光偏转技术汇总.docx

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光偏转技术汇总

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光偏转技术

1概述

光偏转技术是利用超声到达样品表面或沿样品表面传播时样品表面的形状或反射率的改变，导致反射光的位置或强度变化来实现对超声信号的探测的。

对于探测短脉冲激光在表面抛光金属材料上激发的高频声表面波而言，光偏转法具有足够的探测带宽，而且相对干涉仪方法而言，具有结构简单、成本较低的优势。

2光偏转技术的基本原理

光偏转技术是一种非干涉光检测方法。

由于它简单、对环境振动不敏感，在超声和激光超声的检测中用的最多。

Adler最早通过此方法来再现表面声波，并计算了均匀分布光截面的计算表达式，章肖融等得到了高斯光截面的计算表达式。

刀刃技术的简单原理如图2.1所示：

图2.1刀刃技术原理图2.2刀刃和坐标

一束直径为D的激光光束被焦距为F1的透镜L1聚焦至一受声扰动的表面上，受声扰动的表面上有因连续波引起的波纹，或因脉冲波影响而引起的局部倾斜（隆起）。

当入射于表面的探测光斑的尺寸比要探测的最短声波波长小时，由声扰动导致的表面倾斜会使反射光偏转，偏转的反射光束携带着声脉冲的信息，通过焦距为F2的聚焦透镜L2，一半被刀刃挡住，另一半被透镜L3聚焦至光电二极管上，或者由透镜L2聚焦至四象限的位置传感器上进行测定。

设样品受声扰动后表面的倾斜度为，波以垂直于刀刃的方向传到刀刃，坐标x,y轴分别垂直和平行于刀刃（如图所示）。

设透射到传感器上的激光光斑强度是高斯分布

（2-1）

式中A0是光电磁场的振幅，d是反射光束直径。

，当偏转很小时，光电二级管的输出电流为：

（2-2）

式中是光电检测器的转换效率，单位为A/W0Pi是入射光束的能量，。

设频率为wa的声表面波沿y方向传播，其位移为

（2-3）

式中ka为声表面波传播常数，u0是声振幅，当表面倾斜度很小即很小时，

（2-4）

平均角度，则光电管输出电流与声波的关系为

（2-5）

当声波为宽频脉冲波时

（2-6）

光偏转技术的信噪比受散粒噪声所限制

（2-7）

式中B‘是声频带宽，是光子频率。

令SNR=1时，其最小可检测振幅为：

（2-8）

这种方法可用来检测激光超声波的位移梯度，已经成熟的应用于商用仪器中，如原子力显微镜和激光扫描显微镜。

但是这种方法的缺点是低频灵敏度低，要求样品表面是镜面反射。

3差分式光偏转系统

3.1实验原理

一束直径为D的激光束被焦距为F1的透镜聚焦至一受声扰动的表面上。

受声扰动的表面上有因连续波传播引起的波纹，或因脉冲波影响引起的局部倾斜。

当入射于表面的探测光斑的尺寸远比要检测的最短声波长小时，由声扰动导致的表面倾斜会整束反射光偏转，偏转的反射光束携带着声脉冲信息，照射到双半圆分束镜的反射光斑相对分束镜中心发生微量偏移。

