CN115166062A - 一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法，包括依次设置的激光器、半波片、差分干涉仪和光电探测单元，差分干涉仪是由依次设置的起偏器、第一沃拉斯顿棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第二沃拉斯顿棱镜和检偏器构成，光电探测单元是由依次设置的第三聚焦透镜、多模光纤和光电探测器构成，起偏器的输入侧位于半波片的输出侧，检偏器输出侧位于第三聚焦透镜的输入侧，光电探测器的输出端依次通过低通滤波器和高速数据采集卡连接计算机。本发明不仅具有宽带宽、高灵敏、小探测区域等特点，同时探测光路还具有稳定性高、易调节等优势。本发明的探测器可以很容易与共聚焦拉曼、荧光等显微成像技术结合，实现亚微米尺度的多模态显微成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种全光学超声探测器。特别是涉及一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法。
背景技术
影像技术是现代医学的支柱，其中基于超声探测的影像技术具有无创、快速、无电离辐射等特点已在临床诊断中广泛应用。基于超声探测的影像技术既包括传统的B超和彩超技术，也包括近年来兴起的光声成像技术，其核心功能器件是超声探测器。超声探测器的重要参数包括灵敏度、带宽、等效噪声压力以及传感元件的物理尺寸等，直接决定了超声或光声成像的成像质量和空间分辨率。传统的光声和超声成像大多使用基于压电材料的超声换能器进行超声波探测，这些换能器带宽通常有限(以它们的谐振频率为中心)。此外，由于存在固有的机械和电气损耗，随着换能器尺寸变小，电噪声显著增加，传感器的灵敏度随着传感面积平方根的减小呈现成比例下降的趋势，限制了小尺寸传感器在大规模阵列中的使用。基于这些问题，人们开始将目光投向基于全光学效应的超声探测方式。全光学超声探测是一种很有前途的超声检测方式，虽然它仅能接收超声波，但可以提供较高的超声检测灵敏度和较大的带宽，并且这些性能几乎与传感器的探测区域尺寸无关，应用于超声和光声成像时可获得较高的空间分辨率和优良的成像质量。
目前人们已经提出多种基于全光学的超声检测方法，包括迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer，MI)、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，M-ZI)、表面位移干涉仪、全场散斑干涉仪、法布里-珀罗聚合物干涉仪(Fabry-Pérotinterferometer，FPI)、微环谐振器、低相干干涉仪、表面等离子体共振探测器、基于探针光束偏转技术、基于偏振相关光反射技术以及基于弹光效应的光声遥感(Photoacousticremote sensing，PARS)显微技术等。这些全光学的超声探测器实现微米级探测区域的同时仍然保持有非常高的带宽和灵敏度，并且其探测构型更容易地应用于光声成像系统。
虽然如此，这些类型的探测器仍存在一些局限性。比如现有的各种基于干涉的超声探测技术对光路调节要求非常高，工作点需要位于干涉条纹的坡度最陡处，每次测量前都需要校准。此外，由于信号光与参考光走不同的路径，系统工作状态容易受到环境影响。而光声遥感探测器本身并非探测传播的超声波，而是探测脉冲激发引起的初始声压，具有很大的应用局限性。因此，构建一个宽带宽、高灵敏、结构简单、抗干扰能力强的全光学超声探测器具有非常重要的应用价值。
传统的超声换能器在小型化、微型化时带宽和灵敏度大幅下降。全光学的超声探测器能够很好地克服这些局限性，但是现有的探测构型也存在稳定性较差、受环境干扰较大等问题。发展宽带宽、灵敏度高、探测区域小以及稳定性高的超声探测器具有迫切的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种具有非常宽的超声探测带宽和非常高的探测灵敏度的基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于差分干涉的全光学超声探测器，包括依次设置的激光器、半波片、差分干涉仪和光电探测单元，所述的差分干涉仪是由依次设置的起偏器、第一沃拉斯顿棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第二沃拉斯顿棱镜和检偏器构成，所述的光电探测单元是由依次设置的第三聚焦透镜、多模光纤和光电探测器构成，其中，所述起偏器的输入侧位于所述半波片的输出侧，所述检偏器输出侧位于所述第三聚焦透镜的输入侧，所述光电探测器的输出端依次通过低通滤波器和高速数据采集卡连接计算机。
