1、112111225 俞萍萍 112111237 張沖 512111832 周君瑋光偏轉技術1概述光偏轉技術是利用超聲到達樣品表面或沿樣品表面傳播時樣品表面的形狀或反射率的改變，導致反射光的位置或強度變化來實現對超聲信號的探測的。對光偏轉法具于探測短脈沖激光在表面拋光金屬材料上激發的高頻聲表面波而言, 有足夠的探測帶寬，而且相對干涉儀方法而言，具有結構簡單、成本較低的優勢。2光偏轉技術的基本原理光偏轉技術是一種非干涉光檢測方法。由于它簡單、對環境振動不敏感，在超聲和激光超聲的檢測中用的最多。Adler最早通過此方法來再現表面聲波，并計算了均勻分布光截面的計算表達式，章肖融等得到了高斯光截面的計算

2、表達式。刀刃技術的簡單原理如圖2.1所示:刀邊接收光束I Ay3 T圖2.1刀刃技術原理圖2.2刀刃和坐標一束直徑為D的激光光束被焦距為Fi的透鏡Li聚焦至一受聲擾動的表面上,受聲擾動的表面上有因連續波引起的波紋，或因脈沖波影響而引起的局部傾斜（隆起）。當入射于表面的探測光斑的尺寸比要探測的最短聲波波長小時，由聲 擾動導致的表面傾斜會使反射光偏轉，偏轉的反射光束攜帶著聲脈沖的信息， 通過焦距為F2的聚焦透鏡a,半被刀刃擋住，另一半被透鏡 L3聚焦至光電二極 管上，或者由透鏡L2聚焦至四象限的位置傳感器上進行測定。設樣品受聲擾動后表面的傾斜度為0 ,波以垂直于刀刃的方向傳到刀刃，坐標x,y軸分別

3、垂直和平行于刀刃（如圖所示）。設透射到傳感器上的激光光斑強度是咼斯分布a(x,y)噲卡ex pxy2(2-1)式中Ao是光電磁場的振幅，d是反射光束直徑。d=（辛）D，當偏轉。很小時,光電二級管的輸出電流為:lout(2-2)式中n是光電檢測器的轉換效率，單位為 A/W0R是入射光束的能量，P = A0。設頻率為Wa的聲表面波沿y方向傳播，其位移為u = u0 cos(Wat - ka x)(2-3)式中ka為聲表面波傳播常數，Uo是聲振幅，當表面傾斜度很小即 日很小時,8 = = kaUoS in （Wat -kaX）平均角度average = kaUo / J2 =（2兀Uo /為，則光電

4、管輸出電流與聲波的關系為(2-4)當聲波為寬頻脈沖波時u：)iout Fr(2-5)iout沖、峠就(2-6)光偏轉技術的信噪比受散粒噪聲所限制nF1 2 u 2SNR"吋咤)(去)Pa(2-7)式中B是聲頻帶寬，V'是光子頻率。令SNR=1時，其最小可檢測振幅為:umin扎aD hv'B' 1/2 =()4F1 兀“(2-8)這種方法可用來檢測激光超聲波的位移梯度，已經成熟的應用于商用儀器 中，如原子力顯微鏡和激光掃描顯微鏡。但是這種方法的缺點是低頻靈敏度低, 要求樣品表面是鏡面反射。3差分式光偏轉系統3.1實驗原理一束直徑為D的激光束被焦距為Fi的透鏡聚焦

5、至一受聲擾動的表面上。受 聲擾動的表面上有因連續波傳播引起的波紋，或因脈沖波影響引起的局部傾斜。當入射于表面的探測光斑的尺寸遠比要檢測的最短聲波長小時，由聲擾動導致的 表面傾斜會整束反射光偏轉，偏轉的反射光束攜帶著聲脈沖信息， 照射到雙半圓 分束鏡的反射光斑相對分束鏡中心發生微量偏移。 通過雙半圓分束鏡分出的兩束 光分別聚焦到光平衡接收器的兩個光電管的光敏面上，兩束探測光光通量差的變化就可反映出聲脈沖信號。該技術的基本原理如圖3.1所示:圖3.1光偏轉原理圖3.2光差分原理圖為了計算檢測光光通量分布，如圖3.2所示，把雙半圓分束鏡的中心線作為x軸，圓心作為原點，建立直角坐標系來表征高斯檢測光的