通过双半圆分束镜分出的两束光分别聚焦到光平衡接收器的两个光电管的光敏面上，两束探测光光通量差的变化就可反映出声脉冲信号。

该技术的基本原理如图3.1所示：

图3.1光偏转原理

图3.2光差分原理图

为了计算检测光光通量分布，如图3.2所示，把双半圆分束镜的中心线作为x轴，圆心作为原点，建立直角坐标系来表征高斯检测光的振幅分布，在此，可令光斑强度为：

（3-5）

（3-4）

（3-3）

（3-2）

（3-1）

其中I是探测光束中心的光强，R是初始平衡时双半圆分束镜上的光斑半径，P为光功率。

当ASF模式波沿楔尖表面传播时，探测光束发生偏移h,两束探测光光通量的变化可表示为：

其中，近似为

把两束光聚焦在光平衡接收器的两个光电管的光敏面上，则两输入端的光通量差和输出光电流分别为：

（3-6）

其中为光电转化效率。

准直光束的变化应由两部分组成：

（3-7）

其中为入射角，F2是探测光束聚焦点到双半圆分束镜的距离。

假设ASF模式楔形波传播时引起的样品表面位移为：

（3-8）

其中是ASF模式楔形波的振幅，是角频率，是波数。

当表面倾斜度很小即很小时，利用小角度近似，样品表面ASF模式楔形波传播引起的偏角可表示为：

（3-9）

将式（3-9）代入式（3-7），得到

（3-10）

（3-11）

在样品表面上，会存在着不同角频率，不同波数的波，同样有不同的振幅，则输出信号为：

（3-12）

代入光功率P，得：

（3-13）

从原理分析看，该方法可以用于波形的检测，可以看出检测信号中包含有位移和速度的信息。

3.2系统的实验装置图

此系统的超声瑞利波的接收装置采用差分式光偏转光路,其中输出功率17mW的He-Ne激光器作为探测用光源,经过焦距40mm的凸透镜聚焦到样品上,从样品反射出来的激光束经反射镜反射,通过凸透镜准直成光束直径为15mm的平行光束,该光束经直角三棱镜的棱角分成两出射角度相等的光束,棱镜前放置一可调光阑用以调节入射光束直径及入射光强.从棱镜出射的两束激光分别经平面反射镜反射和凸透镜聚焦后进入650MHz的平衡接收器的两个输入端,平衡接收器输出端的信号由数字示波器接收,调节反射镜保证两束激光光程相等.平衡接收器输入端前各有一透射波长632.8nm的窄带干涉滤光片，用以消除杂散光的影响.实验前首先调节三棱镜的位置使进入平衡接收器的两光束光强度相等,因平衡接收器内部是宽带放大差分电路,所以这时输出信号为0;当样品上的聚焦He-Ne光斑区域有表面波经过时,反射光束因反射角改变产生微量偏移,造成两束入射到平衡接收器的相对光束强度发生改变,对应的平衡接收器输出信号亦发生改变,因而可以检测样品上的超声表面波。

图3.3差分式光偏转法的装置图

对于光偏转的方法，检测光的入射方式对空间分辨率存在着影响，检测光点越小，空间分辨率越高，检测精度也会随之提升。

当检测光束的入射面与声表面波传播方向平行时，光斑直径设为d1，如图3.4（a）所示；当检测光束的入射面与声表面波传播方向垂直时，光斑半径设为d2，如图3.4（b）所示。

显然d2

（a）（b）

图3.4光偏转面与波传播方向不同时的比较图（a）平行（b）垂直

3.3改进的装置

图3.5的实验检测装置，对传统的光偏转探测系统进行了改进，通过尽量减少光学元件来降低光学噪声，同时通过光差分法有效降低了外界噪声对探测的影响，该套装置具有光偏转法的共同特点，都是利用探测光束的偏转来反映激光超声的信息。

图3.5改进的实验装置

脉冲激光首先通过分光片，部分反射光被光电二级管接收，传送到示波器作为示波器的触发信号。

透射光经由棱镜和柱面镜组合成的精密平移台，转折聚焦到样品表面。

检测部分采用了基于光差分的光偏转光路系统，光平衡接收器作为接收器。

He-Ne激光束首先通过聚透镜聚焦至样品表面，从样品反射出来的激光束到达双半圆的分束镜，然后聚焦成两束光到达光平衡接收器的两个光敏面上。

光平衡接收器将两光敏面上的光信号分别转化为电信号，由数字示波器接收并显示。

开始实验时，事先要进行光平衡的调节。

使用该检测系统，首先要注意聚焦光斑的调节，这关系到检测的灵敏度及检测带宽。

选择合适焦距的聚透镜将He-Ne激光束聚焦到样品表面，可利用激光散斑的原理调节反射光斑，使之达到最佳效果；然后要注意调节双半圆分束镜分出的两光束，首先粗调双半圆分束镜分出的两光束，尽量使两半圆上的光斑强度相近，易于把激光光束均匀的分成光强相等的两束光。

其次要根据特定情况，选择合适焦距的聚透镜，使两光束有最佳的聚焦效果，同时务必保证这两光束垂直入射到光平衡接收器的两个光敏面上，便于信号的精确测量，光平衡的调节；完成以上所有的步骤，最后就是调节光平衡接收器，以上所有的步骤均是调平衡接收器的基础。

