激光超声检测共焦球面法布里-珀罗干涉仪

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2005.03.021 第27卷第3期 北京科技大学学报 Vol.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 激光超声检测共焦球面法布里-珀罗干涉仪 丁红胜”童莉葛)白世武》 1)北京科技大学应用科学学院物理系，北京1000832)北京科技大学机械工程学院，北京100083 3)中国石油天然气管道科学研究院 摘要从理论上对共焦球面法布里一珀罗干涉仪的自由光谱范围、透射谱线半宽度、精细 度、光谱分辨率等光学参数进行了分析，并根据激光超声检测的特点和要求，设计制作了一 台实验室用的共焦球面法布里一珀罗干涉仪，利用单片机对该干涉仪的腔长和工作点进行控 制，成功实现了激光超声的非接触测量。 关键词共焦球面法布里-珀罗干涉仪，光学参数，微光超声检测 分类号TB551:0434.12:0421.5 激光超声检测具有非接触、高灵敏度的特 共焦球面法布里一珀罗干涉仪，并对其光学性 点，是一种很具有应用前景的无损检测手段.这 能、调焦方法进行了分析和讨论. 种检测方法中常用的干涉仪有自差干涉仪网、外 差干涉仪和共焦球面法布里一珀罗干涉仪，其 1干涉仪的主要光学参数 中共焦球面法布里-珀罗干涉仪(CFP)接收超声 共焦球面法布里一珀罗干涉仪是一种多光 的方法属于速度干涉法，速度干涉法是基于振动 束干涉仪，属无源共焦球面腔，它由曲率半径相 表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率 同（均为r),并以间距d=r相对放置的两块球面 受到超声波信号的调制，再由共焦球面法布里一 镜组成，如图1所示.其中一球面镜的曲率半径 珀罗干涉仪解调，将频率调制变为光强调制，从 中心位于另一球面镜的中心处，两镜心的联线与 而检测超声振动信号，这种速度干涉仪对振动样 几何轴共轴，两镜的凹面镀有高反射系数的金属 品表面速度灵敏，而对周围环境振动（一般只在 薄膜.当光线由紧靠光轴的光源入射到法布里一 低频范围)不灵敏.此外，共焦球面法布里-珀罗 珀罗干涉仪时，在大约靠近干涉仪的中心截面上 干涉仪是一种多光束干涉仪，可同时接收多个散 产生多光束干涉.设入射光振幅为A。,”为腔长， 射光斑，能够探测粗糙样品表面的微光超声信 p为反射镜的振幅反射率，R为光强反射率，入射 号，因此可应用于工业生产中. 光线分别与两镜交于P:和P点，这两点到轴的距 文献[5]对共焦球面法布里-珀罗干涉仪进行 离分别为a,a.如果入射光线与轴之间的夹角极 了比较详尽的论述，其中解决了有关干涉仪的一 小，且为傍轴光线(a≈a=a《r)时，则进入干涉仪 些理论问题，包括局部干涉条纹、光谱分析、仪器 内的光束与经过4次反射后又重新回到该点的 有限孔径、聚光能力和模式匹配条件以及干涉仪 光束之间的光程差为： 在实验中的应用和设计原理等，文献[6]从原理 上分析了制造性能优良的法布里-珀罗腔应考虑 &=4reg+g (1) 的各种因素，结合两种制腔的先进方法，即腔外 其中，为实际腔长与共焦腔长的差值.若干涉仪 匹配和腔内加光阑法，解决了制作过程中所遇到 严格共焦，且不存在像差(e=0,a=0),则6=4r. 的技术问题，制成的腔具有较高的性能，但所描 图2给出了干涉仪的多光束干涉示意图.对 述的干涉腔主要是用于通信系统.本文根据激光 光束1，在光束进入干涉仪腔之后，光束的振幅为 超声检测的特点，设计制作了一台实验室使用的 √1一pA,光束从镜2透射后的振幅为(1一p)A,依 收稿日期：200401-08修回日期：200404-26 此类推，各次透射振幅分别为(1-p)A,p(1-p)A, 作者筒介：丁红胜(1960-一，男，副教授，博士 p(1一p)A,…,相继透射光的光程差相等，即

第 2 , 卷 第 3 期 2 0 0 5 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e sr iyt o f s c ie n c e a n d 及 c b n o le gy B e ij i n g M, l 一 2 7 N o 一 3 J u n . 2 0 5 激光超声检测共焦球面法布里任白罗干涉仪 丁 红胜 ` , 童莉葛 2, 白世武 ” l )北 京 科技大 学应用 科学学 院物理 系 , 北京 10 0 0 83 2 )北京科 技大学 机械工 程学 院 , 北京 10 0 0 83 3) 中 国石 油天然 气管道 科学研 究院 摘 要 从理 论 上对 共焦 球面法 布里一 拍罗干 涉仪 的 自由光 谱范 围 、 透射谱 线半 宽度 、 精 细 度 、 光谱 分辨率等 光学 参数进 行 了分析 , 并根据激 光超 声检测 的特 点和要 求 , 设计 制作 了一 台实验室 用的共焦 球面法 布里一 拍罗干涉 仪 . 利 用单片 机对 该干涉仪 的腔长 和工作 点进行 控 制 , 成 功实 现 了激 光超 声的非 接触测 量 . 关键 词 共焦球 面法布 里一 拍 罗干涉 仪 , 光学 参数 , 激 光超 声检测 分类 号 m 5 5 1 ; 0 4 3 4 . 12 ; 0 4 2 1 . 5 激 光 超 声检 测 具 有 非接 触 、 高 灵敏 度 的特 点 , 是一种 很具有 应用前 景的无 损检 测手段川 . 