【《连续波声标记激光干涉原理概述》4700字】

连续波声标记激光干涉原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u29002连续波声标记激光干涉原理概述 [41]在通常情况下，入射光与声波传播方向不垂直，且产生只产生0级衍射光和+1级（或-1级）衍射光。当且其入射光线与声波传播方向夹角不等于90度的时候，声光效应表现为布拉格衍射。其入射角满足：=±1，±2，…（2-10）此时，衍射将出现主极大，生成衍射条纹。其中，被称为布拉格角。由于发生布拉格衍射的前提条件是其声光相互作用的区域较长，因而除了0级衍射光和＋1级（或-1级）衍射光，其余各级衍射光光强极小，可以忽略不计。因而可以仅考虑0级衍射光各1级衍射光（或-1级衍射光）。其衍射现象如图2-2所示，当声光衍射发生时，1级衍射光（或-1级衍射光）与y轴之间的偏转角称为布拉格角。图2-2布拉格衍射示意图该角的大小满足如下公式：（2-11）由于，因而布拉格角非常小。因此可得1级衍射光（或-1级衍射光）与入射光得夹角，即其偏转角为：（2-12）其中，是声波得传播速度，是传播介质的折射率，是声波的频率。从以上推导可以看出，偏转角与超声波的频率呈线性关系。换句话说，要想定量控制布拉格衍射的偏转角，只需对声波产生的频率进行控制即可。在满足布拉格衍射的时候，其衍射效率如下式所示：（2-13）其中，为超声波的功率，L和H分别为超声换能器的长和宽；P为弹光系数，M为声光介质本身性质的一个常数，其大小为：（2-14）上式中，为介质密度。在实际应用中，M、L、H往往都是常数。因而，超声功率的改变，可以直接控制衍射的光强。理论上布拉格衍射1级光的衍射效率可以达到100%。而拉曼奈斯衍射中，由于多级主极大的存在，分散了光束的能量，使得其1级光的最大的衍射效率最高仅为34%。1.2声标记激光干涉原理根据之前的论述，可以知道对于激光而言，声信号在液体介质中就像一个光栅。在这种情况下，激光的光学长度被周期性地调制。本研究就是利用声光信号完成的声速测量：发生声光效应后，本研究利用第0级衍射光和第1级衍射光的共线性，使其进行干涉，得到本研究所需要的声光信号。在光程不同的条件下，当两束或多束这样的声光信号相遇时，必然会产生时域上的突变信号。借此突变信号作为时域上的标记点，即可获取精准的时间信息。本节将具体论述激光的自干涉原理。如图2-1所示，在激光飞跃声场发生拉曼奈斯衍射后，会产生相对于入射光对称的衍射光。本研究正是利用衍射光中0级光与1级光的共线性——实际上0级光与1级光并不共线，但是其夹角极小，并且激光光束本身亦有发散的特点，这样第0级衍射光和第1级衍射光可以近似地视为共线，使光程差恒定的第0级衍射光和第1级衍射光互相干涉，产生如下图所示的正弦干涉光。因为其频率和幅值会随具体参数的设定而改变，故在此不做单位标注。图2-3拉曼奈斯衍射中0级光与1级光干涉结果1.3连续波声标记干涉的信号突变效应根据上述原理，本研究利用0级光和1级光干涉产生的声光信号来获取需要的突变点。其具体原理为：当两束声光信号相遇时，由于光程差的存在，使得两束声光信号具有一定的相位差。当相位差不等于2及其整数倍时，两束声光信号必然产生类似于图2-4所示的信号突变。很明显，其突变幅度与两束光信号的相位差有关。在下文中将详细讨论这种突变幅度对于声速测量的影响。图2-4声光突变信号示意图上述现象可用数学公式表达为：（2-15）其中为突变位置，为其左极限，为其右极限。也就是说，两个声光信号只在突变位置互相叠加，从而引起突变。在本文中将该突变定义为标记信号。可以看到，该标记信号是一种相位级别的突变，这有助于更精确地提取出声波飞行的时间信息。如果能得到两个这样的突变信号，并精准计算或测量出这两个突变信号之间的距离的时候，速度值也可以被精确地计算出来。基于这样的思路，本研究提出了声标记法的声速测量方案。由于本研究提出的方法利用的是两个相位突变点之间的声光信号去进行测量，这使得由换能器的振动机制产生的相位模糊等问题将不会为最终的测量结果带来任何误差，进而极大地保证了测量结果的溯源性，而这正是传统的脉冲环鸣法是无法做到的。基于以上原理，本研究提出了如下图2-5所示的基于马赫曾德干涉仪的光路：激光器发射一束激光，在分束镜1处，它会分成光强成一定比例的两束正交的激光。此时，靠近超声换能器的光路，即分束镜1和分束镜4形成的参考臂，会首先发生声光效应，并产生各级衍射光。同理，分束镜2和分束镜3组成的测量臂1、反射镜1和反射镜2组成的测量臂2也会形成相同的声光并根据光路向分束镜4处汇聚，最终于分束镜4处实现合束。这时，在合理的参数选择下，参考臂产生的声光信号会分别和两个测量臂产生的信号进行干涉，进而得到两个声光标记信号。图2-5本研究提出的双标记信号产生光路示意图1.4光强对标记信号的影响为了得到精确的标记信号，应尽可能地考虑各个参数对于信号的影响。本小节将具体讨论光强对标记信号的影响。本研究经反复考虑，将分束镜的分束比例设置为50：50，这样做的原因如下：在选用该比例的情况下，则可以获得最高的光学对比度，以便于观察和后期的信号处理。但是在本研究中同时要考虑，分束镜可能存在的误差，然而在反复考量后，认为本研究在该问题上是不需要极其精确的比例来保持精确的对比度的。因为从信号处理的角度来看，较小的误差对对比度的影响相对非常小，且完全不影响最后得到的声速测量值的准确性。图2-6为该分束镜的波长和折射率的关系，从图中可以得知，在600nm左右的波段，该分束镜的比例稳定且误差极小，可以忽略不计。图2-6本研究使用的分束镜的折射率和波长的关系同样要注意的一点是，本研究的前提是在0级衍射光和1级衍射光同时作用，射入光电转换器并记录其数据。因此，对于光电敏感元件的尺寸提出了一定的要求。在本研究中，使用的激光的波长为631.8nm，换能器发射的超声波的频率为1Mhz。由于此时声速波长是未知参数，需要使用MiniSVP来估计声波的波长范围。结果表明，声波的波长约为1.5mm。又由于声波的波长比光波的波长大得多，所以在对于光敏元件选型的问题上，可以忽略声波引起的不确定性。因此，1级光和0级光之间的角度经公式2-9计算得知为度。而在本实验中，敏感单元的边长是1.2毫米。根据图2-7中的几何关系，可以计算出在极端情况下，保证1级光和0级光共线的最大光程为149.35m。在该实验中，实际最大光路小于2m。因此，本研究满足了1级衍射光和0级光共线的要求。同时，参考所用激光器的数据手册，最大光束发散角为0.09