所述的差分干涉仪还设置有装有超声传播介质的水槽，所述水槽设置在所述第一沃拉斯顿棱镜和第二沃拉斯顿棱镜之间，并分别在对应所述第一沃拉斯顿棱镜和第二沃拉斯顿棱镜的两个侧壁上开有贯通孔，所述第一聚焦透镜嵌入在所述水槽的临近第一沃拉斯顿棱镜一侧的贯通孔内，所述第二聚焦透镜嵌入在所述水槽的临近第二沃拉斯顿棱镜一侧的贯通孔内，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的周边与所述的贯通孔为密封连接。
所述的起偏器的偏振轴方向与水平面夹角为45度，与经由所述半波片2旋转后的探测光偏振方向相同。
所述的第一沃拉斯顿棱镜的光学轴与水平面平行，将经由所述起偏器输出的45度方向线偏振探测光分解成水平和垂直偏振的两束光，两束光强度相等并以相反的角度出射。
所述的第一沃拉斯顿棱镜位于所述第一聚焦透镜的前焦平面；所述第一聚焦透镜将偏振相互垂直、出射方向不同的两束探测光聚焦于所述水槽中的超声探测区域；聚焦后的两束探测光的传播轴线方向均平行于水平面；所述第二聚焦透镜的焦距与所述第一聚焦透镜3-3的焦距相等，二者间距等于它们的焦距之和；所述第二聚焦透镜将两束平行传播、先聚焦后散焦的探测光重新准直成平行光，准直后的两束探测光的传播方向与水平面的夹角相反，角度等于它们从所述第一沃拉斯顿棱镜出射角度的负值；所述第二沃拉斯顿棱镜的参数与所述第一沃拉斯顿棱镜相同，但光学轴与水平面垂直；所述第二沃拉斯顿棱镜位于所述第二聚焦透镜的后焦平面处，用于将振动方向相互垂直、入射角度不同的两束线偏振光重新合二为一，并且合束后的探测光的传播方向与水平面平行。
所述检偏器的偏振轴与x轴的夹角为135度，并与起偏器的偏振轴相互垂直，仅允许合束后的探测光中偏振方向与检偏器偏振轴方向相同的成分通过。
所述的多模光纤位于所述第三聚焦透镜的后焦平面上，用于将第三聚焦透镜聚焦的干涉光束输入到光电探测器中。
一种基于差分干涉的全光学超声探测器的探测方法，包括：
设定经由所述第一沃拉斯顿棱镜出射的强度相等、偏振方向相互垂直的两束探测光的电场强度的振幅为E0，则它们经过所述第二沃拉斯顿棱镜后的电场矢量分别表示为：
其中，
为x、y方向的电场矢量，
为x、y方向的单位矢量，k为探测光的波数，z为z轴方向的空间坐标，
是它们的初始相位，
为垂直偏振光相对于水平偏振光的相位差，ω为角频率，t为时间；经过所述第二沃拉斯顿棱镜并合束后的干涉光的电场强度
表示为二者的叠加：
当探测光路中没有超声波影响时，垂直偏振的线偏振光o光和水平偏振的线偏振光e光的相位差
则
其中，
为沿着所述起偏器的偏振轴的单位矢量，即与x轴夹角为45度方向的单位矢量；由所述第二沃拉斯顿棱镜合束的偏振干涉光的偏振方向仍为45度方向的线偏振光，偏振方向与所述检偏器的偏振轴方向的单位矢量
垂直，光线将被全部阻挡，无光通过，所述电探测器的光电流为0，即没有信号产生；
当超声波传播至所述水槽中探测光的聚焦处时，超声波的声压引起焦点附近水的折射率改变Δn，从而引起水平偏振的线偏振光相对于垂直偏振的线偏振光存在光程差Δ＝Δn·L，其中，L为探测光束与超声波前相交的一段相互作用长度，大小和声波与探测器之间的距离d以及超声波波长有关；此时，y方向分解的光相对于x方向分解的光存在一个不等于零的相位差
λ为超声波波长，经由所述第二沃拉斯顿棱镜输出并重新合二为一的偏振干涉光变为椭圆偏振光，椭圆偏振光电场强度
的表达式为：
则经过所述检偏器后干涉光的电场强度
表示为：
此时，所述光电探测器检测到的光电流I⊥为：
由于产生的光电流和光电压信号与探测光强呈正比，所述光电探测器输出的光电压信号强度U⊥与相位差
的关系如下：
其中，R为所述光电探测器的增益放大系数；所述光电探测器输出的光电压信号满足以下关系：
这里dn/dP为介质的弹光系数，n为折射率，P为声压；从表达式得出，光电压信号强度U⊥和探测光束的功率成正比，同时与声压P的平方成正比例关系。
本发明的一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法，不仅继承了光学类超声探测器的宽带宽、高灵敏、小探测区域等特点，同时还由于参与干涉的两束光传播几乎完全的路径，使得探测光路具有稳定性高、易调节等优势。除此之外，由于光路结构与现有的商业差分相衬显微镜的构型非常类似，该探测器可以很容易地集成到商业显微镜中，与共聚焦拉曼、荧光等显微成像技术结合，实现亚微米尺度的多模态显微成像。本发明的有益效果是：
1、具有非常宽的超声探测带宽和非常高的探测灵敏度，灵敏度仅受限于探测激光的散粒噪声；
2、利用差分干涉原理，参与干涉的两束光的传播路径基本重合，受环境影响较小，工作稳定，易于调节。此外，系统结构简单，成本低廉；
3、超声有效探测区域尺寸小至十几微米，容易构建大规模的超声阵列；
4、与差分干涉相衬显微镜(Differential Interference Contrast)光路类似，很容易集成到现有的商业显微镜中，便于和共聚焦等显微成像技术结合，实现亚微米尺度的多模态显微成像。
附图说明
图1是本发明一种基于差分干涉的全光学超声探测器的整体结构示意图；
图2是没有超声波存在时，探测光经由差分干涉仪后的偏振方向以及从检偏器输出的干涉光斑形状；