这 种检 测方 法 中常用 的干 涉 仪有 自差 干涉 仪 `2] 、 外 差干涉 仪`3] 和共 焦球面 法布里 一 拍 罗干涉仪 4[] , 其 中共 焦球 面法 布里 一 拍罗 干涉 仪 ( C F PI ) 接 收超 声 的方 法属于速 度干 涉法 . 速度 干涉 法是基 于振 动 表面 反射光 和散射 光 的多普勒 频移 , 使光 的频率 受到 超声波信 号 的调制 , 再 由共焦 球面法 布里 一 拍罗 干涉仪解 调 , 将频 率调制变 为光 强调制 , , , 从 而检测 超声 振动信 号 , 这种速 度干 涉仪对 振动样 品表 面速 度灵 敏 , 而对 周 围环境 振 动 (一 般 只在 · 低 频 范 围) 不灵 敏 . 此 外 , 共焦 球面 法布 里 一 拍 罗 干涉 仪是一 种多 光束干涉 仪 , 可 同时接收 多个 散 射光 斑 , 能够探 测 粗 糙样 品表面 的激 光超 声信 号 , 因此 可应 用 于工 业 生产 中 . 文献 15] 对共 焦球面 法布 里一 拍罗干涉 仪进行 了 比较 详尽 的论述 , 其 中解决 了有 关干涉 仪 的一 些理 论 问题 , 包括 局部干 涉条纹 、 光谱 分析 、 仪器 有限孔 径 、 聚光 能力和模 式 匹配条件 以及 干涉仪 在实验 中的应用 和 设计 原理 等 . 文 献 【6] 从 原理 上分析 了制造 性 能优 良的法布 里一 拍罗腔 应考虑 的各 种 因素 , 结合 两种 制腔 的先 进 方法 , 即腔外 匹 配和 腔 内加 光 阑法 , 解 决 了制作过 程 中所遇 到 的技 术 问题 , 制成 的腔 具有 较 高的 性能 , 但 所描 述 的干涉 腔主 要是用 于通信 系统 . 本 文根据 激光 超 声检测 的特 点 , 设计制 作 了一 台实验室 使用 的 收稿 日期 : 20 4 刃 l 刁8 修 回 日期 : 20 0 4 -() 今26 作 者简介 : r 红 胜 ( 19 60 一 一 ) , 男 , 副教 授 , 博士 共焦 球面 法 布 里 一 拍 罗干 涉仪 , 并对 其 光 学性 能 、 调焦 方法进 行 了分 析和 讨论 . 1 干 涉 仪 的主要 光 学参 数 共 焦球 面 法 布里 一 拍 罗 干涉 仪 是 一 种 多光 束干涉 仪 , 属 无源 共焦 球面 腔 , 它 由曲率 半径相 同 ( 均 为 ; ) , 并 以间距 d = ; 相 对放 置 的两 块 球面 镜 组成 , 如 图 l 所 示 . 其 中一 球面 镜 的曲率 半径 中心位 于另 一球面镜 的 中心处 , 两镜 心 的联线与 几何轴共 轴 , 两镜 的凹 面镀 有 高反射 系数 的金属 薄膜 . 当光线 由紧靠光 轴 的光源 入射 到法 布里- 拍罗干涉 仪 时 , 在大 约靠 近干涉 仪 的中心截 面上 产 生 多光束 干涉 . 设入射 光振 幅 为A 。 , r 为腔长 , P 为 反射镜 的振 幅 反射 率 , R 为光 强反 射率 , 入射 光线分 别与 两镜 交于尸t和八 点 , 这两 点 到轴 的距 离分别 为al , a 2 . 如果 入射光 线与轴 之 间 的夹角极 小 , 且 为傍 轴光 线a( , 二 a Z 二 a 《 )r 时 , 则进入 干涉仪 内的 光束 与经 过 4 次 反射 后 又重 新 回到 该 点 的 光 束之 间 的光程 差 为 `5 , : 。一 4 ( , 。 ) 十爷粤 ( 1) 其 中 , : 为 实际腔 长与 共焦腔 长 的差值 . 若 干涉 仪 严 格共 焦 , 且 不存在 像 差e( 二 0 , a 二 0) , 则 咨= 4r . 图 2 给 出 了干涉 仪 的多光 束干 涉示 意 图 . 对 光束 1 , 在光 束进入 干涉仪腔 之后 , 光束 的振 幅为 万于月 。 , 光 束从镜 2 透 射后 的振幅 为( 1一声)A 。 , 依 此类 推 , 各 次透射 振幅 分别 为( l 一 声)A 。 ,声( 1一声)A 0, 川( 1一声)A 。 , … , 相 继 透 射 光 的 光 程 差 相 等 , 即 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 03. 021

Vol.27 No.3 丁红胜等：激光超声检测共焦球面法布里一珀罗干涉仪 ·339 镜2P 光束2 rte 图1CFPI光路示意图 图2CFPI多光束干涉示意图 Fig.1 General ray path in a Confocal Fabry-Perot Interferometer(CFPI)Fig.2 Sehematic diagram of multi-ray interference in CFPI 6=4,其位相差为中=6=实若第1束透射光 干涉仪透射谱线光强分布示意图 的初相位为零，则依次各束透射光的位相分别为 Iv-(+RY 11sin2 4R2 0中，2冲3妙，，用复数表示它们的振幅分别为： 2 (1-p）Aoem,p(1-p)oe-,p'(1-p)Aoew-,…. A 1 4R2 迭加后的振幅为： （1+R1+1-P呼sia2 2 A,=(1-p2)Ae[1+pe*+…+p"ew+…]= (1+R (1-p)Ae"I-p'e 1 (2) 即 合成光强为： 1tūin% 4R2 a7,因此n受=±' 2 2R→ 4=44=1-pc1-e1-c a-2c与共焦法布里-珀罗千涉仪 A 0pta号m号 4p4 (3) 的反射率一般都较高，即景《1，所以 又因为p2=R,则 山只，则4的20即为相对于光谱蜂强度下 R A后 (4) 降为最大值的一半时两点的位相差.