CN113092420A - 一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工件缺陷测量技术领域，公开了一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，包括探测光源和耦合光源，探测光源和耦合光源发出的探测光和耦合光相向重合入射至碱金属原子气室，激发原子到里德堡态；第一射频信号源和第二射频信号源的信号输出端与波导连接，用于分别输出具有频率差的微波信号，微波信号经波导发出后入射至碱金属原子气室与里德堡原子相互作用；光电探测器接收经过碱金属原子气室后的探测光并发送至数据采集处理模块，数据采集处理模块根据探测光强度，计算得到待测工件的缺陷。本发明可以实现工件的曲线测量，测量精度高，测量操作简单。

Description

一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置及方法

技术领域

本发明属于工件缺陷测量技术领域，具体涉及一种利用里德堡原子对工件缺陷进行测量的装置和方法。

背景技术

随着许多工件使用年限的增加以及环境对工件造成不同程度的影响，工件缺陷的测量成为一个重要的工作。能否对工件的缺陷进行准确的测量，对于工件的修缮和再利用有着重要的作用。

目前的工件缺陷测量领域，对缺陷的测量方式主要分为两部分：质检员工人眼识别和传统性的接触式测量。传统的人工质检效率低且劳动强度大，其检测结果受质检员工主观因素影响比较大，错检和漏检的情况无法有效控制；传统性的接触式测量主要有超声波测量和磁粉测量。由于超声波频率高，传播的方向性强，又易于在固体中传播，并且遇到两种不同介质形成的界面时易于反射。根据超声波在介质中传播的速度（常称声速）和传播的时间，确定缺陷的位置。这种方法适用于检测工件内部缺陷，但是不适于表面和裂缝缺陷检测。磁粉测量是建立在漏磁原理基础上的一种磁力探伤方法。当磁力线穿过铁磁材料及其制品时，在其（磁性）不连续处将产生漏磁场，形成磁极。它相对显示直观，操作简单，对面积性缺陷更灵敏，但是不卫生，容易造成工件的污染。最近由于微波技术的发展，利用微波对工件缺陷测量的方法开始出现，使用波导或探针放置于被测物表面，通过分折反射波和透射波的振幅和相位变化以及波的模式变化，了解被测物中的裂纹、裂缝、气孔等缺陷的信息。但是其对环境的要求比较高，容易受到噪声等外界因素的影响，所以反馈的信息比较复杂，处理起来相对困难，而且测量精度有限。因此如何高效，准确的测量工件缺陷是一个亟待解决的问题。

为了克服目前工件缺陷测量领域的技术难题，需要提出新的缺陷检测方法，以实现高精度和高灵敏度的工件缺陷测量，满足工业应用的实际需求。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高灵敏度、无污染、可用于工件表面和内部检测、对环境要求低且操作简单的基于里德堡原子的工件缺陷测量的装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，包括探测光源，耦合光源，碱金属原子气室，第一导光器件，第二导光器件，第一射频信号源，第二射频信号源，波导、待测工件承载机构、光电探测器和数据采集处理模块；

所述探测光源和耦合光源发出的探测光和耦合光分别经第一导光器件和第二导光器件后相向重合入射至所述碱金属原子气室，用于激发原子到里德堡态；

所述第一射频信号源和第二射频信号源的信号输出端与所述波导连接，用于分别输出具有频率差的微波信号，微波信号经所述波导后发出辐射性的本振场微波和信号场微波，本振场微波和信号场微波经待测工件后，入射至所述碱金属原子气室与里德堡原子相互作用；

所述光电探测器用于接收经过碱金属原子气室后的探测光的透射强度并发送至数据采集处理模块，所述数据采集处理模块用于根据探测光强度，计算得到待测工件的缺陷。

所述探测光源包括第二锁频控制器、探测激光控制器、探测激光器，所述耦合光源包括第一锁频控制器、耦合激光器控制器、耦合激光器；

所述第一锁频控制器和第二锁频控制器分别用于对耦合激光器和探测激光器进行锁频；

所述第一导光器件包括第二半波片和多个反射镜，所述第二导光器件包括二向色镜、第一半波片和多个反射镜，所述二向色镜用于使经过碱金属原子气室后的探测光入射至光电探测器。

