[发明专利]一种超声光栅位相振幅的定量测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量与计量技术领域，特别涉及一种超声光栅位相振幅的定量测量方法。

背景技术

超声波是一种纵向机械应力波，当超声波在透明介质中传播时，将引起介质密度在时间空间上的周期弹性应变，导致介质折射率的相应变化。若声光作用距离较小，由于光速远大于声速，在光波通过时，介质折射率随空间作周期性变化，其相位受到调制，如同经过一个正弦相位光栅，称为超声光栅。超声光栅主要分为两种：超声行波光栅及超声驻波光栅。前者形成的位相光栅是动态的，空间各点的位相随时间是不断变化的；后者是稳态的，空间存在固定位置的位相波谷及波峰。

目前国内外主要通过普通衍射方法测量超声光栅的参数，从而测出不同液体中的声速来探究液体的其他非声学性质，如弹性模量、浓度等，将其应用于对液体内杂质的探究、液体中微粒的大小的测量或激光特性的研究，或用于探究超声的传输机制、穿透特性、研制高灵敏度的超声探测设备等，但作为相位物体，超声光栅的位相振幅定量测量并不容易。若其位相振幅可测，则可能推算液体折射率的分布，从而用光学方法探究液体的弹性应变参数等。目前，定量测量位相物体的方法主要有单点扫描定量测量技术及全场干涉定量测量技术等。单点定量位相测量技术主要包括偏振灵OCT、相散显微技术、相散光层析技术、微分相衬光相干显微技术和谱域位相显微技术等。全场定量位相测量技术主要有傅里叶位相显微技术、希尔伯特位相显微技术、衍射位相显微技术和层析位相显微技术等。这些技术有的光路非常复杂；有的需拍摄多幅图像，对快速动态位相物体不适用；有的需逐点扫描，过程耗时较长；有的解包裹算法复杂等。这些方法多应用于生物细胞等空间低频非周期性位相物体，并未考虑动态及空间高频位相物体的衍射特点，对超声光栅位相振幅的定量位相测量不一定适用，实现起来并不容易，也未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种超声光栅位相振幅的定量测量方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超声光栅位相振幅的定量测量方法，包含以下步骤，如图1所示：

(1)光源发出的单色光经扩束准直后垂直于超声波传播方向照射超声光栅，经透镜变换后得到超声光栅的衍射频谱；

(2)记录超声光栅的衍射频谱，计算得到衍射频谱的衍射光强比重，代入衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式，求出超声光栅的位相振幅。

步骤(1)中所述的透镜优选为傅里叶透镜或普通凸透镜；

步骤(2)中所述的记录超声光栅的衍射频谱为通过摄像设备记录；

所述的摄像设备优选为CCD或CMOS摄像设备；

所述的频谱衍射光强比重优选通过如下公式计算得到：

①当超声光栅为超声行波光栅时，在0,1级衍射的光强比重为：

R₁＝(I₀+I₁)/I_总；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，在0～2级衍射的光强比重为：

R₂＝(I₀'+I₁'+I₂')/I_总'；

所述的衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式如下：

①当超声光栅为超声行波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₁为超声行波光栅的衍射光强比重；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₂为超声驻波光栅的衍射光强比重。

本发明的原理如下：

超声波沿X方向传播且声光作用距离非常小，则紧贴超声光栅后的光场位相分布为：

其中为无超声波时的位相(即衬底位相)，为位相振幅，ω_s及k_s分别为超声波的圆频率及波数，t为时间。上式呈行进波形式，因而其代表的超声光栅称为超声行波光栅。

若在超声波传播方向的距离超声波发生器表面的波长整数倍处放置一个反射片，可得一反射波，与原行进波叠加，形成一驻波，所得光栅成超声驻波光栅。紧贴超声驻波光栅后方的光场位相分布变为：

可见，超声驻波的位相振幅是随时间作周期性变化的。

I、超声行波光栅