又由于△φ= +RrRm号1 4R2 4R2 2红4-2红4r-8w-)=8T△y,因此可知， 2 同理，对于光束2有2=R1.当球面镜反射率 A.-c1-R9 很高（接近于1）时，光束1和光束2的干涉强度相 4πRr (6) 同.在此基础上，对共焦球面法里-珀罗干涉仪的 由式(6)可以看出，频谱半宽度△v与腔长成反 比，而且反射率越高，△v也越小，因此在确定频 几个主要光学参数进行讨论. 谱半宽度△之后，要根据实际情况来合理优化 (1)自由光谱范围（自由谱区）.由式(4)可知， 干涉仪的腔长r与球面镜的反射率R. 当中=2mπ时，光束1（或光束2）的光线形成相长干 涉，光强最大，在腔的中心平面形成亮环，即 8=2mm,所以对两种不同波长A,的光，在光 程差一定的情况下，分别形成第m级和第m+1级 Iu/2 于涉极大峰，即 8U=2m 入 (8v,=2.m c 8r=2(m+1)ch=2π(m+1) 频率Hz 2 图3CFPI透射光谱示意图 所以4-w)8-2元，即 Fig.3 Distribution of CFPI transmitted spectra △w=h-M=4 (5) (3)光谱分辨率火与精细度， 其中，△为共焦法布里-珀罗干涉仪的自由光谱 光谱分辨率： 范围，可以看出△只与腔长r成反比 界=成是 (7) (2)透射谱线半宽度△v(最小可分辨率).透 其中，△是干涉仪恰好能够分开的两个干涉圆 射谱线半宽度是指透射光谱响应下降为其最大 环所对应的波长差.△越小，R越小，就是仪器 值响应一半时所对应的两频率之差，图3给出了 的分辨本领越大，仪器的精细度（谱线锐度）：

V b l . 2 7 N 0 . 3 丁 红胜 等 : 激 光超声 检测 共焦球 面法 布里一 拍 罗干涉 仪 一 33 9 - 万黔丈= 乒{ 飞 光束 : `匀 * -一 - 习 光束 2 图 1 C F p l光路示 惫图 F ig . 1 Ge n e ar l ar y p a th i n a C o n of e a lF a b叮 一 P e or t I n t e erf or m e t e r C( FP )I 图 2 c F p l多光 束千 涉示意 图 F gi . 2 S e h em a血 d i a g r am o fm u lU 一 ar y ni et erf 比 n e e 恤 C F P I 。 一 4r , 其 位相 差 为 , 一 爷 一 粤 . 若 第 1束透射 光 的初相 位 为零 , 则 依次 各束透 射光 的位 相分别 为 0沪 , 妙 3价 , … , 用 复数表 示 它们 的振 幅 分别 为 : ( l 一 p , )A 。 e姗 , 户` ( l 一户, )A 。 e `伽 , , , 户, ( l 一户, )A 。 e `伽 一侧 , · … 迭 加 后 的振 幅为 : A : = ( l 一户, )A 。 e “ 【l +’P e 一 妙+ … 切貂e 一 附+ … 卜 干涉 仪 透射 谱 线光 强 分布 示意 图 . 爪 = 石谈牙正巫二蔽应 , 一 ( 1一 R , 若 一 ` 2 A孟 ( l十尺) 2 五 二 _ 偏 土二 一一一三丝卫过兰二止全 Z A孟 ( ,二 2从 。 e ` 吮丧二 l 一 P ` ( l+R ) 2 ( 2 ) 合 成光 强 为 : 石= A l · A; = r l 一 。 2 )认: e 、 ~ 再二 . e 一 i ` 卫~ 几 P 勺 工 P 妇 即 - 一 -丽王万 月 一 一 ~ 反- 1+ 一 2 毕一 二 : 10 2里卫色 一 ( l 一 R 名 ) ` 一 “ ` 2 沪 ,二 = Z ar e s 呼 S` n Z 夸 i n卜子! 一 告 , 因此 isn 粤 二 士子 冷 , 共 焦 法 布 里一 拍 罗 干 涉 仪 A吞 ` , 一 2、 2去止丝一 。 ; _ 2 、 l ’ .I , ’ 了1 _ 。 2、 2 0 1 1皿 业, 、 i P 尹 ` ( 3 ) 又 因为川= R , 则 A斋 A孟 l L ~ 一一一一一号器一一一 二 不 . 竿标 万 一- - 一; ; 二厂 , 一- - 下 尸〔4 ) 4 R 2 _ : _ 2 砂 ( 1 +R ) 2 , . 4 R 2 _ : _ 2 必 、 “ 产 ( l + R丫十几二决币 s i n Z书于 、 ` “ , l 七二二告石 5 、 ` ` 、 , ’ 1厅4 于 ( l 一 R ) 乙 ` 一 2 ` ’ ( l 一 R z ) z 一 “ ` 2 同理 , 对 于光 束 2 有人二 R认 . 当球 面镜 反射 率 很高 (接 近 于 l) 时 , 光束 1和 光 束 2 的干涉 强度 相 同 . 在 此基础 上 , 对共 焦球 面法里一 拍罗干涉 仪 的 几 个 主要 光 学参 数进 行 讨论 . ( l) 自由光 谱范 围 ( 自由谱 区) . 由式 ( 4 ) 可 知 , 当价二 Zm 兀 时 , 光束 1( 或光 束 2) 的光 线 形成相 长 干 涉 , 光 强最 大 , 在 腔 的中心 平 面 形成 亮 环 , 即 粤 一 Zm7t , 所 以对 两种 不 同波 长几 , 、 2 的光 , 在 光 又 “ ” ” “ , ’ / ’ , z , J 『 , ” ” ’ 一 ’ , 一 卜 川 ’ 石 目 碑 / “ ’ 协 / 。 