激光超声检测技术

线性干涉检测技术包括自差、外差和共焦 Fabry-Perot 干涉检测技术等，它 们使用的干涉仪分别为自差干涉仪、外差干涉仪和共焦 Fabry-Perot 干涉仪。 自差干涉检测 自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜， 其
原理如图 1.4 所示。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦 后入射到样品表面，反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜和分束镜 后也进探测器，二者发生干涉。
1.1.3 反射率检测技术
脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力能引起样品光折射率的微 小改变， 这种微小改变又能引起样品镜式或弥散式反射率的变化，通过检测这种 变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。 1.2 干涉检测技术 根据是否使用非线性晶体， 干涉检测技术又可分为线性干涉检测技术和非线 性干涉检测技术。 1.2.1 线性干涉检测技术
的振幅为 1.5um
图 1.3
以 D 为自变量，SNR 为应变量的 matlab 仿真图
1.1.2
表面栅格衍射技术
当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时， 由于 Bragg 效应或 Raman-Nath 效应，会产生一级或多级衍射光，通过测量衍射光的强度和偏转角，可测定超声 波的特性。 表面衍射技术是把声表面波的位移作为电场振幅来检测，其简单原理如图 1.3 所示：
样品
激光器 探测器 图 1.5 自差干涉检测原理图
超声波
设样品表面的超声振动为 u (t ) ，激光脉冲被样品表面反射的相移为 则两光束干涉后的光强表达|式为
I I 0 {S Q 2 SQ cos[ 4
4

u (t ) ，

u (t ) (t )]}
（1.9） 式中 S 为参考光束有效强度透过系数，Q 样品表面反射的检测光束的有效强度透 过系 数， (t ) 为相位，t 为时间。其中，相位 (t ) 由干涉仪的光程差决定，并受外界 振动影响。 实际应用中．可通过调节迈克尔逊干涉仪的参考镜，使光程差 ，当 u (t ) 远小于光波波长 时，干涉光强为 (t ) 2k / 2 (k 为整数）
图 1.6
以 t 为自变量，I 为应变量的 matlab 仿真图
外差干涉检测 如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统，使参考光产生射频范围 内的频移， 即构成外差干涉检测仪， 其示意图见图 1.5。 脉冲激光器发出的光束， 经分束镜分成两束，其中的一束经移频装置后有 f B 的频移，经反射镜反射后与 样品表面反射的信号光发生干涉。由探测器检测出频移和干涉光强度，从而得到 样品超声振动的位移信息
i (t ) {ES cos(2f S t S ) E R cos(2f R t R )}2

1 2 1 2 1 1 ES E R ES cos(4f S t 2S ) E R cos(4f R t 2R ) 2 2 2 2
ES E R cos[2 ( f S f R )t R S ] ES E R cos(2f B t )
sin 2 1 时，光电流及信噪比达到最大，当 D ，即 sin / D 时，光电 D 2 2
I I 0 {S Q 2 SQ sin[ 4

u (t )]} I 0 {S Q 2 SQ [
4

u (t )}
（1.10）
I 0 1cd 假设光波波长 3um ， s 0.5 ， Q 0.5 ，
得到图 1.6
， 用 Matlab 仿真式 1.10，
ES (t ) ES cos(2f S s )
（1.12）
其中，S 和 R 为信号光和考光的相位，ES 和 E R 分别为信号光和参考光场的
振幅。 信号光和参考光完全准直时，假设二者的偏振方向和传播方向相同，并且垂 直射到光探测器上。 由于光电探测器的输出正比于合场强的平方， 则光电流 i (t ) 为
：
i (t ) k1ES E R (1 cos ) cos[ wt (S R )]
sin
D
2 2
D
（1.16） 式中， k1 为比例系数， 为光电探测器光量子效率， D 为光敏面的直径，
2 sin / 。
当光电器件的量子噪声很小时，可以只考虑参考光的散粒噪声，光外差系统 的 信 噪 比 为
I S I R 0.5cd ， f B 50 MHZ ， 3um ， u (t ) A0 cos 2f B t ，

2
A0 1
图 1.8
对式 1.15 进行的 matlab 仿真
如果信号光和参考光之问存在一定的夹角θ(空间准直角)，则探测器的输出光 电 流 为
[27]
（1.13） 式中三、四、五项是光频项，光电探测器无法响应，实际输出的光电流为
i (t ) I S I R 2 I S I R cos(2f B t )
（1.14） 式中， I S ， I R ， f S ， R S 分别为信号光、参考光的直流分量，射频发生 器的频率，两光束的相位差。 式（1.14）是未加超声信号时的光电探测器的输出，如果样品表面的超声位 移为
当照射到样品表面的检测光束直径小于激光超声波长时， 检测光的反射光由 于样品表面超声振动而发生偏转， 偏转大小由刀刃割截的光通量或位移检测器测 定。反射光的偏转值与声波的幅值及性质有关，它反映了表面波和体波的传播情 况，以及样品的内部缺陷和微结构。该方法具有结构简单，频带宽，环境振动影 响小等优点，是对抛光表面样品进行超声检测的有效工具，其装置如下图 1.1 所示：