所述数据采集及处理模块包括锁相放大器、波形采集器、信号处理器和显示屏；

所述锁相放大器用于对探测光透射信号强度进行解调后发送至波形采集器，波形采集器用于采集透射信号强度波形，信号处理器用于根据采集波形，计算得到待测工件的缺陷分布后，发送至所述显示屏用于显示。

待测工件承载机构为二维位移台。

所述第一射频信号源和第二射频信号源发出微波频率差范围为1~300kHz。

本发明还提供了一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、获取透射信号中拍频信号电场强度与裂缝宽度的关系；

S2、在波导处设置待测工件，使波导发出的微波信号经待测工件后与里德堡原子发生作用，采集探测光通过里德堡原子后的透射信号，判断透射信号是否有中拍频信号，若有，则判定待测工件存在缝隙，获取拍频信号的电场强度，根据拍频信号的电场强度计算其对应的缝隙宽度；

S3、二维移动待测工件位置，重复步骤S2的测量，得到待测工件的各个测量点的缝隙数据。

所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，还包括以下步骤：

S4、通过待测工件的各个测量点的缝隙数据，绘制待测工件的缺陷分布图，并发送至显示单元进行显示。

所述步骤S3中，通过二维平移台移动待测工件的位置。

所述步骤S1中，获取透射信号中拍频信号电场强度与裂缝宽度关系的具体方法为：

设置多个已知裂缝宽度的校准样品，将校准样品设置在波导处，使波导发出的微波信号经校准样品的各个裂缝后与里德堡原子发生作用，采集探测光通过里德堡原子后的透射信号，根据不同缝宽与对应的透射信号电压强度，进行最小二乘法拟合，得到透射信号电压强度与裂缝宽度的关系。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于里德堡原子进行工件缺陷测量的装置和方法，通过波导发射具有频率差的两个辐射微波，使辐射微波经待测工件入射至里德堡原子，利用微波与里德堡原子之间的相互作用，通过透射谱线提取经过待测工件缝隙后的微波信号强度，利用微波信号强度与缝隙之间的线性关系，实现了待测工件的缺陷大小测量，通过对待测工件进行二维移动，实现了待测工件的缺陷定位，其具有普适性的优点，可以实现对任意大小、任意形状、任意厚度的待测工件进行表面和内部缺陷检测，测量精度高，同时，测量操作简单，有益于设备集成，可实时在线反馈；实验结果证明，本发明将成为工件缺陷检测的有力工具。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量的装置示意图；

图2为电磁感应透明的原理图；

图3为获得的不同电场强度的透射吸收谱线强度和时间的关系图；

图4为工件缺陷缝宽大小和电场强度的关系图；

图5为工件的缺陷分布图；

其中，1为第一锁频控制器，2为耦合激光器控制器，3为耦合激光器，4为第二锁频控制器，5为探测激光控制器，6为探测激光器，7为第一分光元件，8为第二分光元件，9为第一反射镜，10为第二反射镜，11为第三反射镜，12为二向色镜，13为第一半波片，14为碱金属原子气室，15为第二半波片，16为第四反射镜，17为第五反射镜，18为第一射频信号源，19为第二射频信号源，20为波导，21为待测工件，22为待测工件承载机构，23为光电探测器，24为锁相放大器，25为波形采集器，26为信号处理器，27为显示屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，包括探测光源，耦合光源，碱金属原子气室14，第一导光器件，第二导光器件，第一射频信号源18，第二射频信号源19，波导20、待测工件承载机构22、光电探测器23和数据采集处理模块；所述探测光源和耦合光源发出的探测光和耦合光分别经第一导光器件和第二导光器件后相向重合入射至所述碱金属原子气室14，用于激发原子到里德堡态；所述第一射频信号源18和第二射频信号源19的信号输出端与所述波导20连接，用于分别输出具有频率差的微波信号，微波信号经所述波导20后发出辐射性的本振场微波和信号场微波，本振场微波和信号场微波经待测工件后，入射至所述碱金属原子气室14与里德堡原子相互作用；所述光电探测器23用于接收经过碱金属原子气室14后的探测光的透射强度并发送至数据采集处理模块，所述数据采集处理模块用于根据探测光强度，计算得到待测工件的缺陷。其中，待测工件需紧靠波导20。