程 差一 定 的情 况下 , 分别形 成 第 m 级和 第 m +l 级 干涉 极 大 峰 , 即 的反 射 率 一 般 都 较 高 , 即丫l< , 所 以如 二 丫 , 则 、 一 监旦即为 相对 于光 谱 峰强度 下 降为最 大值 的一 半 时两 点的位 相差 . 又 由于 却 二 知 一 箫 一 弩 vl 一 v)z 一 娜 、 , 因此 可’ 口 , vmA 代淤, (6) 由式 ( 6) 可 以看 出 , 频谱 半 宽度△vm 与腔 长 成反 比 , 而且 反射 率越 高 , △vm 也越 小 , 因此 在 确 定频 谱 半 宽度 △vm 之 后 , 要 根据 实 际情 况来 合 理优 化 干涉 仪 的腔 长; 与球 面镜 的反射 率 R . 动几 侧票衡罕 「8下 , _ { 8 7tr l e下 一一 一 ` 兀刀 1 1 — V l I 人 一 , c 1 。 冷 1 。 _ ! 6 7t r , 1 . , 、 1 6兀 r ! - 不 一一 = 乙兀 t m 十 1 ) ! — h t 人2 一 t c 2兀洲陀 = 2 7t (m + l ) 所 以( 、 一粤 2 7r , 即 Avr 一 v Z一 v l 一 命 (5 ) 其 中 , △铸为共 焦 法布 里一拍 罗 干涉 仪 的 自由光 谱 范 围 , 可 以看 出△v f只 与腔 长 r 成 反 比 . (2 ) 透 射谱线 半 宽度△vm ( 最 小可 分辨 率 ) . 透 射 谱 线 半 宽度 是 指透 射 光 谱 响应 下 降 为其 最 大 值 响应 一 半时 所对 应 的两 频率之 差 , 图 3 给 出了 频率 户倪 z 图 3 C F PI 透 射光 谱示意 图 F ig . 3 D is 州b u 肠叨 Of C F P I t ar n , m it e d s P e e t ar (3 )光谱 分 辨率伙与精细 度 . 光谱 分辨 率 : ~ v 又 2、 三 万一一 - = - r 下一 凸 vm o 试 口 ( 7) 其 中 , 以 m 是干 涉 仪 恰 好 能够 分 开 的两 个干 涉 圆 环所 对 应 的波长 差 . 以 m越 小 , 伙越 小 , 就 是仪 器 的分 辨 本领越 大 . 仪器 的精 细度 (谱 线锐 度 ) :

·340· 北京科技大学学报 2005年第3期 FsA业 (8) -293.8mm,镜片采用K9玻璃制作，考虑通光量 △ym 将式(5)和式(6)代入式(8)可得， 以及加工条件，选择镜片直径为70mm,镜片凹 面镀铝，背面镀增透膜，透光波长为632.8nm,图 Ar F=- (9) 4给出了共焦球面法布里-珀罗干涉仪的设计构 4nrR 造图.根据以上理论分析可知此干涉仪的光学参 即随着球面镜反射率R的增加，精细度F会变大， 数如下， 综合式(7)，式(8)和式(9)，即可得 频谱半宽度：△.=-R≈6.64MH. 米-F 4元R (10) 自由光谱区：△M=≈255.3MHz. C 2干涉仪的设计制作 精细度： F=A≈384. △vm 光谱分辨率：X=艺F=7.24x10(采用HeNe 干涉仪的频谱宽度△Vm是影响干涉仪性能的 激光器作光源) 重要参数之一，△Vm选值是否恰当，直接影响干涉 共焦法布里-珀罗干涉仪对环境温度的变化 仪的输出响应度.一般△v越小，它对频率变化响 很敏感，而且用于激光超声检测时，对共焦工作 应的灵敏度越高：但如果频率变化幅度较大，而 点（透射峰的半峰值点）要求较高，否则解调灵敏 △y却很小，则会使输出信号失真.因此，当△v与 度很低，因此设计干涉仪，其腔长是可调的（包括 光频变化的幅度相当时，干涉仪的性能最佳.在 粗调和微调).这种设计一方面保证了系统有一 设计法布里-珀罗干涉仪时，使频谱宽度△v近似 定的调节范围，另一方面能够微调以保证干涉仪 等于超声信号频率￡.脉冲激光在钢材中激发的 能够严格共焦.在结构上，采用内外套筒结构，内 超声频率在1-20MHz之间，其中在5~10MHz间 筒选用热膨胀比较高的材料，外壳采用热膨胀系 的超声波强度最大，一般将这一区间的超声频率 作为探测目标.由式△=可知，影响△y 数小的材料.一旦干涉仪调整到共焦状态，系统 4πR 就不会因温度发生变化而有明显的影响， 的因素有反射率R和腔长r.一般光通讯所用的干 如图4所示，前后两个球面镜安装在两个套 涉仪，要求很高的反射率，R可达99.9%，带宽很 筒中，并且都可以沿轴向作一定量的调整.后镜 窄，精细度F很大；而在激光超声检测中所使用 座能用调节环手动调整（粗调），其调节量较大， 的干涉仪，不要求太高的精细度.因此反射率R 最大行程为20mm,可实现共焦点前后土10mm范 可以稍小.但是如果R太小，光线在腔内来回反 围内调节，通过手动调节后镜座的位置，可以观 射，损耗会较大，也影响干涉仪的质量，由于频谱 察研究共焦前后不同情况时干涉图样的变化.为 宽度△vm要等于S~10MHz,这个值对共焦球面法 了实现同轴度的调整，在外壳与中套简之间安装 布里-珀罗干涉仪而言是极窄的，因此R和r的取 了6个傲调螺钉.前镜座的调整量较小，靠一个 值都必须较大， 压电陶瓷控制，随着加载在压电陶瓷上的电压值 另外，由前面的分析可知，△v一定时，增加 的不同，压电陶瓷相应伸长或缩短，从而带动镜 其中一项的值应相对减小另一项的值.