图3是45°线偏振光的电场振动示意图；
图4是有超声波存在时，探测光经由差分干涉仪后的偏振方向以及从检偏器输出的干涉光斑形状；
图5是椭圆偏振光的电场振动示意图。
图中
1：激光器 2：半波片
3：差分干涉仪 3.1：起偏器
3.2：第一沃拉斯顿棱镜 3.3：第一聚焦透镜
3.4：第二聚焦透镜 3.5：第二沃拉斯顿棱镜
3.6：检偏器 3.7：水槽
3.8：超声传播介质 4：光电探测单元
4.1：第三聚焦透镜 4.2：多模光纤
4.3：光电探测器 5：低通滤波器
6：高速数据采集卡 7：计算机
B：光斑
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，包括依次设置的用于输出线偏振探测光束的激光器1，用于旋转探测光束偏振方向的半波片2，用于将线偏振的探测光分为强度相等、偏振方向相互垂直的两个分量，经与超声波相互作用后发生偏振干涉，输出强度正比于超声波声压的差分干涉仪3，以及用于将所述差分干涉仪输出的干涉光强度变化转化成光电流信号，继而再转化成光电压信号的光电探测单元4，所述的差分干涉仪3是由依次设置的起偏器3.1、第一沃拉斯顿棱镜3.2、第一聚焦透镜3.3、第二聚焦透镜3.4、第二沃拉斯顿棱镜3.5和检偏器3.6构成，所述的光电探测单元4是由依次设置的用于将所述差分干涉仪输出的干涉光束聚焦于所述多模光纤的输入端的第三聚焦透镜4.1、多模光纤4.2和光电探测器4.3构成，其中，所述起偏器3.1的输入侧位于所述半波片2的输出侧，所述检偏器3.6输出侧位于所述第三聚焦透镜4.1的输入侧，所述的多模光纤4.2位于所述第三聚焦透镜4.1的后焦平面上，用于将第三聚焦透镜4.1聚焦的干涉光束输入到光电探测器4.3中。所述光电探测器4.3的输出端依次通过用于滤除所述光电探测单元输出的光电压信号中的高频噪声的低通滤波器5和用于采集超声波引起的并经由所述低通滤波器5输出的光电压信号的高速数据采集卡6，连接用于存储、处理由所述高速数据采集卡6获取的光电压信号数据的计算机7。
所述的差分干涉仪3还设置有装有超声传播介质3.8的水槽3.7，所述水槽3.7设置在所述第一沃拉斯顿棱镜3.2和第二沃拉斯顿棱镜3.5之间，并分别在对应所述第一沃拉斯顿棱镜3.2和第二沃拉斯顿棱镜3.5的两个侧壁上开有贯通孔，所述第一聚焦透镜3.3嵌入在所述水槽3.7的临近第一沃拉斯顿棱镜3.2一侧的贯通孔内，所述第二聚焦透镜3.4嵌入在所述水槽3.7的临近第二沃拉斯顿棱镜3.5一侧的贯通孔内，所述第一聚焦透镜3.3和第二聚焦透镜3.4的周边与所述的贯通孔为密封连接。
所述的起偏器3.1的偏振轴方向与水平面夹角为45度，与经由所述半波片2旋转后的探测光偏振方向相同。所述的第一沃拉斯顿棱镜3.2的光学轴与水平面平行，将经由所述起偏器3.1输出的45度方向线偏振探测光分解成如图2所示的水平和垂直偏振的两束光，两束光强度相等并以相反的微小角度出射，即图2中上下分布的垂直偏振的线偏振光o光和水平偏振的线偏振光e光。
所述的第一沃拉斯顿棱镜3.2位于所述第一聚焦透镜3.3的前焦平面；所述第一聚焦透镜3.3将偏振相互垂直、出射方向不同的两束探测光聚焦于所述水槽3.7中的超声探测区域；聚焦后的两束探测光的传播轴线方向均平行于水平面；所述第二聚焦透镜3.4的焦距与所述第一聚焦透镜3-3的焦距相等，二者间距等于它们的焦距之和；所述第二聚焦透镜3.4将两束平行传播、先聚焦后散焦的探测光重新准直成平行光，准直后的两束探测光的传播方向与水平面的夹角相反，角度等于它们从所述第一沃拉斯顿棱镜3.2出射角度的负值；所述第二沃拉斯顿棱镜3.5的参数与所述第一沃拉斯顿棱镜3.2相同，但光学轴与水平面垂直；在本实施例中所述的第一沃拉斯顿棱镜3.2和第二沃拉斯顿棱镜3.5为分光棱镜，也可用如诺马斯基(Nomarski)棱镜或者其它相同作用的分光棱镜替代。所述第二沃拉斯顿棱镜3.5位于所述第二聚焦透镜3.4的后焦平面处，用于将振动方向相互垂直、入射角度不同的两束线偏振光重新合二为一，并且合束后的探测光的传播方向与水平面平行。
所述检偏器3.6的偏振轴与x轴见图3的夹角为135度，并与起偏器3.1的偏振轴相互垂直，仅允许合束后的探测光中偏振方向与检偏器3.6偏振轴方向相同的成分通过。
本发明的一种基于差分干涉的全光学超声探测器的探测方法，包括：
设定经由所述第一沃拉斯顿棱镜3.2出射的强度相等、偏振方向相互垂直的两束探测光的电场强度的振幅为E0，则它们经过所述第二沃拉斯顿棱镜3.5后的电场矢量分别表示为：
其中，
为x、y方向的电场矢量，
为x、y方向的单位矢量，k为探测光的波数，z为z轴方向的空间坐标，
是它们的初始相位，
为垂直偏振光相对于水平偏振光的相位差，ω为角频率，t为时间；经过所述第二沃拉斯顿棱镜3.5并合束后的干涉光的电场强度
表示为二者的叠加：
如图2所示，当探测光路中没有超声波影响时，垂直偏振的线偏振光o光和水平偏振的线偏振光e光的相位差
则
其中，