当超声信号较弱，初始光平衡与否关系着噪声消除的效果以及信号的灵敏度。

改进主要体现在运用一个双半圆分束镜上。

使用该双半圆分束镜，不仅达到了分光的目的，而且节省了光学元件。

因为运用双半圆分束镜后，分出的两光束可以通过一个合适焦距的聚透镜聚焦到光平衡接收器的两个光敏面上。

而且该双半圆分束镜安置于可调节的精密平移台上，具有很好的操作灵活性。

倘若用三棱镜分光，分出的两光束得分别聚光，需更多的光学元件，不易控制。

4基于光偏转原理的光纤传感装置

此装置采用光纤耦合反射式光束偏转技术,对脉冲激光在不同曲率半径的柱状样材侧面激发的Rayleigh波进行实验探测。

由脉冲线源激发的Rayleigh波沿垂直圆柱母线的方向传播,在距离激发点一定距离处用基于光偏转原理的光纤传感装置检测。

基于光偏转原理的光纤传感装置的基本原理如下:

由输出功率为0.5mw的He-Ne激光器发出波长为632.8nm的连续激光,经一焦距为5mm的短焦透镜将探测光束聚焦到圆柱表面形成探测光点,光束经圆柱表面反射后由一显微物镜（焦距为5mm）接收,并由放置在五维光纤微调架（其调节精度0.1μm）上的单模光纤接收反射光信号,为了减小杂散光的干扰,在显微物镜前加置了中心透射波长为632.8nm的窄带滤波片。

单模光纤接收的反射光信号,由光电倍增管将其转化为电信号,并由示波器进行采样记录。

图4.1实验装置图

当脉冲激光在圆柱表面激发Rayleigh波,激发的Rayleigh波沿圆柱表面传播到达探测点时,引起圆柱表面发生如图（a）所示的微小形变,假定表面形变的倾斜角为θ,此时的反射光束相对于原反射光束偏离2θ,这时将影响进入探测光纤内的光强度,这种光强变化信号通过光电倍增管将其转变为电信号,并由示波器进行记录。

接下来,将对其探测原理作简单的分析。

由激光器发出的激光束经过透镜聚焦到圆柱表面,经表面反射的探测光束再经显微物镜准直后的光束直径约为0.16mm,远大于单模光纤的直径（4μm）,出射光与光纤纤芯之间的位置如图（b）所示。

图4.2的光纤传感装置原理

假设界面形变的倾角为θ,则显微物镜准直后的光束偏移的距离为,出射光与光纤纤芯相对位置发生变化,从而导致耦合进光纤内的光强度变化。

假定经过显微物镜后出射的光束仍然服从高斯分布

（4-1）

式中:

I0是光束中心的光强,B为光束分布的1/e宽度,则在如图（b）所示的情况下,耦合进光纤的光通量可由下式进行估算

（4-2）

式中:

Ω为出射光束与光纤纤芯的重叠区域。

由于光纤纤芯半径r远小于出射光束半径R,因此光纤纤芯覆盖面积上的光强可以近似看成是均匀的。

在此近似条件下,将代入可得

（4-3）

式中:

s0为光纤纤芯的面积,a为θ=0时光纤纤芯中心到出射光束中心之间的初始距离。

由上式可知,Φ和θ的关系曲线呈高斯型,如图3.2所示,如恰当选取a值使出射光束没有偏转时耦合光通量为最大值的一半（即静态工作点在M点附近）,同时考虑到θ的变化非常小,因此传感器在M点附近工作时具有最佳的近似线性效果和最高的灵敏度。

基于上述考虑,可以对公式在θ=0点附近进行Taylor展开,并忽略非线性项的影响可得

（4-4）

由上式可知:

光通量Φ的变化线性地反映θ的变化,并与光电倍增管输出的电流变化呈线性关系,因此本研究采用的光纤传感装置可以近似地线性复现Rayleigh波在经过探测点时引起的表面形变。

图4.3耦合进光纤的光通量与偏转角θ之间的关系

5差分共焦光束微偏转探测器

5.1SAW探测原理

该探测器基于光束偏转敏感检测原理。

当SAW传播至探测点时，引起表面微粒振动，从而导致反射探测光束偏转，如图5.1所示。

该偏转使得差分器输出信号随之变化，从而反映出探测点的SAW信息。

图5.1SAW探测原理

实验中，探测光束呈高斯分布。

当探测点无SAW通过时，如图（a）所示，两差分光电探测器的输入相同，差分电信号为