从加工角 座轴向移动，这种设计是为了在激光超声检测中 度而言，增大镜面反射率R相对比较容易，但是 可以通过单片机对腔长进行自动控制和调节，从 如果要加大腔长r,则在干涉仪的加工制造时会 而达到稳定工作点的目的.本仪器采用锆钛酸铅 增加一定的难度，而且容易使干涉仪的精度下 陶瓷(PZT)作为微位移器，其形状为圆简形，70 降，所以设计时考虑取相对较大的反射率R和相 mm,壁厚1.5mm,长度40mm,圆筒内外两表面镀 对较小的腔长”.此外，腔长？是影响自由光谱区 YWSWWWWTWWWWNWWWWWTWWwA本 的唯一因素.△=，如果r取值很小，△y会很 球面镜 球面镜 调 大，这对激光超声检测时控制干涉仪的工作点极 为不利.因为△越大，需要的控制电压越大，从 控制工作点的角度考虑，希望每个透射峰之间的 频率间隔越小越好，因此”又不能太小，综合考 ￥22洗 图4共焦球面法布里-珀罗干涉仪构造图 患，确定球镜面的反射率R-96%,干涉仪腔长 Fig.4 Design structure of CFPI

一 3 0 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 弓 年 第 期 3 0 0 2 。 △铸 _ 厂 三 一 一 一 ; - △ v m ) 8 ( 将 式 ( 5 和 式 代 入式 可得 6 ) ) ) 8 ( ( , C 4 r c ( 1一 R , ) 4兀 r尺 做 l 一 R Z (9 ) 即随着 球面镜 反射 率 R 的增加 , 精 细度 F 会 变 大 , 综合 式 (7 ) , 式 ( 8 )和 式 ( 9 ) , 即可得 =r 2 9 3 . 8 m m , 镜 片采 用 K g 玻 璃制 作 , 考 虑 通光 量 以及 加工 条件 , 选择 镜片 直径 为中70 r n r n , 镜 片凹 面镀 铝 , 背 面镀 增透 膜 , 透光 波长 为 6犯 . S lun , 图 4 给 出 了共 焦球 面法 布里一 拍 罗干涉 仪 的设计 构 造 图 . 根据 以上理论 分析可 知此干 涉仪 的光 学参 数 如下 . . 4 rF 八 = 一下一 一 式 ( 10 ) 2 干 涉 仪 的设 计 制作 干涉 仪 的频谱 宽度 △vm 是 影响干 涉 仪性 能 的 重要 参数 之一 , △vm 选值 是否恰 当 , 直接 影 响干涉 仪 的输 出响应度 一般△v 。 越 小 , 它对 频率变 化响 应 的灵 敏度越 高 ; 但如 果频 率变 化 幅度较 大 , 而 △vm 却很 小 , 则会 使输 出信 号失真 . 因此 , 当△vm 与 光频 变化 的幅度 相 当时 , 干涉 仪 的性 能最 佳 . 在 设计 法布 里一 拍罗干 涉仪 时 , 使频谱 宽度 △vm 近似 等 于超 声信 号频 率人 . 脉冲 激光 在钢 材 中激 发 的 超 声频 率在 l 一2 0 M H z 之 间 , 其 中在 5一 10 M H z 间 的超 声波 强度最 大 , 一般 将这 一区 间的超 声频率 , 。 _ 、 , , ~ 、 。 . ~ : _ , 、 二 c 〔1 一 R Z ) _ , 。 , , 作 为探 测 目标 . 由式△vm ` 策 二爷三 可 知 , ’ r / 节 影响△vm 们 、 协 , 曰 ” ,J ” 田 少、 ~ r m 4兀犷尺 尸 J 乃 H ’ 剐 ” , ~ , m 的因素有 反射率 R和 腔长: 一般 光通讯 所用 的干 涉 仪 , 要求 很 高的 反射 率 , R 可达 9.9 9% , 带 宽很 窄 , 精 细度 F 很大 ; 而 在激 光超 声检 测 中所使 用 的千 涉 仪 , 不要 求太 高 的精细 度 . 因此 反射率 R 可 以稍 小 . 但 是如果 R 太小 , 光 线在 腔 内来 回反 射 , 损耗会 较大 , 也 影响干涉 仪 的质量 . 由于 频谱 宽度 △瑞 要等 于 5一 10 M H z , 这个 值对 共焦 球面 法 布里 一 拍 罗干涉 仪 而 言 是极 窄 的 , 因 此 R 和 r 的取 值都 必 须较 大 . 另外 , 由前 面 的分析 可知 , △v m 一 定时 , 增 加 其 中一 项 的值应 相对减 小另 一项 的值 . 从加 工角 度而 言 , 增 大镜 面反射 率 R 相 对 比较 容易 , 但 是 如果 要加 大腔 长 r , 则在 干涉 仪 的加 工 制 造 时会 增加 一 定 的难 度 , 而且 容 易使 干涉 仪 的精度 下 降 , 所 以设计 时考 虑 取相 对较 大 的反射 率 R 和 相 对较 小 的腔长 : . 此外 , 腔 长 : 是 影响 自由光谱 区 的唯 一 因素 . △。 一 命 , 如 果 ; 取 值很 小 , △v f会 很 大 , 这 对激 光超 声检测 时控 制干涉 仪 的工 作 点极 为不 利 . 因 为A 铸越 大 , 需要 的控 制 电压越 大 , 从 控制 工作 点的角度 考虑 , 希 望每个 透射 峰之 间的 频率 间 隔越 小越 好 , 因 此 r 又 不能太 小 , 综合 考 虑 , 确 定球镜 面 的 反射 率 R= % % , 干 涉 仪腔 长 频 谱 半宽度 : 自由 光谱 区 : 精 细度 : vmA 兴斋兰二 6 · 64 MzH △、 一 命 侧 “ , ’ · 3 M Hz · F = 光 谱分辨 率 : 伙 = 激 光器作 光 源 ) 瓮 二 3 8 . 4 . 爷 一 7 . 2 4 · 10 , (采 用 H 。 。 