激光超声光学检测应用

47,011203(2010)©2010中国激光杂志社011203-1doi:10.3788/lop47.011203激光超声光学检测应用孔令剑朱桂芳姜从群(第二炮兵士官学校，山东青州262500)摘要激光脉冲照射样品表面会发出超声波，利用光学方法对超声波进行检测，可以对材料和产品质量进行无损评估。介绍了激光超声共焦法布里-珀罗（F-P）检测的原理，设计了一种新型共焦F-P干涉检测仪（CFPI），很好地解决了激光超声光检测中激光器的稳定问题和CFPI的稳定问题，用纯光学方法实现了真正意义上的无损检测应用，实验验证了该激光超声光学检测系统的实现方式。关键词超声学；激光；激光超声；共焦法布里-珀罗干涉仪中图分类号O426.1OCIS120.1880280.3375文献标识码ANewDetectionApplicationofLaserUltrasonicKongLingjianZhuGuifangJiangCongqun(TheSecondArtillerySergeantSchool,Qingzhou,Shandong262500,China)AbstractNon-contactandprecisedetectionofmaterialsandproductscanberealizedbymeasuringthegeneratedultrasoundwhenalaserbeamattacksthesurfaceofsamples.TheprincipleofthelaserultrasonicconfocalFabry-Perotinterferometer(CFPI)detectionisdiscussed.ThelaserultrasonicdetectionsystemisbuiltbasedontheCFPI.ThestabilizationofthelaserandCFPIinopticaldetectionofultrasoundisanalyzedandresolved.Thecorrespondingsystemhasbeencompletedinpractice.Keywordsultrasonics;laser;laserultrasound;confocalFabry-Perotinterferometer1引言激光超声学是利用激光来激发和检测超声，并开展超声传播和媒质特性等研究的新兴交叉学科。目前，激光超声的检测技术主要有传感器检测和光学检测两大类。利用光学方法激发和探测材料表面的超声振动是一种新型的无损检测手段，该方法具有非接触、灵敏度高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点，是真正意义上的非接触、宽带检测技术。共焦法布里-珀罗（F-P）检测是指采用共焦F-P干涉仪（CFPI）探测激光超声，它首先由J.P.Monchalin[1]在1985年提出。在相同的带宽下，平面F-P干涉仪的集光效率和一个简单的迈克耳逊干涉仪的集光效率相比没有很大提高，但是改用为两个共焦球面镜以后，其光通过量将大大加强[2]。本文基于运用反馈控制思想，在激光超声检测系统的超声检测子系统中引入两个稳定电路，实现激光器的稳定激光频率输出和CFPI在半峰值处稳定工作，用纯光学方法实现了真正意义上的无损检测应用，结合实际验证了该激光超声光学检测系统的实现方式。2共焦F-P干涉检测技术原理运动物体对反射光造成的多普勒频移是CFPI产生透射光强变化的原因。F-P速度干涉仪早已被应用于收稿日期：2009-03-03;收到修改稿日期：2009-07-08作者简介：孔令剑(1979—)，男，硕士，讲师，主要从事光电武器故障诊断方面的研究。E-mail:[e-mail]47,011203(2010)风力测定[3]和冲击波研究[4]。光垂直入射到固体振动表面，被振动表面散射，散射光的多普勒频移为[5]D2(),utfλ′=(1)式中()ut′为固定表面振动位移()ut对时间的导数，表示固体表面超声振动的速度，λ为探测光波长。若入射光的频率为f，则散射光频率f′为D2().utffffλ′′=+=+(2)由此可见散射光为一调频信号，其频率受到固体表面振动速度()ut′的调制。CFPI由两个曲率半径为r的反射镜共焦放置而成，如图1所示。若入射的高斯光束与共焦腔相匹配，即光束腰的位置恰在腔的中心平面上，则进入腔内的光将在两球面间来回反射，自动保持原来的光学模式并形成“8”字形环路，自A，B处透射的光束由探测器接收并转换为电信号。图1共焦F-P干涉仪的原理图Fig.1SchematicofconfocalFarbry-Perotinterferometer设入射光振幅为A0，镜面的反射率为RS，则各次透射光振幅分别为0S0(1)aRA=−，21SS0(1)aRRA=−，……，2SS0(1)NNaRRA=−……。对于近轴光线相邻两透射光的光程差为4r，由此引起相位差为8π/rφλ=，则合成光强为022222SSS1,(1)14/[(1)]sin/2IIRRRφ=++−(3)式中200IA=为入射光强度。假设干涉仪工作在半宽点nf上，即激光频率nff=，这时2SS1sin22RRφ−=，在频率调制幅度较小的条件下，透射光强为24SS0D22SS4π611.(1)(1)rRRIIfRcR⎡⎤−−⎢⎥=++−⎢⎥⎣⎦(4)由式(4)可看出，透射光强对固体表面超声振动速度灵敏，光强与速度成线性关系。CFPI的解调原理图如图2所示，它只对固体表面的振动速度灵敏，而对周围的低频振动不灵敏，且有较大的入射孔径可同时接收多个散斑，集光能力较强，因此很适合于工业现场的各种使用。