共焦Fabry-Perot干涉仪超声接收系统聚光本领分析

　　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。