e 共 焦法 布里一 拍罗干 涉仪 对环 境温度 的变 化 很 敏感 , 而 且用 于激 光超 声 检测 时 , 对共 焦 工 作 点 (透 射 峰 的半峰 值点 ) 要求 较 高 , 否 则解 调 灵敏 度很 低 . 因此 设计干 涉仪 , 其 腔长 是可 调 的(包 括 粗 调和微 调 ) . 这 种设 计一 方面 保证 了系 统 有一 定 的调节 范 围 , 另一 方面 能够微调 以保 证干涉 仪 能够严 格共 焦 . 在结构 上 , 采 用 内外套筒 结构 , 内 筒选 用热 膨胀 比较 高 的材料 , 外 壳采用 热膨胀 系 数 小 的材 料 . 一 旦 干 涉仪 调 整到共 焦状 态 , 系统 就 不会 因温度 发 生变化 而 有 明显 的影 响 . 如 图 4 所 示 , 前后 两个球 面 镜 安装在 两 个套 筒 中 , 并且 都可 以沿 轴 向作 一定 量 的调整 . 后镜 座 能用调 节环 手 动调整 ( 粗 调 ) , 其 调 节量 较大 , 最大 行程 为 20 r n r n , 可实 现共 焦 点前后士 10 m m 范 围内调节 , 通过 手动 调节 后镜 座 的位 置 , 可 以观 察研 究共焦 前后 不 同情 况 时干 涉 图样 的变 化 . 为 了实现 同轴 度 的调 整 , 在外 壳与 中套筒 之 间安装 了 6 个 微调 螺钉 . 前 镜 座的 调整 量较 小 , 靠一 个 压 电陶瓷控 制 , 随着加 载在 压 电陶瓷上 的 电压 值 的不 同 , 压 电陶 瓷相 应伸 长 或缩短 , 从而 带动 镜 座轴 向移动 , 这 种设计 是 为了在激 光超 声检测 中 可 以通 过单 片机对 腔长 进行 自动控 制和调 节 , 从 而达 到稳 定工作 点的 目的 . 本仪器 采用错 钦酸铅 陶 瓷 ( P Z )T 作为 微位 移器 , 其 形状 为 圆筒 形 , 中70 m m , 壁 厚 1 . s m m , 长度 4 O m m , 圆筒 内外 两表面镀 洲 球面镜 球面镜 .另 ` 、 、 、 、 、 八、 、 、 份叹盆 义产辛裸 { } 月知网肖井城解洋 伙营 蓄… { …藻} 肠卜断仁翔杜粉 口 廿 J , 妇 J 矛 , 。 ; 砂 J 孟. , J J 图 4 共焦球面 法布 里一 拍 罗干 涉仪 构造 图 F ig . 4 D e s ig n s t r u e t u代 o f C F P I

VoL27 No.3 丁红胜等：激光超声检测共焦球面法布里-珀罗干涉仪 *341· 银，作为导电极.加载一个直流电压后，圆简就能 置和远离共焦位置的干涉环图形，在激光超声检 沿轴向伸长 测时，首先将干涉仪粗调在近共焦位置，然后利 用单片机将干涉控制在共焦状态， 3干涉仪的共焦调节 HeNe激光器出射的光线经准直后进入干 4结论 涉仪，在干涉仪后方的观测屏上可以观察到明暗 成功制备了一台用于激光超声检测用的共 相间的干涉环，激光器输出稳定之后，屏上的干 焦球面法布里-珀罗干涉仪，该千涉仪的频谱半 涉环长时间不会出现明显的变化，但是当旋转调 宽度为6.64MHz,自由光谱范围为255.3MHz,精 整环改变腔长时，干涉环会发生显著变化.从腔 细度为38.4，光谱分辨率为7.24×10.通过单片机 长最短开始，转动调节环，使腔长逐渐增加，直到 可将干涉仪控制在其共焦位置并实现对工作点 最大，干涉环的间距有较明显的改变，其规律是： 的控制，利用该干涉仪成功实现了激光超声的非 在小于共焦点时，干涉环间距小，数量多：随着腔 接触测量. 长的逐渐增大，干涉环的间距越来越大，在视场 参考文献 内的干涉环数目也越来越少；当腔长调节到某一 长度时，在整个视场只剩下一个干涉环，即中心 [1]Scruby C B.Some application of laser ultrasound.UItrasonies, 1989,27(7:195 亮斑，继续增大腔长，干涉环间距会逐步缩小，干 [2]Royer D.Dieuleait E.Optical probing of the mechanical impulse 涉环的数量将逐渐增多.图5给出了在近共焦位 response of a transducer.Appl Phys Lett,1986,49(17):1056 [3]Monchalin J P.Heterodyne interferometric laser probe to mea- sure continuous ultrasonic displacement.Rev Sel,1985,56(4): 543 [4]Cand A,Monchalin J P.Dtection of in-plane and out-of-plane ultrasonic displacements by a two-channel confocal fabry-perot interferometer.Appl Phys Lett,1994,64(4):414 [5]Hercher M.The spherical mirror fabry-perot interferometer Appl0pt,1968,17(5):951 [)]韩乃骞，吴德明，谢麟振.高性能法布里-珀罗腔的研究 光学学报，1997,17(12：1735 图5近共焦位置()和远离共焦位量b)的千涉环图形 [刀丁红胜，童莉葛，尹红，等.共焦球面法布里-珀罗干涉仪 Fig.5 Interference fringe of CFFPI:(a)near the confocal distance; 灵敏度和稳定性研究.