CN102221397B - 基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采用激光对杨氏模量等机械特性的测量。提供一种能在时间上准确定位激光声表面波位置，从而精确测量超声信号的装置，本发明采取的技术方案是，基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统，结构为：差分共焦法确定声表面波存在位置部分包括：He-Ne激光检测声表面波部分，差分信号处理部分；示波器显示及存储信号部分；皮秒超声波法高精度测量声表面波部分包括：探测光被调制部分，光程调节部分，基于改进式Sagnac干涉仪的检测部分，微弱声表面波信号处理部分，PC机显示及存储信号部分；前述两部分共用激光脉冲激发样品表面产生声表面波部分。本发明主要应用于采用激光对杨氏模量等机械特性的测量。
Description
技术领域
本发明涉及采用激光对薄膜杨氏模量等机械特性的测量，具体讲涉及基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统。LSAW是Laser Surface Acoustic Wave的缩写。
背景技术
近年来，利用激光超声技术测量材料的纳米机械特性得到了越来越广泛的关注，在激光超声系统中，采用sagnac干涉仪实现高分辨率测量的方法不断出现。
目前的技术中，有David H.Hurley and Oliver B.Wright发表于“OPTICS LETTERS”的“Detection of ultrafast phenomena by use of a modified Sagnac interferometer”，其中利用一束激发光激发声表面波，另一束通过固定光程的萨格奈克干涉仪对超声信号进行检测，并采用差分方式输出，提高了信噪比。
还有Y.Sugawara，O.B.Wright，O.Matsuda，V.E.Gusev发表于“Ultrasonics”的“Spatiotemporal mapping of surface acoustic waves in isotropic and anisotropicmaterials”，仍是利用固定光程的萨格奈克干涉仪对超声信号进行检测，只是在前者的基础上将极化器替换为一极化分光镜。
以上文献中所用的方法中，对声表面波信号的测量达到了很高的分辨率，但是，都是采用固定光程的萨格奈克干涉仪直接对超声信号进行检测，不能在时间上预先定位超声信号的确切位置，再对其进行精确检测。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统，不仅能在时间上准确定位激光声表面波，而且能够精确测量超声信号，本发明采取的技术方案是基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统，其结构为：
差分共焦法确定声表面波存在位置部分包括：He-Ne激光检测声表面波部分，差分信号处理部分；示波器显示及存储信号部分；
皮秒超声波法高精度测量声表面波部分包括：探测光被调制部分，光程调节部分，基于改进式Sagnac干涉仪的检测部分，微弱声表面波信号处理部分，PC机显示及存储信号部分；
差分共焦法确定声表面波存在位置部分与皮秒超声波法高精度测量声表面波部分共用激光脉冲激发样品表面产生声表面波部分。
所述差分共焦法确定声表面波存在位置部分：脉冲激光器1出射的脉冲激光经过扩束镜2后进入7∶3分光镜3，透射的七份光经过平面镜4和平面镜5后被反射到柱面平凸透镜6，聚焦后入射到载物台7上的样品8，激发其产生声表面波；消光器9用于消除激发光在样品表面产生的发射光对实验结果的影响；He-Ne激光器29出射的激光经过平面镜28后被反射到极化分光镜15，入射光被极化后透射光经过1/4波片11后再经过高倍物镜10到达载物台7上的样品8，入射到样品表面的He-Ne激光作为探测光携带声表面波信息再次经过1/4波片11后到达极化分光镜15，由于两次经过1/4波片，光的偏振方向改变了90度，探测光只能被极化分光镜反射，反射光进入1∶1非极化分光镜16后被均分为透射光和反射光两部分；透射光和反射光经过平面镜17、平面镜26、平面镜27、平面镜36、平面镜37的反射后分别进入差分光电探测器39的两个探测孔，被转化为电信号的声表面波信号进入示波器41，连接示波器的光电二极管24和脉冲激光激发示波器工作，由其显示波形保存数据。
