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利用线阵CCD测量物体的振动实验
式中，n为折射率，S为应变，P为光弹系数。通常，P和S为二阶常量，当声波在各向同性介质中传播时，P和S可作为标量处理。如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成：
S?S0sin(?st?kSy) (2-2)
当应变较小时，折射率作为Y和t的函数可写作：
n(y,t)?n0??nsin(?St?kSy) (2-3)
式中，n0为无超声波时介质折射率， 式可求出
1 ?n??n3PS0 (2-4)
2?n 为声致折射率变化的幅值，由(2-1)
当声光作用的距离满足L?s?s2/?，而且光束相对于超声波波面以一角度斜入
射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或者一1级衍射。如图2.3所示。
图2.3布拉格衍射
这种衍射与晶体对X光的布拉格衍射很类似，故称为布拉格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布拉格角。此时的有超声波存在的介质起体光栅的作用。可以证明 ，布拉格角满足
iB? sin? (2-5) 2?S式中(2-5)称为布拉格条件。因为布拉格角一般都很小，故衍射光相对于入射 光的偏转角
为：
第二章 测试系统的设计
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??2iB????0fS (2-6) ?SnvS式中，v、为超声波波速，人为超声波频率。在布拉格衍射的情况下，一级衍射 光的衍射效率为：
2 ??sin[??0M2LPS] (2-7) 2H式中，Ps为超声波功率，L和H为超声换能器的长和宽。M2为反映生光介质本身
3性质的一个常数。M2?n6P2/?vs，ρ为介质密度，P为光的弹性系数。在布拉格
条件下，m级衍射光的频率?m为：
?m???m?s （m =0或m =?1） (2-8) 2.3.2声光效应分类
声光效应可根据具体情况依照不同方法进行分类。主要的分类方法包括按入射光和衍射光的偏振特性分类，按声光互作用长度分类，按声光器件用途分类三种。
（1）按入射光和衍射光的偏振特性分类
根据入射光和衍射光的偏振态，声光效应可分为正常和反常两大类。正常声光效应中入射光与衍射光的偏振态相同，它们在同一介质中的折射率相同；而反常声光效应中入射光与衍射光的偏振态不同，它们在同一介质中的折射率不同。对于正常声光效应，衍射光的偏振方向与入射光相同，因而折射率也相同；对于反常声光效应，衍射光的偏振方向与入射光不同，因而折射率也不同。本设计采用的是声光调制器属于正常声光效应的应用。 （2）按声光互作用长度分类
根据声光互作用区域的长度，声光效应可分为布拉格声光效应和喇曼一奈声光效应。布拉格声光效应：当超声波频率比较高(一般在20MHz以上)时，声光互作用区域比较长的情况下，除零级光外，只产生一级衍射光。声光介质相当于体光栅，对入射光方向要求严格。对于正常声光器件只有满足布拉格方程方向的入射
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利用线阵CCD测量物体的振动实验
光可通过介质产生衍射；对于反常声光器件只有满足狄克逊方程的入射光可通过介质产生衍射.声光介质相当于体相位光栅，介质内折射率会产生一定分布。喇曼一奈斯声光效应：在声光互作用长度比较短时，声光介质对入射光的作用相当于一个平面位相光栅，声光互作用区域短，对入射光方向要求不严格，能产生多级衍射光.每级衍射光强度均很低。 （3）按声光器件用途分类
声光偏转器是用来控制激光束的偏转方向的。可分为扫描式偏转器和飞点式偏转器两类。
声光调制器是利用一定频率的振幅来调制激光强度的。其工作原理是驱动电信号频率不变，振幅是随待传输信号变化的(待传输信号可以是视频，也可以是音频)。载频或射频是高频，与声光器件的工作频率是一致的，用这样的信号来驱动声光器件，可使衍射光强随待传输信号而变化。声光调制器的应用非常广泛，如：光斩波器、激光打印机、彩色扫描仪、声光光开关以及多元驱动等等。
声光滤光器是一种根据各向异性介质中的声光衍射原理而工作的电调谐滤 光器。可以把入射白光中所需要的单色光的波长滤出来，声光滤光器的突出特点是光谱分辨力高、角度孔径大，速度快，比机械式的滤光器方便得多。其驱动电信号幅度不变，频率是跳变的，类似于飞点式偏转器。 2.3.3声光调制器
声光调制器是声波和光波相互作用的一种调制方法。当声波在介质中传播时，会引起介质密度周期性地疏密变化，从而导致介质的介电系数及折射率的周期性变化。而介质折射率随超声波信号的变化，又会影响光在介质中的传播特性，光的强度、撷率等参数随超声波信号的变化而变化.
声光调制器A由驱动源(产生频率为f的超声波)、转换器和超声波介质(晶体)等组成。其工作原理是利用声光效应，即使超声波通过转换器在介质中传播引起介质折射率的周期性变化而产生类似于运动位相光栅的效应(这时光栅常数八等于超声波波长λ)，因此当频率为时会产生频率为
f0的激光束以布拉格角ib入射到声光调制器A上时，此
f0的0级和频率为(f0?fc)的+1级衍射光，如图2.4所示。
第二章 测试系统的设计
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（1）驱动源 （2）转换器 （3）超声波介质
图2.4 声光调制器结构原理
由式（2-6） α=2lb??fcvs （2-9）
式中lb为布拉格角，vs为超声波在介质中的传播速度。
2.4 CCD检测技术
近年来，线阵耦合器件CCD(Charge Coupled Device)在光学图像测量系统中的运用相当普遍，当被测对象的光信息通过光学系统，在CCD的光敏面上形成光学图像后，CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，在CCD的输出端可获得被测对象的视频信号。CCD摄像机具有体积小、重量轻、功耗低、噪声小、可靠性高、无烧伤现象、不怕振动、光谱响应宽、输出线性好等一系列显著的优点。由于上述优点，利用图像测量技术实现几何量测量，不仅可能而且在一定场合下具有优势。如何在现有条件下提高检测精度与速度成几何量测量领域的一个研究热点。 2.4.1 CCD的组成部分
CCD是在MOS晶体管电荷存贮器的基础上发展起来的，故有人把它说成是―排列起来的MOS电容器阵列‖；或者更直接地把它说成是―一种在源极与漏极之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管，即多栅MOS晶体管，即多栅MOS晶体管，如图2.5所示。
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利用线阵CCD测量物体的振动实验
图2.5 CCD结构示意图
CCD的典型结构及其各部分的命名如图2.6所示。CCD由三部分组成： (1)主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，它的作用是存贮和转移信号电荷。
(2)输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入CCD的第一个转移栅的势阱中。
(3)输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用是将信号电荷引出CCD的转移栅的到二极管，然后由引线输出。 CCD的单元结构如下图所示。
(a) CCD单元 (b) CCD线阵列 图2.6 CCD单元与线阵列结构的示意图
2.4.2 CCD的工作原理
CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器件，自1970 年由美国贝尔实验室的Willard Boyle 和George Smith 提出后，随着半导体微电子技术的发展也得到了惊人的发展。CCD 技术之所以能如此迅速发展，是因为CCD 器件具有许多独特的优点：
① CCD 器件是一种固体化器件，体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，寿命长；