北京科技大学学报，2001,23(5)：445 (b)far from the confocal distance Design and fabrication of confocal fabry-perot interferometers used in laser-ultra- sonic detection DING Hongsheng",TONG Lige,BAI Shiwu 1)Department of Physics,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Pipeline Research Institute of China National Petroleum Corporation,China ABSTRACT The main optical parameters of Confocal Fabry-Perot Interferometers(CFPD),including free spectral range,minimum resolvable frequency difference (instrumental bandpass),finesse,spectral resolving power,were discussed.According to the requirement and feature of laser-ultrasonic detection,a CFPI used in laboratory was de- signed and fabricated.The CFPI's cavity length and operation point were controlled by a micro-single computer. Laser-ultrasonic non-contact detection is carried out successfully with the CFBI. KEY WORDS confocal Fabry-Perot interferometer;optical parameter;laser ultrasonic detection

L N b V 2 7 o 丁红胜 等 3 : 激光 超声检 测 共焦球 面 法布 里一拍 罗干 涉仪 一 3 1 4 银 , 作为导 电极 . 加 载一 个直 流 电压后 , 圆筒就 能 沿轴 向伸 长 . 3 干 涉 仪 的共 焦 调 节 H e拭N e 激 光 器 出射 的光 线经 准 直 后 进 入 干 涉 仪 , 在干 涉仪 后 方的观 测 屏上 可 以观察 到 明暗 相 间 的干涉 环 , 激 光器 输 出稳 定 之后 , 屏上 的干 涉环 长 时间 不会 出现 明显 的变 化 , 但 是 当旋 转 调 整环 改 变腔 长 时 , 干 涉 环会 发 生显 著 变化 . 从腔 长最 短开始 , 转动 调节 环 , 使腔 长逐 渐增 加 , 直到 最 大 , 干 涉环 的间距 有 较 明显 的改变 , 其规 律 是 : 在 小于 共焦 点 时 , 干 涉环 间距 小 , 数 量多 : 随着 腔 长 的逐 渐 增 大 , 干 涉环 的间距 越 来越 大 , 在 视 场 内的干涉环 数 目也越 来越 少 ; 当腔 长 调节 到某 一 长度 时 , 在整 个 视场 只 剩 下一 个 干涉环 , 即 中 心 亮斑 . 继 续增 大腔 长 , 干涉 环 间距会 逐 步缩 小 , 干 涉 环 的 数量 将逐 渐 增 多 . 图 5 给 出 了在近 共 焦位 置 和远 离共 焦位 置 的干涉 环 图形 . 在 激光 超 声检 测 时 , 首 先将 干 涉 仪粗 调 在近 共 焦位 置 , 然 后 利 用 单片 机将 千 涉 控制 在共 焦 状 态 . 圈 5 近 共焦位 , a( )和远 禺 共 焦位 工 (h) 的 十断坏 圈 游 Fi g . 5 I n et fer 代 n e e ifr n g . o f C F F P】: ( a ) n e a r tb e e o n fo ca l d i s at n e e ; ( b ) af r fr o m t卜e e o . fo e a l d is at . e . 4 结论 成 功 制 备 了一 台 用 于激 光超 声检 测 用 的共 焦 球面 法 布 里一拍 罗干 涉 仪 , 该 干 涉仪 的频谱 半 宽度 为 .6 64 M H z , 自由光 谱 范 围为 2 5 5 .3 M H z , 精 细度为 38 .4 , 光 谱分辨 率 为 .7 24 xl 。 , . 通 过单 片 机 可将 干 涉 仪 控 制 在其 共 焦 位 置 并 实现 对 工 作点 的控制 . 利 用 该干 涉仪 成 功实现 了激光 超 声的 非 接 触 测量 . 