激光器11同步触发，从而获得实时的损伤形 貌，为应力应变损伤机理的研究提供实时损伤数据。同时，利用高速相机8和干涉滤光片7， 将目标物4表面的形变转换为干涉条纹的变化，进而将干涉条纹结果换算得到应变值。
[0013] 有益效果:本发明提供一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法。 本发明利用马赫一曾德尔干涉仪、高速相机和计算机处理，研制一种实时检测激光损伤非 透明材料的应力的装置。该装置中马赫一曾德尔干涉仪是一种用分振幅法产生双光束以实 现干涉的仪器，与迈克尔逊干涉仪相比优势在于激光不会沿原光路返回影响实时测量精 度，使得得到的干涉图样清晰明了。高速相机具有10000帧/s以上的响应速度，对ms脉冲激 光器引起的应变具有切片观察的效果，实时检测并计算激光损伤非透明材料的应力。由于 参考目标物和目标物形同，节省了成本低，适用于非透明材料的应力检测。采用DG535脉冲 触发器控制延时，达到延时的准确性。通过计算机对得到的干涉图样的处理可得到脉冲激 光作用时间内目标物的应力变化曲线。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置结构示意 图。
[0015] 图2-图13为分别使用本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的 装置测试单晶硅应力干涉图样的变化图。
[0016] 图14为对应干涉图样中第I条线应力变化图。
[0017]图15为对应干涉图样中第Π 条线应力变化图。
[0018]图16为对应干涉图样中第m条线应力变化图。
[0019] 图17为应力值计算流程图。
【具体实施方式】
[0020] 实施例1 如图1所示，一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置包括窄线宽半导体激光 器1，第一分光镜2,参考目标物3，第二分光镜5，第一凸透镜6，干涉滤光片7，高速相机8，计 算机9, DG535脉冲触发器10,固体脉冲激光器11，能量调节系统12,第二凸透镜13;所述的 第一分光镜2、第二分光镜5相同，均为对45°入射的窄线宽半导体激光半反半透的分光镜， 大功率固体激光器11为损伤非透明材料的激光光源，窄线宽半导体激光器1为干涉光源，能 量调节系统12为一对损伤阈值大于5 0 0M W / c m2的格兰激光棱镜，外套一个光垃圾圆筒防止 垂直光路方向的激光逃逸危险，其中的第一个棱镜将激光调制为水平方向线偏振，其中的 第二个棱镜偏振轴可在光束横截面内旋转，以便激光强度可连续衰减;DG535脉冲触发器10 与高速相机8连接，DG535脉冲触发器10用于接收大功率固体激光器11发出的高能量脉冲激 光预发射时间信号，给高速相机8发出与大功率固体激光器11发射激光同步的工作指令，高 速相机8接收到干涉光源1形成的干涉信息后转移到计算机9进行处理，计算机9中存储和运 行计算光程差、应力值的软件程序、描绘应力演变过程的变化曲线的商用origin软件程序； 特别要强调的是:所述的参考目标物3作为反射镜使用，而且，参考目标物3和目标物4 相同，两者分别用可调式底片固定架装卸，该固定架的一边位置固定，另一边可调，两个目 标物前表面均用限位钉限制位置，方便参考目标物3和目标物4的装卸，且保证等光程； 所述的窄线宽半导体激光器1发出的激光通过第一分光镜2分光，其中的第一路光作为 参考臂光，其中的第二路光作为测量臂光，参考臂光反射到参考目标物3，再反射到第二分 光镜5并再次被反射到第一凸透镜6;; 固体脉冲激光器11发出的激光经过能量调节系统12和第二凸透镜13汇聚，照射到目标 物4上，同时，测量臂光也照射到目标物4表面上，并被目标物4的表面反射，再经第二分光镜 5透射，测量臂光和参考臂光同时经第一凸透镜6聚集，再经干涉滤光片7,干涉滤光片7滤除 固体脉冲激光器11发射的激光在此光路上形成的干扰光，在高速相机8位置形成清晰的干 涉图，最后所有数据汇总到计算机9上处理并保存;所述的高速相机8与固体脉冲激光器11 同步触发。
