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