为沿着所述起偏器3.1的偏振轴的单位矢量，即与x轴夹角为45度方向的单位矢量；此时从检偏器3.6输出的干涉光斑形状如图2中所示的光斑B。
如图3所示，由所述第二沃拉斯顿棱镜3.5合束的偏振干涉光的偏振方向仍为45度方向的线偏振光，偏振方向与所述检偏器3.6的偏振轴方向的单位矢量
垂直，光线将被全部阻挡，无光通过，所述电探测器4.3的光电流为0，即没有信号产生；
如图4所示，当超声波传播至所述水槽中探测光的聚焦处时，超声波的声压引起焦点附近水的折射率改变Δn，从而引起水平偏振的线偏振光相对于垂直偏振的线偏振光存在光程差Δ＝Δn·L，其中，L为探测光束与超声波前相交的一段相互作用长度，大小和声波与探测器之间的距离d以及超声波波长有关；此时，y方向分解的光相对于x方向分解的光存在一个不等于零的相位差
λ为超声波波长，经由所述第二沃拉斯顿棱镜3.5输出并重新合二为一的偏振干涉光不再是线偏振光，而是变为椭圆偏振光，如图5所示，此椭圆偏振光电场强度
的表达式为：
则经过所述检偏器3.6后干涉光的电场强度
表示为：
此时从检偏器3.6输出的干涉光斑形状如图4中所示的光斑B。
此时，所述光电探测器4.3检测到的光电流I⊥为：
由于产生的光电流和光电压信号与探测光强呈正比，所述光电探测器4.3输出的光电压信号强度U⊥与相位差
的关系如下：
其中，R为所述光电探测器4.3的增益放大系数；所述光电探测器4.3输出的光电压信号满足以下关系：
这里dn/dP为介质的弹光系数，n为折射率，P为声压；从表达式得出，光电压信号强度U⊥和探测光束的功率成正比，同时与声压P的平方成正比例关系。
Claims (8)
1.一种基于差分干涉的全光学超声探测器，包括依次设置的激光器(1)、半波片(2)、差分干涉仪(3)和光电探测单元(4)，其特征在于，所述的差分干涉仪(3)是由依次设置的起偏器(3.1)、第一沃拉斯顿棱镜(3.2)、第一聚焦透镜(3.3)、第二聚焦透镜(3.4)、第二沃拉斯顿棱镜(3.5)和检偏器(3.6)构成，所述的光电探测单元(4)是由依次设置的第三聚焦透镜(4.1)、多模光纤(4.2)和光电探测器(4.3)构成，其中，所述起偏器(3.1)的输入侧位于所述半波片(2)的输出侧，所述检偏器(3.6)输出侧位于所述第三聚焦透镜(4.1)的输入侧，所述光电探测器(4.3)的输出端依次通过低通滤波器(5)和高速数据采集卡(6)连接计算机(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的差分干涉仪(3)还设置有装有超声传播介质(3.8)的水槽(3.7)，所述水槽(3.7)设置在所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)和第二沃拉斯顿棱镜(3.5)之间，并分别在对应所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)和第二沃拉斯顿棱镜(3.5)的两个侧壁上开有贯通孔，所述第一聚焦透镜(3.3)嵌入在所述水槽(3.7)的临近第一沃拉斯顿棱镜(3.2)一侧的贯通孔内，所述第二聚焦透镜(3.4)嵌入在所述水槽(3.7)的临近第二沃拉斯顿棱镜(3.5)一侧的贯通孔内，所述第一聚焦透镜(3.3)和第二聚焦透镜(3.4)的周边与所述的贯通孔为密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的起偏器(3.1)的偏振轴方向与水平面夹角为45度，与经由所述半波片2旋转后的探测光偏振方向相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的第一沃拉斯顿棱镜(3.2)的光学轴与水平面平行，将经由所述起偏器(3.1)输出的45度方向线偏振探测光分解成水平和垂直偏振的两束光，两束光强度相等并以相反的角度出射。
5.根据权利要求2所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的第一沃拉斯顿棱镜(3.2)位于所述第一聚焦透镜(3.3)的前焦平面；所述第一聚焦透镜(3.3)将偏振相互垂直、出射方向不同的两束探测光聚焦于所述水槽(3.7)中的超声探测区域；聚焦后的两束探测光的传播轴线方向均平行于水平面；所述第二聚焦透镜(3.4)的焦距与所述第一聚焦透镜3-3的焦距相等，二者间距等于它们的焦距之和；所述第二聚焦透镜(3.4)将两束平行传播、先聚焦后散焦的探测光重新准直成平行光，准直后的两束探测光的传播方向与水平面的夹角相反，角度等于它们从所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)出射角度的负值；所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)的参数与所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)相同，但光学轴与水平面垂直；所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)位于所述第二聚焦透镜(3.4)的后焦平面处，用于将振动方向相互垂直、入射角度不同的两束线偏振光重新合二为一，并且合束后的探测光的传播方向与水平面平行。
