光学外差干涉法检测微弱超声振动

　　1 引言

　　自20世纪70年代以来,激光超声技术因其频带较宽、模式多样、具有很高的时间和空间分辨率等特性,在无损探伤领域得到了越来越广泛的关注和应用,已发展成为超声学的一个重要分支[1-2]。但激光超声振动信号非常微弱,位移幅值一般在数微米量级,且激发超声的激光源所需强度特别大[3-5],因此,目前多用光学方法检测。光学法检测超声可分为两大类:一类是非干涉法,如狭缝法、刀刃法等;另一类为干涉法,主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等[6]。此外,还有使用法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer)和光折变干涉仪的方法,但前者性能不稳定,后者价格十分昂贵。较常用的当属外差干涉法[7],该方法最大的特点是将微弱的激光超声信号加载到高频范围内进行处理,从而避开了低频1/f噪声的干扰。

　　通常的外差干涉系统,因使用的光学器件较多,会出现很多杂光(如回授光[8]),光学噪声大,信噪比低,并不适合微弱激光超声信号的检测。基于此,本文采用线偏振光作为光源来改善传统的干涉光路系统,设计出了检测微弱振动信号的新型线偏振光外差干涉系统。该系统用压电超声代替激光超声作为微弱振动信号源,实验得到了较好的外差干涉信号,并得到了与压电探头振动激励信号一致的探测信号,而且结构简单,成本较低。

　　2 线偏振光外差干涉系统组成

　　图1为本文所设计的测量微弱振动信号的线偏振光外差干涉系统示意图。采用功率为12mW的He-Ne线偏振激光器作为光源,发出的偏振光波长为632.8nm,光束通过具有移频作用的布拉格器件(Bragg cell)产生频率不同、偏振方向相互垂直的两束线偏振光:0级光和1级光,其频差fB为40 MHz。通过K/2波片来调整其偏振方向(线偏振光通过λ/2波片,若入射线偏振光的振动方向与波片快轴的夹角为α,则出射线偏振光的振动方向向着快轴方向转动2α角),使0级光在偏振分光镜上发生全透射(同时1级光全反射),在PBS上透射的光束经过λ/4波片和透镜汇聚成像到被测样品表面上(要求被测样品与透镜的距离为透镜焦距f),之后被样品表面反射,重新通过λ/4波片,返回到偏振分光镜上。调整λ/4波片的快轴与入射偏振光的振动方向成45°,光线两次经过λ/4波片,0级偏振光的偏振方向变化90°,回到偏振分光镜时则变成为全反射的光束。1级光依次通过反射镜M1、λ/2波片、反射镜M2和M3时,因λ/2波片的作用(调整λ/2波片的快轴与入射偏振光的振动方向成45°,使1级光偏振相位改变90°)在偏振分光镜上发生全透射。调整光路系统使透射的1级光(参考光)和反射的0级光(信号光)相互重合,重合的两束光通过检偏器和透镜汇聚到光电探测器上发生干涉。