参 考 文 献 川 S e ur by C B . So m e aP P li c a d on o f las er u ltr as o un d , U lt ar s o n ic s , 19 8 9 , 2 7 ( 7 ) : 19 5 1 2 ] R oy er D , D i e ul e iat E . o p tl e al P r o b ign o f ht e m e c h an i c al 如P u l s e re s p o n s e o f a tr a n s du c .er A 一p l p h ” L e t, 19 8 6 , 4 9( 17 ) : 10 5 6 [ 3 ] M on e hal in J .P H e t e r od y n e i n t e 到免r o m e itr e Ias er Por 加 ot m -ea s uer c o n tin u ou s u l你as o in c d i s p l a e em ent . R e v s e 礼1 95 5 , 5 6(4 ) : 54 3 [ 4 ] C an d 人 M on ch a li n J 卜 众 e c it on o f in . P lan e an d o ut · o -fP l ane u l加 aS 0 n ic d i s P I毗m e n ts by a 幻刃 o 一 c h a n n e l e o 刘or e al 仙ry 一e or t i n t e ir 免r o m e t e L 却P I P ky s eL t , 1 994 , 64 (4 ) : 4 14 5[ 1 H cer he r M . hT e s户ier c al m 沂 o r af bry · eP ort in t e rfe or lne te .r A p P I O P t , 19 6 8 , 17 ( 5) : 9 5 1 6[ ] 韩 乃 容 , 吴 德明 , 谢麟振 . 高性 能法 布里 一 拍 罗腔 的研 究 . 光 学学报 , 19 9 7 , 17 ( 12 ) : 17 3 5 7[ ] 丁红胜 , 童 莉葛 , 尹 红 , 等 . 共 焦球 面法 布里一 拍 罗干涉 仪 灵敏 度和稳 定性研 究 . 北 京科技 大学学报 , 2 0 01 , 2 3( 5) : 4 5 D e s ign an d afb ir e at i o n o f e o n of e a l afb ry 一 P e or t i n t e r fe or m e t e rs u s e d i n l a s e 卜u l atr - s o n i c d e t e e t i o n D 脚G H d 月g , h e gn l), 厂O N G L ige Z气刀月了hS iw su) l ) D e P即由 m e Dt of P hy s ic s , U n iv 仍ity o f s e ien e e 叭d eT e hn o l o gy B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a 2 ) M e e h an i cal nE g川 e e irn g S e h o o l , U n ive sr iyt o f s e l e n c e 明d eT c hn o l o gy B e ij in g , B e ij i n g l 0 0 0 8 3 , C h in a 3 ) P IeP lin e R e s e acr h nI s t iut e o f C恤 a N a ti o nal P etr o l e um C o r P o art i o n , C h in a A B S T R A C T hT e m ian o Pt i c al P arm et e rs o f C o n of e al F ab ry 一 P e ort ntI e rfe r o 刃n et ers (C FP I ) , in e dlu in g fer e s P e c 位妞l anr g e , m in im u 们。 er s o l v a b l e fer q p e n e y d i月贻r e n e e (in s t ur l n e n at l b an d Pas s ) , 五n e s s e , s P e e atr l er s o vl in g P o w e r , w e r e d i s c us s e d . A e e o r d in g t o het er qu ier m e in an d fe at ur e o f las e -r u ltr as o in e d e t e e it o n , a C F P l us e d in lab or at o yr w as de - s ign e d an d afb ir e aet d . Th e C F P T s e va iyt l e n g ht an d o Pe r iat on Po int w e r e 。曲廿。 ll e d 勿 a m i e or . s i n g l e c o m Put .er L a s e -r u ltr as o n i e n o n , e o n t act d e t e ict on i s e 即r i e d o ut s讹c e s s fu l ly w it h ht e C F B I . K E Y WO R D s e o nfo e a l F a b yr 一 p er ot int er fe r om et er ; 叩 ti c a l P amr e et r : l a s e r u ltr as ion e d e et e ti o n