1 引 言
非接触式超声波检测技术种类较多,但远距离的非接触式技术只能采用光学检测技术。非干涉的刀口技术要求样品表面非常光洁,难以用于粗糙表面。而采用干涉技术的位移干涉仪(如零差和外差干涉仪),对光点尺寸又有限制,只有光点尺寸达到一个散斑大小时,才能达到最大灵敏度。采用共焦Fabry-Perot干涉仪(简称CFPI)作为超声接收器,它对样品表面的速度敏感,对周围环境的振动不敏感,而且可同时接收多个散射光斑,有较强的聚光本领。但是,欲充分发挥CFPI聚光本领强这一特点,还需解决它与物空间的匹配问题。否则有可能使干涉仪的聚光本领不能充分发挥,影响系统的探测灵敏度;或者有可能接收透镜选择太大,增加了系统成本。本文在自行研制的CFPI系统的基础上,着重分析了干涉仪、物空间的聚光本领及其二者的匹配条件,并给出在此匹配条件下利用干涉仪探测系统得到的实验结果。
2 CFPI超声接收系统及其工作原理
CFPI超声接收系统是一集光、声、电等为一体的精密测试系统,其示意图如图1所示。该系统的工作原理实质上是一信号调制与解调的过程。经分光镜BS分束后的激光束2经偏振反光镜PBS1全反到被测物体表面,其散射光被在物体内传播的超声波信号(由激光脉冲产生)引起的Doppler频移所调制;经透镜L汇集后第二次通过四分之一波片,其偏振方向旋转π/2。之后,全部通过PBS1和PBS2,再经过CFPI解调后透过PBS3至光电管PD2。由于此信号为被解调了的超声信号,它为一随物体表面速度变化的光强信号,经放大和滤波后显示在存储示波器上。而光束1以及反馈控制环是为稳定干涉仪的工作点而专门设置的。
CFPI是由两个曲率半径相等、镀有高反膜层的球面镜共焦放置而成。当一束光近轴入射到干涉仪内时,在忽略球差情况下,其透射光强[1]
其中,R为镜面反射系数,r为腔长,c为光速,ν为光频,Ii为干涉仪的入射光强。将CFPI干涉仪作为超声接收器时,干涉仪的工作点必须稳定在透射峰值的半高度附近。此时,入射光频的微小变化可导致输出光强的很大变化。假设样品内传播的超声波使得样品表面产生微小位移
则透射光强可以表示成[2]
这里,S(fu)和φ(fu)分别为输出光强对超声波频率的幅度响应和相位响应。I0∝Ii为位移等于零时的透射光强。这里CFPI作为一频率-光强转换器(也作选频器)起的是信号解调作用。
3 CFPI超声接收系统的聚光本领分析
从(1)和(3)式可以看出,要获得最佳探测灵敏度,入射到CFPI的光强(Ii)越大越好。但实际上利用CFPI作为超声接收器所探测的样品绝大多数都是散射面,而非镜面。对于这样的散射面,入射到CFPI的散射光是很微弱的。这样,在激光器的功率一定时,系统就存在一聚集散射光的本领问题。CFPI较其它类型的干涉仪(如平面FP干涉仪及Michelson干涉仪)有较强的聚光本领。但将其用于散射面的信号检测,还需与物空间的聚光本领相匹配。
3.1 干涉仪聚光本领
作为一光谱仪器,CFPI干涉仪的聚光本领与光谱分辨率两者相互依赖,两者乘积为一与腔长有关的常数()。如图2所示,将干涉仪中央平面上的干涉条纹成像到一小孔光阑,且只让中心干涉级通过小孔,而被其后的光电探测器接收。当小孔的孔径趋于无穷小时,由于较小的中心区有极大的径向色散,此时的光谱分辨率达到极限值,其聚光本领趋于无穷小。当该孔径张大到时[1](F为干涉仪的精细度),光谱分辨率降低到其极限值的70%。此时小孔后面探测器接收的立体角为,干涉仪的聚光本领
这里,ρs的数值也为两球面镜中心区域的半径[1,3],在此区域内相交的光线才能保证干涉仪的光谱分辨率不再降低。
在精细度F一定的情况下,聚光本领E将随镜间距d(=r)的增大而增加,而光谱分辨率(R= 4rF/λ)也同时随着r增大而提高。两者的乘积
为与r有关的常数。其中,系数0.7是考虑了实际分辨率降低到极限分辨率的70%而引进的。这说明可以通过增大r来提高CFPI的聚光本领。
本文研制的CFPI,其r=0.302 m,.