如果采用反射光栅修饰样品表面，CFPI就可以同时测量表面的法向和切向位移。47,011203(2010)检测系统的超声检测子系统中存在两个稳定电路，它们的作用是实现激光器的稳定激光频率输出和CFPI在半峰值处稳定工作，这两部分是保证该检测系统良好工作的基础。3.1激光器的稳定精密干涉测量以激光波长作为“尺子”，利用光干涉的原理来测定各种物理量，所以激光波长（或频率）的准确度会直接影响测量的精度，又因为对激光超声采用了相干的外差接收方法，其激光频率稳定性将直接影响接收的质量，所以为了实现较高的测量精度，不仅要求激光器实现单频输出，还要求激光频率本身稳定。激光器的温度稳定用图3所示反馈来实现，用来保证激光的稳定频率输出。He-Ne激光器稳定电路如图4所示。激光器经过稳定温度以后，激光谐振腔里的两种激光模式强度得到了很好的稳定，输出激光频率得以稳定。图3激光器的温度稳定设计Fig.3Lasertemperaturestabilitydesign图4反馈式激光器温度稳定电路简图Fig.4Feedbacklasertemperaturestabilizationcircuit47,011203(2010)是一种非常灵敏的光学探测系统，其腔长的微小变化或者激光频率的漂移都将使干涉仪偏离最佳工作点，使得灵敏度降低或者不能稳定工作。在激光超声检测应用中，共焦球面干涉仪常用作解调器件，由于系统解调灵敏度的高低与干涉仪工作点的位置有直接关系，因此使用时需要对干涉仪的工作点进行控制，通常方法是调整干涉仪的腔长。采用传统的腔长微调装置如图5所示，即前镜座与一个压电陶瓷管固定在一起，随着加载电压变化，压电陶瓷管相应伸长或缩短，从而带动镜座轴向移动，这种设计可通过改变加载在压电陶瓷管上的电压来实现对干涉仪腔长的控制。图5CFPI腔长稳定装置简图Fig.5CFPIcaritylengthstabilizationdesign共焦F-P干涉仪腔长稳定反馈电路如图6所示。这种腔长控制是通过检测F-P干涉腔透射光强的大小间接实现的，半峰值参考电压是预先设定好的，在整个检测过程中一直不变。事实上在有外界环境干扰时，系统的半峰值电压是会发生变化的，所以这种假定半峰值电压不变的控制方法有时容易引起控制误差，从而降低系统的灵敏度和稳定性，特别是系统在长时间运行的情况下，其特性更能表现出来。但这种设计简单、易于实现、效果良好，不失为一种可行的F-P干涉腔稳定方式。图6CFPI腔长稳定反馈电路Fig.6CFPIcaritylengthstabilizationfeedbackcircuit3.3系统实验设计激光超声无损检测系统设计如图7所示，该系统分为超声波产生子系统和超声共焦F-P干涉检测子系统[6]。超声波产生子系统中，Nd:YAG脉冲激光器用于产生超声波，其工作波长为1064nm，单脉冲功率在890mJ内连续可调，脉冲宽度为5ns，其发射的脉冲激光束经全反镜M1和M2，由分束镜BS1分为两束，47,011203(2010)后变为线光束聚焦在材料（抛光的铝，厚度为5mm）表面产生超声波，另一束由光电探测器D1（型号为UV102BK）接收后作为示波器的同步触发信号[4]。图7共焦F-P检测系统设计简图Fig.7CFPIdetectionsystem超声波共焦F-P干涉检测子系统中，He-Ne激光器发出的连续激光（功率为5mW）经分束镜BS3后分为两束，一束光经BS4进入CFPI后，由干涉仪稳定电路接收产生CFPI的稳定工作信号；另一束光经半波片（HWP）后，由偏振分束棱镜PBS1和BS2分别分束，一部分经全反镜M3和M4后被激光器稳定电路接收产生He-Ne激光器的稳定驱动信号，另一部分经过四分之一波片QWP1，透镜L1和L2后照射到被测样品表面，与产生的超声反射波相互作用。该检测激光束被表面反射后携带了超声信号，透过L1，L2，QWP1和BS2返回，到达PBS1后反射，经M5和QWP2进入CFPI进行多次反射，出射的激光束通过PBS2和L3由光电探测器D2（型号为UV102BK）接收，经放大电路信号放大后由示波器（型号为YB4361，带宽100M）实时显示，数据可传入计算机进行信号分析。图8为压电换能器超声检测系统和该激光检测系统对同一块光学粗糙的铝材料样品的超声波检测对比图。从图上可以看出激光检测系统要比压电换能器超声检测系统检测的超声波瞬时清晰度好很多。再利用激光脉冲轰击样品表面，在微烧蚀效应作用下背侧震中位置产生的中强指向性纵波波形如图9所示。5mm厚铝板的相邻纵波回波之间的时间间隔分别大约1µs。图8压电换能器和激光检测系统检测的波形图Fig.8OscillogramdetectedbyPZTandlaserdetectionsystem47,011203(2010)从图中可以看出，激光超声纵波的波形为双极形，这是因为纵波振动位移虽然为单极形脉冲，但CFPI为速度型干涉仪，它所测量的激光超声的振动速度是振动位移信号u(r)对时间的导数u'(r)，故回波波形为双极形脉冲。超声波在样品两表面间来回反射，并随传播距离的增大而衰减。从图中还可以看出，相邻两回波的时间间隔基本相等，是激光超声在样品中往返传播一次所需要的时间。若样品厚度已知，可以求出纵波速度；若样品中的纵波速度已知，可以求出样品的厚度，这说明该方法可以检查、计量各种薄板及薄膜的厚度。4结论通过对共焦F-P干涉检测技术原理进行分析，设计了激光超声共焦F-P干涉检测系统，该系统中引入了两个稳定电路，即实现了激光器的稳定激光频率输出和CFPI在