所述皮秒超声波法实现皮秒或亚皮秒级的高时间分辨率采样：脉冲激光器1出射的脉冲激光经过扩束镜2后进入7∶3分光镜3，透射的七份光经过平面镜4和5后被反射到柱面平凸透镜6，聚焦后入射到载物台7上的样品8，激发其产生声表面波；消光器9用于消除激发光在样品表面产生的发射光对实验结果的影响；被7∶3分光镜反射的三份光被平面镜21反射后进入声光晶体22，声光晶体22与声光晶体驱动器43以及信号发生器42作为调制系统对入射到声光晶体的光进行调制，出射光进入大行程调节器23后进入取样步进调节器25，从调节器出射的光经平面镜20被反射到格兰棱镜19起偏变为线偏振光，线偏振光经过旋转22.5度的半波片18后偏振方向改变45度后入射到1∶1非极化分光镜16，取其透射光继而入射到极化分光镜15，此时偏振光分为两部分：反射的正旋光和透射的逆旋光；正旋光经过1/4波片11后入射到高倍物镜10，继而入射到载物台7上的样品8，携带声表面波返回，由于两次经过1/4波片11，探测光只能被极化分光镜15透射到达1/4波片30后，被平面镜32反射按原路返回，到达极化分光镜15后被反射到1/4波片13后，被平面镜反射，此时的反射光经过极化分光镜15透射，非极化分光镜16的反射后到达1/4波片30，逆时针旋转的探测光返回后也到达1/4波片30，两束光同时到达极化分光晶体34后被分解，分解的光变为两两偏振方向相同，传播方向相反的光，而且具有固定的相位差，故分别发生干涉，干涉之后的两路光经过平面镜35、平面镜38后被反射进入差分光电探测器39，声表面波变为电信号输出后进入锁相放大器40，锁相放大器与信号发生器起解调放大作用，被解调放大后的声表面波电信号进入PC机44，由其进行信号处理。
声表面波定位到皮秒超声检测：要撤去元器件吸光板14、平面镜17、平面镜27、平面镜28，保留元器件平面镜35、平面镜38；皮秒超声检测到声表面波定位：保留元器件吸光板14、平面镜17、平面镜27、平面镜28，撤去平面镜35、平面镜38。
本发明用于薄膜杨氏模量的测量有以下优势：
①获得高质量的超高频声表面波信号，成功地将现有激光声表面薄膜杨氏模量测量系统的带宽扩展至近THz的超带宽，极大地提高现有测量系统的测量分辨率；如图2、3所示波形，用该发明所得波形可以观察到更具体的细节，是传统的方法不可比拟的。
②非接触式测量，传统的压电测量法需要测量装置与样品直接接触，很有可能会损伤样品，该发明采用非接触式，不仅可以更好的保护样品，还可以避免更多的接触干扰。
③实时检测，利用该发明可以实时获取声表面波，并实行实时处理。
④可重复性检测，在条件不发生改变的条件下，重复测量相同的样品可以获取相同的波形数据。
⑤有效抑制噪声干扰，采用差分式测量，不仅可以避免环境中噪声的干扰，还可以抑制系统本身产生的干扰，大大提高测量的精确度和分辨率。
附图说明
图1是该发明的系统图，包含所有的元器件。
图2是差差分共焦法测得的声表面波波形。
图3是皮秒超声波法测得的声表面波波形。
具体实施方式
本项发明的目的在于通过将HE-NE激光器共焦差分式的测量系统与单激光测量系统有机结合，在时间上准确定位激光声表面波，从而精确测量超声信号。
本项发明主要解决的问题是提供一种装置，能够精确定位超声信号，并以高分辨率对其进行测量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种整体式的高精度、大带宽的声表面波检测装置，主要包括差分共焦法定位声表面波部分以及在前者基础上用皮秒超声波法高精度测量声表面波部分。两大部分看似是两个独立的系统，却又相互联系不可分割，它们两者的激发声表面波部分是完全相同的，检测部分通过调整其中几个平面镜的位置来进行转换。
差分共焦法确定声表面波存在位置部分包括：激光脉冲激发样品表面产生声表面波部分，He-Ne激光检测声表面波部分，差分信号处理部分，示波器显示及存储信号部分。
皮秒超声波法高精度测量声表面波部分包括：激光脉冲激发样品表面产生声表面波部分，探测光被调制部分，光程调节部分，基于改进式Sagnac干涉仪的检测部分，微弱声表面波信号处理部分，PC机显示及存储信号部分。
下面结合附图1详细说明该发明的具体实施方式：