6、振幅分布，在此，可 令光斑強度為：2 22 2I "oexp(一備)ex卩(一芻)RR(3-1)乂比x2 + v2r2i 0uexp(F)dxdv F(3-2)其中I是探測光束中心的光強，R是初始平衡時雙半圓分束鏡上的光斑半徑， P 為光功率。當ASF模式波沿楔尖表面傳播時，探測光束發生偏移h,兩束探測光光通量的變化可表示為:處 h2x22vjIcR2= (U loexp(-各)exp(-響曲2 =¥ef(¥)二0RR4R(3-3)工 02x22v2人2 = J二h loexp(于)exp( $)dxdv =-1RR(3-4)其中 ef (?)o'ex p

7、(-t2)dt，近似為 ¥R把兩束光聚焦在光平衡接收器的兩個光電管的光敏面上,則兩輸入端的光通量差和輸出光電流分別為:A =72|0Rh(3-5)i = n72ri0Rh(3-6)(3-7)(3-8)6 = = ku0 sin(wt - kx)= exw ct將式(3-9)代入式(3-7)，得到k cuh=2F2+2ucosi1w ctJk rui =2 寸 2 兀ni0R(F2- +2ucosi1) w ct(3-9)(3-10)(3-11)其中n為光電轉化效率。準直光束的變化應由兩部分組成:h =2F29 + 2u cosi1其中ii為入射角，F2是探測光束聚焦點到雙半圓分束鏡的

8、距離。假設ASF模式楔形波傳播時引起的樣品表面位移為:u(x, t) = u0 cos(wt - kx)其中uo是ASF模式楔形波的振幅，w是角頻率，k是波數。當表面傾斜度很小即 日很小時，利用小角度近似，樣品表面 ASF模式楔形波傳播引起的偏角日可表示為:(3-12)(3-13)在樣品表面上，會存在著不同角頻率 Wa，不同波數ka的波，同樣有不同的振幅Ua，則輸出信號為:；_ka cuai =2丁2別|0臨(F2 a a +uacosi1)aWa a代入光功率P,得:i =卑空送(F2 JkB+UaCOsiJV兀 R a Wa ct從原理分析看，該方法可以用于波形的檢測，可以看出檢測信號中包

9、含有位 移和速度的信息。3.2系統的實驗裝置圖此系統的超聲瑞利波的接收裝置采用差分式光偏轉光路，其中輸出功率17 mW的He-Ne激光器作為探測用光源，經過焦距40 mm的凸透鏡聚焦到樣品上，從樣品反射出來的激光束經反射鏡反射，通過凸透鏡準直成光束直徑為15 mm的平行光束,該光束經直角三棱鏡的棱角分成兩出射角度相等的光束，棱鏡前放置可調光闌用以調節入射光束直徑及入射光強.從棱鏡出射的兩束激光分別經平面 反射鏡反射和凸透鏡聚焦后進入650 MHz的平衡接收器的兩個輸入端，平衡接收器輸出端的信號由數字示波器接收，調節反射鏡保證兩束激光光程相等.平衡接收器輸入端前各有一透射波長632.8nm的窄帶

10、干涉濾光片，用以消除雜散光的影響. 實驗前首先調節三棱鏡的位置使進入平衡接收器的兩光束光強度相等，因平衡接收器內部是寬帶放大差分電路，所以這時輸出信號為0;當樣品上的聚焦He-Ne光 斑區域有表面波經過時，反射光束因反射角改變產生微量偏移，造成兩束入射到平 衡接收器的相對光束強度發生改變，對應的平衡接收器輸出信號亦發生改變，因而 可以檢測樣品上的超聲表面波。圖3.3差分式光偏轉法的裝置圖對于光偏轉的方法，檢測光的入射方式對空間分辨率存在著影響， 檢測光點 越小，空間分辨率越高，檢測精度也會隨之提升。當檢測光束的入射面與聲表面 波傳播方向平行時，光斑直徑設為 di,如圖3.4(a)所示；當檢測光

11、束的入射面與聲表面波傳播方向垂直時，光斑半徑設為d2，如圖3.4(b)所示。顯然d2<di，因此采用檢測光束的入射面與聲表面波傳播垂直的方法，可以有效提高空間分辨 率，進而提高檢測精度。圖3.4光偏轉面與波傳播方向不同時的比較圖(a)平行(b)垂直3.3改進的裝置圖3.5的實驗檢測裝置，對傳統的光偏轉探測系統進行了改進，通過盡量減 少光學元件來降低光學噪聲，同時通過光差分法有效降低了外界噪聲對探測的影響，該套裝置具有光偏轉法的共同特點，都是利用探測光束的偏轉來反映激光超 聲的信息。roiiputersputterphotodiodelensi 2Aiu t erfpr enre I

