D0I:10.13374/j.issn1001053x.1998.06.019 第20卷第6期 北京科技大学学报 Vol.20 No.6 1998年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1998 共焦法布里~珀罗干涉仪的共轭分析 丁红胜谭中慧龚育良 北京科技大学应用科学学院.北京100083 摘要分析了共焦法布里，珀罗干涉仪的反射光和透射光的特点，提出了一种激光超声的干涉仪 共轭探测方法并给予实验验证.这种方法能将激光超声探测系统的探测灵敏度至少提高2倍， 关键词共焦法布里，珀罗干涉仪；激光超声；灵敏度 分类号043 激光超声检测技术是利用高功率密度的激光脉冲在材料内部产生超声波，并利用低功率 稳频激光器和光学干涉仪来接收超声波的.用光学干涉仪来接收超声波的方法一般有自差 法、外岁法和共焦法，前二者的共同特点是选用双光束干涉仪（如迈克耳逊干涉仪）作为解调 器件的.这种干涉仪对表面位移灵敏，并要求被测样品表面具有很高的光洁度，由于一般的被 测材料表面都是粗糙的，仅仅是这一点就限制了自差法和外差法的实际应用.共焦法的解 调器件是共焦球面法布里-珀罗(Fabry-Perot)千涉仪，这种干涉仪对固体表面的速度灵敏，对 物体的低频振动不灵敏，而且它是一种多光束干涉仪，可以同时接收多个散斑.也就是说，它 有很强的聚光能力，可以有效地收集粗糙表面的背散射光.因此，共焦法适合于工业现场探测 固体表面的超声振动以达到检测的目的， 本文根据共焦球面法布里·珀罗干涉仪的解调原理着重分析了这种干涉仪的输出特性， 提出一种提高系统探测灵敏度的共轭输出方法和装置并给予实验验证. 1共焦球面法布里-珀罗干涉仪的解调原理 共焦球面法布里-珀罗干涉仪（如图1），它是由相距为d、镜面反射率为R的2块球面镜 构成，单色光在干涉仪腔中来回反射形成图中的透射光(1,2)和反射光(3,4)， 图1中的人射光是来自样品表面的反射 光和散射光.为了说明干涉仪的特性，可将这 人射光 透射光 种反射光和散射光的光场描述为"： 2 E=E。exp[j(2yt-(2π/)Z+p】(I) 反射光 式中：为单位复数；Eo,元，p,分别为光场的 幅值、频率、波长和相位，Z是激光源到光电探 图1干涉仪光路图 测器之间的距离.如果样品表面存在超声位 移，一般可表示为： (t)=u cos(2ft+) (2) 1997-12-25收稿丁红胜男，28岁，硕士 ◆国家自然科学基金资助课题第2 0卷 第6 期 1 99 8年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f 欣i e n e e a n d T e c h n o l o g y B e iji n g V 0 1 . 20 N 0 . 6 】k C . 19 98 共焦法布里 任白罗干涉仪的共辘分析 丁 红胜 谭中慧 龚育 良 北京科技大学应用科学学院 . 北京 1 0 00 8 3 摘要 分 析了 共焦法布 里 一 拍罗干涉仪的反射光和透射光 的特 点 , 提 出了 一种激光超声的干涉仪 共扼探 测 方法并给予实验验证 . 这种方法能将激光超声探测系统的探测灵敏度 至少提 高 2 倍 . 关键 词 共焦法布 里 一 拍罗 干涉仪; 激光超声 ; 灵敏度 分 类号 0 4 3 激光 超 声检 测技 术 是利 用高功 率密度 的激光脉 冲在 材料 内部产生 超声 波 , 并 利 用低 功率 稳 频激 光 器 和 光 学 干 涉 仪来接 收超 声 波的 . 用光 学 干涉 仪来 接 收超 声 波 的方 法 一 般有 自差 法 、 外左 法 和 共 焦法 , 前 二 者 的共 同特点是 选用 双光 束 干涉 仪 (如迈 克 耳逊 干 涉仪) 作为解 调 器件 的 . 这种 干涉仪对表面 位移灵敏 , 并要求 被测样 品表 面具 有很高的光 洁度 , 由于 一般 的被 测 材 料表 面都 是 粗糙的 , 仅仅是 这一点 就 限制 了 自差法 和 外 差法 的实 际应用川 . 共 焦 法 的解 调 器件 是共 焦 球 面法布 里 一 拍 罗 (aF b yr 一 eP or O 干涉仪 , 这种 千涉 仪对固体表面 的速度灵敏 , 对 物 体的低 频 振 动不 灵 敏 , 而且 它 是一种多 光 束干 涉仪 , 可 以 同时接 收 多个散斑 . 也 就是 说 , 它 有 很强 的 聚光能力 , 可 以有 效地 收集粗糙 表面 的背散射光 . 因此 , 共焦 法适合于 工业 现场探 测 固体表面 的超 声 振动 以 达 到检测 的 目的 . 本文 根 据共焦 球面法 布里 一 拍罗 干涉仪 的解调 原理 着重 分析 了这 种 干涉仪 的输 出特性 , 提 出一种提 高系 统探测灵 敏度 的共扼输出方法和 装置 并给予实 验验证 . 1 共焦球面 法布里 任白罗干 涉仪的解调原理 共焦 球 面法 布 里 一 拍罗 干 涉仪 (如 图 1 ) , 它是 由相 距 为 d 、 镜 面反射 率为 R 的 2 块 球 面镜 构成 , 单 色光 在干 涉仪 腔 中来 回 反射 形成 图中的透射 光 ( l , 2) 和反 射光 ( 3 , 4) . 图 l 中 的人 射光 是 来 自样 品 表 面的 反射 光 和 散射 光 . 为 了说 明 干 涉仪 的特 性 , 可 将 这 种反 射光 和散 射光 的光 场 描述 为川 : 式= 月 。e x p [ j ( 2兀 y t 一 ( 2二 / 几) Z + 沪。 ) ] ( l ) 式 中 : j 为 单 位 复 数 ; 月 。 , v , 几 , 尹。分 别 为 光 场 的 幅值 、 频率 、 波 长 和 相位 , Z 是 激光源 到光 电探 测 器 之 间 的距 离 . 如 果 样 品表 面 存 在 超 声 位 移 , 一般 可表 示为 : 透射光 反射光 图1 干涉仪光路图 d ( )t = u e o s ( 2 二 天t + 尹) ! 9 -7 12 一 25 收稿 丁 红胜 男 , 28 岁 , 硕士 中 国家 自然 科学基金 资助 课题 ( 2 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 06. 019