首先是声表面波定位：脉冲激光器(1)出射的脉冲激光经过扩束镜(2)后进入7∶3分光镜(3)，透射的七份光经过平面镜(4)和(5)后被反射到柱面平凸透镜(6)，聚焦后入射到载物台(7)上的样品(8)，激发其产生声表面波。消光器(9)主要用来消除激发光在样品表面产生的发射光对实验结果的影响。与此同时，He-Ne激光器(29)出射的激光经过平面镜(28)后被反射到极化分光镜(15)，入射光被极化后的透射光经过1/4波片(11)后再经过高倍物镜(10)聚焦到载物台(7)上的样品表面(8)，入射到样品表面的He-Ne激光作为探测光携带声表面波再次经过1/4波片(11)后到达极化分光镜(15)，由于两次经过1/4波片，光的偏振方向改变了90度，探测光只能被极化分光镜反射，反射光进入1∶1非极化分光镜(16)后被均分为透射光和反射光两部分。透射光和反射光经过平面镜(17)、平面镜(26)、平面镜(27)、平面镜(36)、平面镜(37)的反射后分别进入差分光电探测器(39)的两个探测孔，被转化为电信号的声表面波信号经①号路线进入示波器(41)，光电二极管(24)接收脉冲激光器(1)的小部分激光脉冲触发示波器(41)工作，使其显示波形，由此定位声表面波。在此过程中，要仔细调节激发光和探测光在样品表面的相对位置，以保证声表面波在衰减消失之前探测到它的存在，并记录声表面波定位时激发光与探测光之间的位置。。
其次是皮秒超声波法实现皮秒或亚皮秒级的高时间分辨率采样：脉冲激光器(1)出射的脉冲激光经过扩束镜(2)后进入7∶3分光镜(3)，透射的七份光经过平面镜(4)和(5)后被反射到柱面平凸透镜(6)，聚焦后入射到载物台(7)上的样品(8)，激发其产生声表面波。消光器(9)主要用来消除激发光在样品表面产生的发射光对实验结果的影响。与此同时，被7∶3分光镜反射的三份光被平面镜(21)反射后进入声光晶体(22)，声光晶体(22)与声光晶体驱动器(43)以及信号发生器(42)作为调制系统对入射到声光晶体的光进行调制，出射光进入大行程调节器(23)后进入取样步进调节器(25)，从调节器出射的光经平面镜(20)被反射到格兰棱镜(19)起偏变为线偏振光，线偏振光经过旋转22.5度的半波片(18)后偏振方向改变45度后入射到1∶1非极化分光镜(16)，取其透射光继而入射到极化分光镜(15)，此时偏振光分为两部分：反射的正旋光和透射的逆旋光。该部分为Sagnac干涉仪部分。正旋光经过1/4波片(11)后入射到高倍物镜(10)，继而入射到载物台(7)上的样品(8)，携带声表面波返回，由于两次经过1/4波片(11)，探测光只能被极化分光镜(15)透射到达1/4波片(30)后，被平面镜(32)反射按原路返回，到达极化分光镜(15)后被反射到1/4波片(13)后，被平面镜(12)反射，由于两次经过1/4波片，反射光经过极化分光镜(15)后只能被透射，透射光经过非极化分光镜(16)的反射后到达1/4波片(30)。同时，逆时针旋转的探测光返回后也到达1/4波片(30)。两束光同时到达极化分光晶体(34)后被分解，分解的光变为两两偏振方向相同，传播方向相反的光，而且具有固定的相位差，故分别发生干涉。干涉之后的两路光经过平面镜(35)、(38)后被反射进入差分光电探测器(39)，声表面波变为电信号输出后经路线②进入锁相放大器(40)，锁相放大器与信号发生器起解调放大作用，被解调放大后的声表面波电信号进入PC机(44)，由其进行信号处理。
在此过程中，首先要根据声表面波定位系统所测得的激发光与探测光之间的相对距离调节大行程调节器，保证探测光能够探测到激发光激发的声表面波，然后仔细调节相差调节位移台(31)使正旋光和逆旋光到达载物台样品时具有一定的光程差。获取第一个采样数据后，调整取样步进调节器(25)，不断的移动取样点，获取数据，用于最后的波形恢复。
说明：声表面波定位与皮秒超声波高分辨率取样两大部分之间的转换需要移动一些元器件：声表面波定位到皮秒超声检测：要撤去元器件(14)、(17)、(27)、(28)，保留元器件(35)、(38)。皮秒超声检测到声表面波定位：保留元器件(14)、(17)、(27)、(28)，撤去(35)、(38)。平面镜(17)、(27)、(28)、(35)、(38)的作用是改变光路到所需要的传播方向，为了避免皮秒超声检测部分中平面镜(12)反射对声表面波定位部分的影响，我们在此放置了吸光板(14)，用于阻挡定位声表面波时极化分光镜(15)的透射光入射到平面镜(12)被其反射。由于移动的元器件都是平面型，易于调整和操作，所以不会对整套系统产生不良影响。
Claims (1)