12、9; 壬宛目I丿fli伽4卜I。和reflector beam cylinder lenssplitterHe-Ne laser»I*VI /您 lens 1圖3.5改進的實驗裝置脈沖激光首先通過分光片，部分反射光被光電二級管接收，傳送到示波器作 為示波器的觸發信號。透射光經由棱鏡和柱面鏡組合成的精密平移臺， 轉折聚焦 到樣品表面。檢測部分采用了基于光差分的光偏轉光路系統，光平衡接收器作為 接收器。He-Ne激光束首先通過聚透鏡聚焦至樣品表面，從樣品反射出來的激光束到 達雙半圓的分束鏡， 然后聚焦成兩束光到達光平衡接收器的兩個光敏面上。 光平 衡接收器將兩光敏面上的光信號分別轉化為電

13、信號，由數字示波器接收并顯示。開始實驗時，事先要進行光平衡的調節。使用該檢測系統，首先要注意聚焦 光斑的調節，這關系到檢測的靈敏度及檢測帶寬。選擇合適焦距的聚透鏡將He-Ne激光束聚焦到樣品表面，可利用激光散斑的原理調節反射光斑，使之達到最佳效果；然后要注意調節雙半圓分束鏡分出的兩光束， 首先粗調雙半圓分束鏡分出的兩光束， 盡量使兩半圓上的光斑強度相近， 易于把激光光束均勻的分成光 強相等的兩束光。 其次要根據特定情況， 選擇合適焦距的聚透鏡， 使兩光束有最佳的聚焦效果，同時務必保證這兩光束垂直入射到光平衡接收器的兩個光敏面 上，便于信號的精確測量，光平衡的調節；完成以上所有的步驟，最后就是調

14、節 光平衡接收器， 以上所有的步驟均是調平衡接收器的基礎。 當超聲信號較弱， 初 始光平衡與否關系著噪聲消除的效果以及信號的靈敏度。改進主要體現在運用一個雙半圓分束鏡上。使用該雙半圓分束鏡，不僅達到了分光的目的， 而且節省了光學元件。 因為運用雙半圓分束鏡后， 分出的兩光 束可以通過一個合適焦距的聚透鏡聚焦到光平衡接收器的兩個光敏面上。 而且該 雙半圓分束鏡安置于可調節的精密平移臺上， 具有很好的操作靈活性。 倘若用三 棱鏡分光，分出的兩光束得分別聚光，需更多的光學元件，不易控制。4 基于光偏轉原理的光纖傳感裝置此裝置采用光纖耦合反射式光束偏轉技術 , 對脈沖激光在不同曲率半徑的柱 狀樣材側面

15、激發的 Rayleigh 波進行實驗探測。由脈沖線源激發的Rayleigh波沿垂直圓柱母線的方向傳播,在距離激發點一 定距離處用基于光偏轉原理的光纖傳感裝置檢測。 基于光偏轉原理的光纖傳感裝 置的基本原理如下：由輸出功率為0. 5 mw的He-Ne激光器發出波長為632.8 nm的連續激光 , 經一焦距為 5 mm 的短焦透鏡將探測光束聚焦到圓柱表面形成探測 光點,光束經圓柱表面反射后由一顯微物鏡（焦距為5 mm）接收,并由放置在五維光纖微調架（其調節精度0. 1m）上的單模光纖接收反射光信號，為了減小雜散光的干擾 , 在顯微物鏡前加置了中心透射波長為 632.8 nm 的窄帶濾波片。 單模光

16、纖接收的反射光信號,由光電倍增管將其轉化為電信號，并由示波器進行采樣記錄。1617n1307虹反射if 41代測也噸圖4.1實驗裝置圖當脈沖激光在圓柱表面激發 Rayleigh波,激發的Rayleigh波沿圓柱表面傳播到達探測點時，引起圓柱表面發生如圖（a）所示的微小形變，假定表面形變的傾斜 角為B,此時的反射光束相對于原反射光束偏離 2 0,這時將影響進入探測光纖內的光強度，這種光強變化信號通過光電倍增管將其轉變為電信號，并由示波器進行記錄。接下來，將對其探測原理作簡單的分析。由激光器發出的激光束經過透鏡聚 焦到圓柱表面，經表面反射的探測光束再經顯微物鏡準直后的光束直徑約為0.16mm,遠大

17、于單模光纖的直徑（4卩m出射光與光纖纖芯之間的位置如圖（b）所示。(bVI he trowscclio" diaani of (he fiber coupling圖4.2的光纖傳感裝置原理假設界面形變的傾角為B,則顯微物鏡準直后的光束偏移的距離為 6 = 2f2呂,出射光與光纖纖芯相對位置發生變化，從而導致耦合進光纖內的光強度變化。假定經過顯微物鏡后出射的光束仍然服從高斯分布(4-1)< ©2 +n2、I = Io exp 2IB2丿式中:lo是光束中心的光強,B為光束分布的1/e寬度，則在如圖（b）所示的情況下，耦合進光纖的光通量可由下式進行估算=1。JJexP -