6.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述检偏器(3.6)的偏振轴与x轴的夹角为135度，并与起偏器(3.1)的偏振轴相互垂直，仅允许合束后的探测光中偏振方向与检偏器(3.6)偏振轴方向相同的成分通过。
7.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的多模光纤(4.2)位于所述第三聚焦透镜(4.1)的后焦平面上，用于将第三聚焦透镜(4.1)聚焦的干涉光束输入到光电探测器(4.3)中。
8.一种权利要求1所述的基于差分干涉的全光学超声探测器的探测方法，其特征在于，包括：
设定经由所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)出射的强度相等、偏振方向相互垂直的两束探测光的电场强度的振幅为E0，则它们经过所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)后的电场矢量分别表示为：
其中，
为x、y方向的电场矢量，
为x、y方向的单位矢量，k为探测光的波数，z为z轴方向的空间坐标，
是它们的初始相位，
为垂直偏振光相对于水平偏振光的相位差，ω为角频率，t为时间；经过所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)并合束后的干涉光的电场强度
表示为二者的叠加：
当探测光路中没有超声波影响时，垂直偏振的线偏振光o光和水平偏振的线偏振光e光的相位差
则
其中，
为沿着所述起偏器(3.1)的偏振轴的单位矢量，即与x轴夹角为45度方向的单位矢量；由所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)合束的偏振干涉光的偏振方向仍为45度方向的线偏振光，偏振方向与所述检偏器(3.6)的偏振轴方向的单位矢量
垂直，光线将被全部阻挡，无光通过，所述电探测器(4.3)的光电流为0，即没有信号产生；
当超声波传播至所述水槽中探测光的聚焦处时，超声波的声压引起焦点附近水的折射率改变Δn，从而引起水平偏振的线偏振光相对于垂直偏振的线偏振光存在光程差Δ＝Δn·L，其中，L为探测光束与超声波前相交的一段相互作用长度，大小和声波与探测器之间的距离d以及超声波波长有关；此时，y方向分解的光相对于x方向分解的光存在一个不等于零的相位差
λ为超声波波长，经由所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)输出并重新合二为一的偏振干涉光变为椭圆偏振光，椭圆偏振光电场强度
的表达式为：
则经过所述检偏器(3.6)后干涉光的电场强度
表示为：
此时，所述光电探测器(4.3)检测到的光电流I⊥为：
由于产生的光电流和光电压信号与探测光强呈正比，所述光电探测器(4.3)输出的光电压信号强度U⊥与相位差
的关系如下：
其中，R为所述光电探测器(4.3)的增益放大系数；所述光电探测器(4.3)输出的光电压信号满足以下关系：
这里dn/dP为介质的弹光系数，n为折射率，P为声压；从表达式得出，光电压信号强度U⊥和探测光束的功率成正比，同时与声压P的平方成正比例关系。
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Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4512661A (en) * | 1982-09-02 | 1985-04-23 | The United States Of America As Represented By The Aministration Of The National Aeronautics And Space Administration | Dual differential interferometer |
| JPH05172737A (ja) * | 1991-12-24 | 1993-07-09 | Hitachi Ltd | 光音響信号検出方法及び装置 |
| JPH07253545A (ja) * | 1994-03-16 | 1995-10-03 | Nikon Corp | 微分干渉顕微鏡 |
| US5572359A (en) * | 1993-07-15 | 1996-11-05 | Nikon Corporation | Differential interference microscope apparatus and an observing method using the same apparatus |