1.一种基于Sagnac干涉仪的LSAW定位测量系统，其特征是，结构为：
差分共焦法确定声表面波存在位置部分包括：He-Ne激光检测声表面波部分，差分信号处理部分；示波器显示及存储信号部分；
皮秒超声波法高精度测量声表面波部分包括：探测光被调制部分，光程调节部分，基于改进式Sagnac干涉仪的检测部分，微弱声表面波信号处理部分，PC机显示及存储信号部分；
差分共焦法确定声表面波存在位置部分与皮秒超声波法高精度测量声表面波部分共用激光脉冲激发样品表面产生声表面波部分；
所述差分共焦法确定声表面波存在位置部分：脉冲激光器(1)出射的脉冲激光经过扩束镜(2)后进入7∶3分光镜(3)，透射的七份光经过第一平面镜(4)和第二平面镜(5)后被反射到柱面平凸透镜(6)，聚焦后入射到载物台(7)上的样品(8)，激发其产生声表面波；消光器(9)用于消除激发光在样品表面产生的发射光对实验结果的影响；He-Ne激光器(29)出射的激光经过第三平面镜(28)后被反射到极化分光镜(15)，入射光被极化后透射光经过第一1/4波片(11)后再经过高倍物镜(10)到达载物台(7)上的样品(8)，入射到样品表面的He-Ne激光作为探测光携带声表面波信息再次经过第一1/4波片(11)后到达极化分光镜(15)，由于两次经过第一1/4波片(11)，光的偏振方向改变了90度，探测光只能被极化分光镜反射，反射光进入1∶1非极化分光镜(16)后被均分为透射光和反射光两部分；透射光和反射光经过第四平面镜(17)、第五平面镜(26)、第六平面镜(27)、第七平面镜(36)、第八平面镜(37)的反射后分别进入差分光电探测器(39)的两个探测孔，被转化为电信号的声表面波信号进入示波器(41)，连接示波器的光电二极管(24)和脉冲激光激发示波器工作，由其显示波形保存数据；
所述皮秒超声波法实现皮秒或亚皮秒级的高时间分辨率采样：脉冲激光器(1)出射的脉冲激光经过扩束镜(2)后进入7∶3分光镜(3)，透射的七份光经过第一平面镜(4)和第二平面镜(5)后被反射到柱面平凸透镜(6)，聚焦后入射到载物台(7)上的样品(8)，激发其产生声表面波；消光器(9)用于消除激发光在样品表面产生的发射光对实验结果的影响；被7∶3分光镜反射的三份光被第九平面镜(21)反射后进入声光晶体(22)，声光晶体(22)与声光晶体驱动器(43)以及信号发生器(42)作为调制系统对入射到声光晶体的光进行调制，出射光进入大行程调节器(23)后进入取样步进调节器(25)，从调节器出射的光经第十平面镜(20)被反射到格兰棱镜(19)起偏变为线偏振光，线偏振光经过旋转22.5度的半波片(18)后偏振方向改变45度后入射到1∶1非极化分光镜(16)，取其透射光继而入射到极化分光镜(15)，此时偏振光分为两部分：反射的正旋光和透射的逆旋光；正旋光经过第一1/4波片(11)后入射到高倍物镜(10)，继而入射到载物台(7)上的样品(8)，携带声表面波返回，由于两次经过第一1/4波片(11)，探测光只能被极化分光镜(15)透射到达第二1/4波片(30)后，被第十一平面镜(32)反射按原路返回，到达极化分光镜(15)后被反射到第三1/4波片(13)后，被第十二平面镜(12)反射，此时的反射光经过极化分光镜(15)透射，非极化分光镜(16)的反射后到达第二1/4波片(30)，逆时针旋转的探测光返回后也到达第二1/4波片(30)，两束光同时到达极化分光晶体(34)后被分解，分解的光变为两两偏振方向相同，传播方向相反的光，而且具有固定的相位差，故分别发生干涉，干涉之后的两路光经过第十三平面镜(35)、第十四平面镜(38)后被反射进入差分光电探测器(39)，声表面波变为电信号输出后进入锁相放大器(40)，锁相放大器与信号发生器起解调放大作用，被解调放大后的声表面波电信号进入PC机(44)，由其进行信号处理；
声表面波定位到皮秒超声检测：要撤去元器件吸光板(14)、第四平面镜(17)、第六平面镜(27)、第三平面镜(28)，保留元器件第十三平面镜(35)、第十四平面镜(38)；皮秒超声检测到声表面波定位：保留元器件吸光板(14)、第四平面镜(17)、第六平面镜(27)、第三平面镜(28)，撤去第十三平面镜(35)、第十四平面镜(38)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130313 Termination date: 20210406 |