18、B2丿(4-2)式中：Q為出射光束與光纖纖芯的重疊區域。由于光纖纖芯半徑r遠小于出射光束半徑R,因此光纖纖芯覆蓋面積上的光強可以近似看成是均勻的。在此近似條件下，將6 =2f 代入可得ZoSoex pL 甘I B 丿eex卩1衛粵2門I B 丿(4-3)式中:So為光纖纖芯的面積,a為0=0時光纖纖芯中心到出射光束中心之間的 初始距離。由上式可知，和0的關系曲線呈高斯型，如圖3.2所示，如恰當選取a 值使出射光束沒有偏轉時耦合光通量為最大值 0的一半（即靜態工作點在 M點附近），同時考慮到0的變化非常小，因此傳感器在M點附近工作時具有最佳的近似線性效果和最高的靈敏度。基于上述考慮，可以對公式在

19、0 =0點附近進行Taylor展開,并忽略非線性項的影響可得2H(4-4)由上式可知：光通量的變化線性地反映0的變化，并與光電倍增管輸出的電 流變化呈線性關系，因此本研究采用的光纖傳感裝置可以近似地線性復現Rayleigh波在經過探測點時引起的表面形變。圖4.3耦合進光纖的光通量與偏轉角0之間的關系5差分共焦光束微偏轉探測器5.1 SAW探測原理該探測器基于光束偏轉敏感檢測原理。當 SAW傳播至探測點時，引起表面微粒振動，從而導致反射探測光束偏轉，如圖5.1所示。該偏轉使得差分器輸出信號隨之變化，從而反映出探測點的SAW信息。(b) if SAW 傳播(h) ich SAW(11)無SAW傳播

20、(a) wiihuLii SA W*1 2a 口圖5.1 SAW探測原理實驗中，探測光束呈高斯分布。當探測點無SAW通過時，如圖(a)所示，兩差分光電探測器的輸入相同，差分電信號為零。當探測點有SAW通過時，如圖(b)所示，探測點微粒偏轉角度 札反射光偏移x。此偏移光束經分光鏡投射至差分光電探測器感光面時，其中一束光在感光面上偏移Ax，而另一束光則朝相反的方向偏移-Axo設Mo為探測器的光電轉換系數，P1、P2分別為兩感光面的接收光強，考慮©遠遠小于d，且投射至光電探測器感光面上的光束半徑 a遠遠小于光電探測器感光面半徑，則差分器輸出信號可表示為iV=M0(PP2)=2./X，2息2

21、-=P)Moea dx，x/2ia'占(5-1)式中Po為入射探測光光強，a為投射至光電探測器感光面上的光束半徑。由于光束中心偏移量 x遠遠小于探測光束在感光面上的輻照半徑，考慮高斯光束，故由式（5-1）可得(5-2)其中入為光在其傳輸媒質中的波長。考慮一列頻率為3 0,沿x軸正方向傳播的SAW其位移可表示如下u =u0 co盼 ot +kox )(5-3)其中，uo為其幅度，ko為其傳播常量。當 ©足夠小時，有W = G =koUoSin(©otkoX)= 0 DU 戲©0 ct(5-4)考慮一列頻率為 3 0,沿x軸正方向傳播的SAW其位移可表示如下(

22、5-5)由此可見，光偏轉轉探測器的輸出信號正比于探測點微粒在 SAW作用下的微振動速度。5.2實驗系統345182019廠* 二 222321【H圖5.2實驗裝置圖圖5.2中虛線框內部分即為新型差分共焦光束微偏轉探測器。該技術采用差 分檢測方法抑制了系統共模噪聲；采用共焦結構增強了檢測系統穩定性、減弱了 環境擾動的影響。He-Ne激光器發出的非極化探測光束通過極化分光鏡后被極化為線偏振入/4波片并重新被轉光。該偏振光經平面鏡垂直轉向后，通過入/4波片，由聚焦透鏡垂直匯聚于被 測樣品表面的探測點，并經反射后沿原入射路徑再次經過向平面鏡反射至極化分光鏡。由于探測光此前已被極化為線偏振光，且此后兩次通過 入/4波片，故其偏振方向改變n /2所以，該反射光束不能再通過極化分光鏡，而被其反射至1:1分光鏡上，從而實現了與