| US5781294A (en) * | 1991-12-24 | 1998-07-14 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for detecting photoacoustic signal to detect surface and subsurface information of the specimen |
| EP0967466A1 (de) * | 1998-06-25 | 1999-12-29 | Endress + Hauser Flowtec AG | Optischer Wirbelströmungsaufnehmer |
| US20060132790A1 (en) * | 2003-02-20 | 2006-06-22 | Applied Science Innovations, Inc. | Optical coherence tomography with 3d coherence scanning |
| US20160294146A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | The University Of Hong Kong | Spatial Chirped Cavity for Temporally Stretching/Compressing Optical Pulses |
| RU2638110C1 (ru) * | 2016-06-28 | 2017-12-11 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Лазерный доплеровский измеритель скорости |
| CN108692749A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-10-23 | 天津大学 | 基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法 |
| CN110360931A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-10-22 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统 |
| US20200132608A1 (en) * | 2018-10-26 | 2020-04-30 | Kla Corporation | Scanning differential interference contrast in an imaging system design |
| CN111912908A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-11-10 | 北京航空航天大学 | 一种基于光致超声和激光干涉的全光学超声探测装置 |
| WO2021212687A1 (zh) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | 中山大学 | 一种基于sagnac原理实现差分平衡探测的超声测量装置 |
| CN215812382U (zh) * | 2021-06-01 | 2022-02-11 | 长春理工大学 | 分振幅同时偏振成像系统 |
-
2022
- 2022-08-22 CN CN202211004979.0A patent/CN115166062B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4512661A (en) * | 1982-09-02 | 1985-04-23 | The United States Of America As Represented By The Aministration Of The National Aeronautics And Space Administration | Dual differential interferometer |
| JPH05172737A (ja) * | 1991-12-24 | 1993-07-09 | Hitachi Ltd | 光音響信号検出方法及び装置 |
| US5781294A (en) * | 1991-12-24 | 1998-07-14 | Hitachi, Ltd. | Method and apparatus for detecting photoacoustic signal to detect surface and subsurface information of the specimen |