3.2 物空间聚光本领
物空间的聚光本领是以物镜(聚光镜)聚集光通量的能力来量度。当光源(即样品被照射点,其面积为S)距离干涉仪较近时,如图3所示,物空间的聚光本领
其中,u为系统入射光瞳对S所张的孔径角;D为入射光瞳的直径;L为入射光瞳距光源S的距离。若要提高聚光本领,则要求有大的孔径角。如物离入射光瞳很近,入射光瞳的半径必须很大。
3.3 两者匹配条件
布置光路如图4所示,置透镜于合适位置,使得S于CFPI的中心相共轭。如前所述,为确保干涉仪的光谱分辨率不再降低,两球面镜实际上存在一半径为ρs的等效光阑。从图中可以看出,这一光阑的存在相当于在该成像系统中加入一孔径光阑。这一孔径光阑为系统的出射光瞳,而入射光瞳是该光阑通过在它前面的光学系统(透镜)于系统的物空间所成的像(虚像)。
由(6)式,此时物空间的聚光本领为
要求CFPI与物空间的聚光本领相匹配,则对光源S的大小、透镜孔径d及透镜距S的距离l提出了限制条件,即
其中,d1为被照射点的直径。(8)式即为两者的匹配条件。
光路设计时,先根据要求确定l;再选择合适的透镜焦距f(f>r/2),使其能将S成像在CFPI的中心平面。之后,调整d1与d,以满足上式要求。
当d1选择过大,d较小时,虽然满足上式要求,但会使系统出现严重的渐晕现象,导致S上离光轴较远的光不能被CFPI所接收;当d1一定,选择过小d时,干涉仪的聚光本领没有充分利用;但选择太大的d,又增加了成本。因此需合理选择两者使其满足匹配条件。
本文根据现有条件,选择d=20 mm,l=50 mm,d1=0.6 mm,可使两者较好地匹配。
4 实验结果
用红宝石脉冲激光器(脉宽为30±10 ns,能量为350 mJ)照射样品表面,在微烧蚀效应下激励超声纵波,该超声波在样品两表面间来回反射,呈指数衰减。利用本文的接收系统,经仔细调整光路,接收到的超声脉冲信号如图5 (a)所示。其中样品为10 mm厚的铝板,表面为机加工表面,未作任何光学处理。
同样,在微烧蚀效应下激励的表面波信号如图5 (b)所示。图中首先出现的信号是由于脉冲激光器放电时引起的干扰信号。
5 结束语
本文的研究工作表明,将共焦Fabry-Perot干涉仪用作超声波接收器时,必须考虑其聚光本领这一参数。在设计干涉仪时,就要考虑聚光本领的要求;同时在使用时还要和物空间的聚光本领相匹配。本文研制的CFPI具有较大的聚光本领,经仔细调整,使其和物空间的聚光本领相匹配,可较好地接收到微幅窄超声脉冲信号,其信号的信噪比很大,足以满足进一步的信号处理要求。
参考文献
1 Hercher M.. The spherical mirror Fabry-Perot interferometer.Appl.Opt., 1968,7(5)∶951～966
2 Monchalin J. P., Heon R.. Laser ultrasoNIc generation and optical detection with a confocal Fabry-Perotinterferometer.Materials Evaluation, 1986,44(9)∶1231～1237
3 Scruby C. B., Drain L. E.. Laser Ultrasonics: Techniques and Applications. Adam: Hilger, 1990
作者：何存富 周辛庚(南京航空航天大学测试工程系知能所 南京210016) (清华大学 北京100084)