（1.2）
u k aU cos( wa t k a x) x
平均角度 rm k aU / 2 2U / a ,其中 a 为声波波长，则光电管输出电流与 声 波 的 关 系 为 （1.3） 当声波为宽频脉冲波时，可以将脉冲声波看成简谐波的叠加
isig 4I i ( F1 n U i ) D i 1 ai
Байду номын сангаас
sin n sin 0 n / 0
（1.7）
其中 a 、 分别为声波长和光波长， n 是衍射光的级数。当超声波的振幅比光波 长小得多时，第一级和零级衍射光的相对强度为
I1 [ J1 (k a u )]2 I0
（1.8）
J1 (k a u ) 是第一类一阶 Bessel 函数， u 是峰值表面位移。
样品 频移系统
超声波 激光器 探测器
图 1.7
外差干涉检测原理图
设信号光的频率为 f S ，参考光的频率为 f R f S f B ，则参考光、信号光的
电场矢量 E R (t ) ， ES (t ) 分别为 E R (t ) E R cos(2f R R )
（1.11）
F1 0.1m ， 是光电管的灵敏系数,单位是 A / W (2.215 0.047)， I i 是入射光束
的光强为 15cd （高亮 LED） ， a 为声波波长 0.01m， B 是声频带宽 14khz ， v 是 光子频率 6.339470（26）×10^14 HZ ， h = 6.626196×10^-34 J·s ，声波
激光超声检测技术
目前，激光超声的接收主要有传感器检测和光学法检测两类。 传感器检测 包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方 法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常 接近样品表面， 才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声 信号这种方法需要用耦合剂，对被测样品会产生影响。 利用光学方法探测材料表面的超声振动是一种新型的无损检测手段，该方 法具有非接触、灵敏度高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点， 是真正意义上的非接触、宽带检测技术。光学法检测技术又可细分为非干涉检测 技术和干涉检测技术两种。目前广泛使用的是外插干涉仪、共焦 F - P 干涉仪 是线性干涉仪， 而相位共轭干涉仪，双波混合干涉仪以及光感生电动势干涉仪则 属于非线性光学的。 1.1 非干涉检测技术 非干涉检测技术包括刀刃检测技术，表面栅格衍射技术和反射率检测技术 等。 1.1.1 刀刃检测技术
U min
(1.6)
0 D hvB 1 ( )2 4 F1 aI i
光偏转技术可以用来检测激光超声波的位移梯度， 并且已成熟地应用在诸如 原子力显微镜、激光扫描显微镜等仪器中。这种方法结构简单，因此造价不高， 它的缺点在于探测低频超声时灵敏度低，并且对样品表面的要求也比较高。 对于公式 1.5 用 matlab 进行仿真
一级衍射

声波
1
入射光

1
负一级衍射
图 1.4
表面栅衍射原理图
表面栅衍射技术是令一束有一定宽度的光束，通常要求宽度为几个声波长， 垂直投射到受超声扰动的表面上，超声扰动使表面形成光栅，由于 Bragg 效应或 Raman 一 Nath 效应，光束发生衍射，出现一级或多级衍射光分布在镜式反射的 零级光的一侧或两侧。衍射光的传播方向由下式决定:
isig 4I i ( F1 U )( ) D a
（1.4）
U i 和 ai ，分别是各频率分量声波的振幅和波长。
光偏转技术的信噪比同样受量子噪声限制，信噪比为
SNR 16a F1 2 U 2 ( ) ( ) Ii hvB D a
（1.5） 式中： B 是声频带宽， v 是光子频率。其最小可检测振幅( SNR 1 时)为
u (t ) 。 则来自样品表面反射的信号光发生
4

u (t ) 的相移， 这时光电流的表达式为 4
i (t ) I S I R 2 I S I R cos(2f B t

u (t ) )
（1.15）
由式（1.15）可以看出，光电探测器的输出电流由直流成份和相位调制的 交流 成份组成， 其中直流项可以从测量中去除，而相位调制信号可经过调相解调后得 到所探测的超声位移 u（t） ，这就是激光外差干涉法探测超声微振动的原理。 用 matlab 仿真如图 1.8，设定以下参数
检测光 探测器
刀刃
图 1.1
刀刃检测技术示意图
具体如图 1.2
光电探测器 L3 刀口 L2 探测激光 L1 θ
图 1.2
刀口法探测超声波具体图
光偏转技术是一种结构简单、对环境振动不敏感的探测方法，其中最常见的 形式是刀口法。如图所示，一束直径为 D 的探测激光束被焦距为 F1 的透镜 L1 聚 焦至样品表面， 样品表面因为超声波传播引起的局部倾斜，当入射于表面的探测 光斑的尺寸比检测的最短声波长小时， 由声扰动导致的表面倾斜会使反射光发生 偏转，偏转了的反射光束就携带了超声信息，通过焦距为 F2 的透镜 L2 准直，光 束在透镜 L2 上的光斑直径为 d，利用刀口挡住出射光的一半，另一半被透镜 L3 聚焦至光电探测器上进行测定，通过光强的变化探测声波。 设反射光束以垂直于刀刃的方向入射， 投射到传感器上的激光强度是高斯分 布， A0 是入射光电场强度的振幅， d 是反射光束直径， d DF2 / F3 ，样品受超 声扰动后表面的倾斜度为 ，当偏转 很小时，光电二极管的输出光电流为
[25]
SNR k1 (1 cos ) 2 [
sin
D
2 ]2 D 2
（1.17） 由式 1.17 可得系统信噪比与检测光束空间准直角的关系曲线如图 1.9
由式（1.16） ，式（1.17）和图 1.8 可以看出，信号光与参考光的空间准直 性和在分束器上的入射角对外差信号的强度和信噪比有极大的影响。当
isig 2 2

I i
F1 D
(1.1) 式中: 是光电管的灵敏系数,单位是 A / W ， I i 是入射光束的光强， I i A02 。同
样假设超声引起的表面位 U (t ) U sin( wa k a x) ，式中 k a 为声传播常数， U 是声 振幅，当表面倾斜角 很小时