| US5572359A (en) * | 1993-07-15 | 1996-11-05 | Nikon Corporation | Differential interference microscope apparatus and an observing method using the same apparatus |
| JPH07253545A (ja) * | 1994-03-16 | 1995-10-03 | Nikon Corp | 微分干渉顕微鏡 |
| EP0967466A1 (de) * | 1998-06-25 | 1999-12-29 | Endress + Hauser Flowtec AG | Optischer Wirbelströmungsaufnehmer |
| US20060132790A1 (en) * | 2003-02-20 | 2006-06-22 | Applied Science Innovations, Inc. | Optical coherence tomography with 3d coherence scanning |
| US20160294146A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | The University Of Hong Kong | Spatial Chirped Cavity for Temporally Stretching/Compressing Optical Pulses |
| RU2638110C1 (ru) * | 2016-06-28 | 2017-12-11 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Лазерный доплеровский измеритель скорости |
| CN108692749A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-10-23 | 天津大学 | 基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法 |
| US20200132608A1 (en) * | 2018-10-26 | 2020-04-30 | Kla Corporation | Scanning differential interference contrast in an imaging system design |
| CN110360931A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-10-22 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统 |
| WO2021212687A1 (zh) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | 中山大学 | 一种基于sagnac原理实现差分平衡探测的超声测量装置 |
| CN111912908A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-11-10 | 北京航空航天大学 | 一种基于光致超声和激光干涉的全光学超声探测装置 |
| CN215812382U (zh) * | 2021-06-01 | 2022-02-11 | 长春理工大学 | 分振幅同时偏振成像系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| YOU HONG-WU: "Solution to interference of auto-scanning & ultrasonic testing system", 《 MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE》, 30 November 2011 (2011-11-30) * |
| 周王婷: "基于光学相干检测的非接触全光学光声显微镜", 《激光生物学报》, 31 December 2016 (2016-12-31) * |
| 王洪水;徐军;孔令剑;李晓峰;徐利国;: "激光超声检测系统设计", 红外与激光工程, no. 1, 30 June 2007 (2007-06-30) * |
| 韩庆邦: "《粘弹表面波及界面波理论与实验的激光超声研究》", 31 August 2017, 同济大学出版社 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115166062B (zh) | 2024-06-11 |
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