x o z 面上任一点p o ( ，0 ，p ) ，p = 0 ，换能器上任扇形面 积元d s ，d s 的中心为b ，d s = p d 9 d p ，b 点的坐标为( p ，中) ，b 点和p o 点间距 为r 。 y 图卜7 振动活塞结构示意图 则由( i - 1 9 ) 司得圆片形换能器在p o 点产生速度位为： 舭) = 去f ”却聘 ( 1 z o ) 实际应用中常常希望求出声压p ，可由尤拉方程得到p 和( p 的关系。 如= 警f ”却群 ( 1 _ z ，) 式i - - 2 1 是圆片形换能器附近空间中声场的一般表达式。 式1 - - 2 1 虽然形式简单，但由于是超越函数，难于求出一般的解析解， 仅在一些特殊情况下能求出简单结果。如r a ，即夫朗合费区，可求出解析 式。 此时： 妒( ，口) 一r o s 2 e - j * l 2 j 勋l ( c s a i l l s i 口n o ) ( 1 2 2 ) 电子科技大学博士学位论文 p = j p o c k c p = 学 雩警 m z s ， 当0 = 0 时可得声压幅值场沿轴线的分布 p 。( z ) ：2 c p o v o l s i l l 冬【( z 2 + 口2 ) 。5 一z 】1 ( 1 - 2 4 ) izi 通过对上式的分析，我们可以得出声压在轴上的分布规律为：在 z旦三一垒“a2a范围内，声压振荡分布，z妥一会a2aa 4 后，声压从 a4 某一值逐渐减小，我们要用的也是这一点以后区域的声场，该区域也称夫朗 和费区，z = a 2 a 称为菲涅尔长度，如换能器半径为l m m 则菲涅尔长度为 1 6 7 m m 。 1 2 2 换能器衍射声场分布的计算机模拟 前面分析衍射场时，从理论上推导出了换能器声场的一般表达式( 1 - 2 1 ) ， 并利用远场区的近似条件对( 1 2 1 ) 进行了进一步的处理，得出了远场区声 场分布的一般规律。对于近场区来说，( 1 - 2 1 ) 虽然形式简单，但由于是超越 函数，难于求出一般的解析解，我们可以通过数值计算，用计算机对所有场 区的分布规律进行模拟。 声压分布的一般表达式如下： 删) = 警。却睁脚 ( 1 - 2 5 ) 将上面积分进行离散化可得： 删艺窆等c x p ，( 孕) (126)p=，g=l p q p = t g = l 其中，a 为比例常数： p 、q