用共焦Fabry-Perot干涉仪探测激光超声信号的研究

　　1　引言

　　激光超声技术是无损检测领域的一种新技术,其原理是用激光脉冲轰击试件表面,在试件内部产生超声波。当激光的功率密度不同时,产生超声波的机理也不相同[1]。这种技术最显著的特点是可进行远距离非接触式检测。特别适用于环境恶劣(如高温、高压、有毒或放射性)及工件形状和尺寸特殊(如小尺寸,大曲率)等情形下的检测。在航空航天、计量及力学特性测试等领域有着广泛的应用前景。由于利用脉冲激光激励的超声波位移信号很小(约为nm级),因此,接收激光超声信号的方法就至关重要。用于非接触式探测固体表面激光超声信号的方法有: EMAT,电容换能器,空气换能器及零差法和外差法等光学方法。但是,在前三种方法中,要求探头与构件间的距离不能太大,在一些恶劣环境下无法使用。而后两种光学方法是对试件的表面位移敏感,对试件的表面光洁度及环境振动要求很高,一般的工业现场很难满足这些要求。另外,这些光学方法只有接收一个散射光斑时,才能有最佳灵敏度,即使同时接收多个散斑,因它们是不相关的,信噪比也不会提高。而球面共焦Fabry-Per-ot干涉仪(以下简称CFPI)是一种速度型干涉仪,它对周围环境振动较不敏感,且可同时接收多个散射光斑,有很强的聚光能力,适用于对光学粗糙表面的检测。本文利用自行研制的CFPI非接触式激光超声检测系统,检测到用PZT换能器和脉冲激光产生的超声信号,实现了nm量级声脉冲的非接触式接收,为将该系统应用于NDT中打下了基础。

　　2　CFPI的工作原理简介

　　CFPI是由曲率半径为r的两相同球面镜共焦放置而成。当入射光束满足最佳匹配条件,以获得最佳匹配度时,腔内光路如图1所示。

　　由近轴光学理论可知,透光处前后相继两束透射光的光程差,在忽略球面象差的情况下,Δ≈4r,其透射系数为:

　　其中,R为镜面反射系数;镜面一旦选定,R即为一常数。I0和I分别为入射和透射光强;φ=8πdγ/c-2πm,为同一点连续两次透射光的相位差;γ为入射光的频率;d为干涉仪的腔长;c为真空中光速;m为整数。

　　由(1)式可见,TE只是入射光频C和干涉仪腔长d的函数,其透射曲线呈一系列单峰值脉冲状,见图3所示。若固定腔长,且将工作点稳定在某一透射峰值的半高度,则入射光频的微小变化,将导致透射光强的很大变化。这就是CFPI作为解调器检测超声信号的基础。同样,当入射光为稳频的单色光,则微小调节干涉仪的腔长,也使透射光强发生较大变化。这也是稳定工作点的原理所在。

　　对于激光超声信号探测而言,只要将干涉仪的工作点稳定在透射峰值的半高度,则激光脉冲在试件表面产生的位移,使被检测的激光频率产生多普勒频移(Δγ=2T/λ)效应,而这一频率变化被转化成输出光强的变化,其解调示意图如图2。我们自行研制的CFPI,其技术指标为:仪器带宽Δγm=4.8MHz,自由谱宽Δγf=248MHz,精细度F=51. 7。图3是用锯齿波扫描,使干涉仪腔长连续变化所得到的系列透射峰值。