[0021] 所以用参考目标物3作参考目标，是为了使所述的参考臂光和测量臂光等光强。这 是本发明的技术方案中至关重要的一点； 本实施例所述的窄线宽半导体激光器1的波长为532nm,线宽小于或等于0.7 nm,高速 相机8的帧频等于或大于10000帧/s，每lms脉冲可以采集10帧激光实时作用产生的干涉条 纹，可以形成瞬态探测与记录，由于应变在激光停止作用后仍然有演化，因此高速相机8继 续探测，直至恢复到初始时刻的干涉条纹形式。
[0022] 本发明提供的一种实时瞬态检测激光损伤非透明材料的应力的方法，步骤和条件 如下： (1) 制备一对厚度为0.4mm,边长为12mm的单晶娃样品，分别为目标物4和参考目标物3， 可保持实验目标与参考目标有相同的反射率以及光强。要求表面光滑，表面粗糙度不大于 〇.4μπι，分别安装到可调式底片固定架上； (2) 打开计算机9和高速相机8,设置高速相机8的自动采集，在计算机9显示屏上显示其 灰度界面； (3) 开启窄线宽半导体激光器1，调节电流值，以便高速相机8探测到清晰的干涉图； (4) 固体脉冲激光器11采用的脉宽为lms，能量分别为1J，通过干涉条纹的变化可知不 同能量不同脉宽的应力的大小； (5) 设置尚速相机8的触发方式为外触发； (6) 打开DG535脉冲触发器10,设置固体脉冲激光器11预触发时间和高速相机8的触发 脉冲延迟时间； (7 )打开固体脉冲激光器11的辐射激光按钮，激光在1 s钟后辐射，同时，高速相机8接收 一个激光脉冲内的干涉演变图像； 通过对高速相机8上每一帧干涉条纹的变化，用计算机9处理，对高速相机8上每一帧干 涉条纹带入公式 及公式 计算得出非透明介质的光程差。
[0023] 公式（1)适合于等厚干涉条纹在激光损伤材质表面过程中，未出现大的熔融区时 以公式（1)进行计算。公式（1)中N为这条曲线越过的条纹整数，为这条曲线越过的条纹小 数。本实施例中标注的衍射条纹的中心第一条线I，中心第二条线π，中心第三条线m满足 公式(1)的条件，采用公式(1)计算。
[0024] 公式（2)适合于出现大的熔融区时的等倾干涉条纹，公式（2)中为入射角，d为厚 度，k为干涉条纹级序，为波长。
[0025] 对中心点，为计算简便考虑光程差投影在x，y方向相等的情况，直角坐标系1、7和2 三方向的应变值为：
利用广义胡克(Hooke)定律，硅晶体是金刚石结构，根据晶体物理学相关知识，利用金 刚石结构的对称关系，当选择三个坐标轴X，y，Z方向与晶体的[100]，[010]，[001 ]方向一致 时，单晶硅任意一点的应力和应变之间满足的本构方程可以写成如下形式，
其中％、分别为x、y、z方向上的应力值，为应变，C11、C12、C44为弹性系数， Cll = 165.7GPa、C12 = 63.9GPa、C44 = 76.9GPa。将应变值& 巧:带入上述公式，计 算得到如图2-图13所示的结果。图2-图13的衍射条纹的中心第一条线标号为I，中心第二条 线标号为Π ，中心第三条线标号为ΙΠ 。
[0026]计算机9中的计算计算光程差、应力值的程序流程图如图17所示： 进行步骤100,开始； 进行步骤105，利用开源软件Free Image读取干涉图灰度值； 进行步骤110，选取t=0，t>0时的待计算的第I、Π 、m干涉条纹所占像素点位置