激光超声检测技术分析范文

摘要：

激光超声的震动位移是在纳米级别，所以要检测到微弱的激光超声需要外差干涉系统有较高的灵敏度。为了提高测量精度对光路进行了改进，采用双光路外差干涉仪增强系统抗环境干扰能力，使用3聚焦透镜增强干涉仪的聚光能力，提高进入干涉仪的光通量，从而提高精度；在光电探测器前加滤光片，滤除杂散光，提高系统信噪比。通过高频超声实验验证，该系统的位移分辨率能达到0.1nm。

关键词：

纳米位移；外差干涉；激光超声；聚焦

对于激光超声位移的检测，目前多用光学方法检测［1］。最常用的方法是外差干涉法，它最显著的特点是利用载波技术，将被测物理量的信息转换成调频或者调相信号，具有抗干扰能力强、测量速度快、信噪比高、易于实现高分辨率测量等特点，得到了很大的发展，用于微小振动的测量有独特的优势。随着超精密检测技术的发展，对激光外差干涉仪的测量精度提出了更高的要求［2］。实验研究表明外差系统的实用性主要受其稳定性和环境噪声的影响。探测系统的通光量对探测灵敏度影响也非常大。此外，频移装置的频率漂移将引起干涉信号的不稳定，杂散光会导致光路噪声大，降低系统的信噪比，影响干涉效率［3］。本文旨在对传统外差干涉微振动测量光路进行改进，提高系统的测量精度。

1激光外差干涉系统微位移检测原理

外差干涉光路系统如图1所示，激光器发出激光进入声光调制器产生移频，频差为80MHz。从声光调制器出来的1级光和0级光经过PBS（PolarizationBeamSplitter）偏振分光棱镜后又分为两束光，经BS1和R1干涉后进入光电探测器作为参考信号，另一路经M1、M2、BS2、R2干涉后进入光电探测器做为探测光［4］。M1和M2是三角棱镜，R1和R2是反射镜。

2影响系统测量精度的因素及改进方法

（1）外差干涉系统对表面位移非常敏感所以很适合测量只有几十纳米的超声位移，但同时对外界环境的干扰也十分敏感，外部环境震动会对干涉信号产生相位误差，用电信号做参考信号进行解调会影响测量精度，基于上述原因采用双光路［7］干涉可以减弱环境干扰带来的误差。（2）外差探测系统中，两束光在光电探测器的光敏面上发生干涉，对干涉信噪比影响最大的是相位匹配［8］，当被测目标处于近场，信号光束和本振光束都不能近似的看作平面波。近场高斯波函数以及外差探测理论得系统外差效率。Us和Ul是两束光的复振幅，是它们的相位差，A是光电探测器的光敏面，积分在光敏面上。由以上公式可得外差效率会随着探测器光敏面的面积逐渐增大最后稳定在一个值。在探测光路中加入聚焦透镜，缩小从铝板反射回来的光斑，可以增大干涉效率。（3）被测铝板在抛光的情况下也会产生散射光斑，只有当光束聚焦在物体表面上成为一个衍射受限点，仅探测一个光斑时，才能得到最好的探测条件［10-11］。利用聚焦透镜能收集大光斑来获得高灵敏度，聚焦后的光束有更高的转化效率，能收集到更多的超声信号。还能增大进入干涉仪的通光量，使光电探测器光敏面接受的信号更强更集中，两束光能更好的准直干涉［12］。这个改进使得灵敏度显著增强。（4）在光电探测器前加滤光片，只能通过632.8nm的激光，有效滤除杂散光，提高系统信噪比。（5）为了避免声光调制器0级光和1级光的混叠，采用专用的不加外部信号的声光移频器驱动源，提供更稳定的驱动信号。

3实验结果与分析

光路调试到最佳状态时两路光的干涉信号分别达到552mv和736mv，如图2所示。结果用MATLAB基于反正切运算的相位生成载波解调方法解调出位移信号。为了检验干涉系统的效果首先用压电陶瓷模拟微震动进行实验仿真如图3~图4。模拟震动的频率为5kHz，100mV，实验表明解调后的探测主频为5kHz，噪声频率与主频相差很大，很大程度上降低了噪声干扰。图5用脉冲激光器作激励源，激励被测样品（铝板）产生超声信号。激励激光器的波长1064nm，激光脉冲能量150mJ，脉冲宽度为8ns。图6为改进前的探测信号。改进前后超声探测的对比图5~图6所示用MATLABb解调出位移信号，从图中可以看出有3处时间间隔基本相同的明显回波，是由于超声波遇到样品内部缺陷后反射回来作用于探测点，由于多普勒效应产生频移，通过程序解调得到位移信号。超声信号的频率是2.5MHz，改进光路以前探测结果噪声信号幅度在0.2V左右，信噪比为7.5，新型双光路探测结果中噪声幅度小于0.04V，信噪比125，干扰震荡时间比以前小很多。实验结果表明新型双光路外差干涉检测系统的信噪比提高了16.7倍。

4总结

经过对外差干涉系统的改进，提高了系统对环境的抗干扰能力，利用聚焦透镜收集光斑增强了干涉仪的通光量，提高了系统的分辨率。探测到的超声信号清晰明显，而且信噪比高，实验结果表明该系统能够用于检测纳米量级的超声微位移以及后续的激光超声无损探伤。

作者：司高潞 张志伟 单位：中北大学信息与通信工程学院 中北大学电子测试技术重点实验室  中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室