具体地，如图1所示，本实施例中，所述探测光源包括第二锁频控制器4、探测激光控制器5、探测激光器6，所述耦合光源包括第一锁频控制器1、耦合激光器控制器2、耦合激光器3；所述第一锁频控制器1和第二锁频控制器4分别用于对耦合激光器3和探测激光器6进行锁频；所述第一导光器件包括第二半波片15和多个反射镜，所述第二导光器件包括二向色镜12、第一半波片13和多个反射镜，所述二向色镜12用于使经过碱金属原子气室14后的探测光入射至光电探测器23。耦合激光器控制器2和探测激光控制器5的作用是控制对应的激光器的工作状态，比如调节电流、电压，实现激光频率和功率的控制。

具体地，如图1所示，所述探测激光器6发出的探测光束经第二分光元件8后分为两部分，一部分光通过第二锁频控制器4实现锁频，一部分光经第四反射镜16反射，第二半波片15透射后入射至碱金属原子气室14；耦合激光器3发出耦合光束经第一分光元件7后分为两部分，一部分光入射至第一锁频控制器1实现锁频，一部分光经第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、以及二向色镜12反射后，经第一半波片13透射后与探测光反向重合入射至碱金属原子气室14；经过碱金属原子气室14透射后的探测光经第一半波片13、二向色镜12透射后入射至光电探测器23，将光信号转化为电信号，然后经数据采集处理模块进行数据采集和处理。也就是说，本实施例中，通过输出探测光束和耦合光束，并利用反射镜调节光束传输使两束光在原子气室重合，激发原子到里德堡态，并利用微波与原子的相互作用，通过移动待测工件，进行工件上每一个点的透射峰的提取，从而实现电场强度的测量，最终对缺陷大小进行评估，绘制工件缺陷分布图，提高工件缺陷检测测量精度。

具体地，如图1所示，所述数据采集及处理模块包括锁相放大器24、波形采集器25、信号处理器26和显示屏27；所述锁相放大器24用于对探测光透射信号强度进行解调后发送至波形采集器25，波形采集器25用于采集透射信号强度波形，信号处理器26用于根据采集波形，计算得到待测工件的缺陷分布后，发送至所述显示屏27用于显示。波形采集器25具体可以为数字示波器。

具体地，本实施例中，待测工件承载机构22为二维位移台。二维平移台是为了将待测工件进行固定安装的，通过在两个方向上移动二维平移台使待测工件在两个维度方向上移动，以实现待测工件的每一个区域的缺陷检测。

具体地，本实施例中，所述第一射频信号源18和第二射频信号源19发出微波频率差范围为1~300kHz。波导是截面为矩形或圆形的金属管道，本实施例中采用的是截面为矩形的波导。具体地，本实施例中，所述第一射频信号源18和第二射频信号源19发出微波的频率范围可以为1~9.08461THz，在这个范围内，对应的微波波长大于0.033mm，因此，本实施例可以测量缝隙宽度在0.1mm内的缝隙。

如图2所示，为电磁感应透明的光谱原理图，探测光和耦合在在碱金属原子气室14重合，激发原子从基态跃迁到里德堡态，使用光电探测器把探测光信号转化为电信号，进而提取透射信号。具体地，本实施例中，探测光激光器6出射的激光波长是780nm，耦合光激光器3出射的激光波长为480nm；本实施例中，探测激光器使用的是Toptica公司，型号为DLpro的半导体激光器。耦合激光器使用的是Toptica公司，型号为TA-SHG pro的倍频放大激光器。

具体地，本实施例中，微波通过连接射频信号发生器的波导21发射，微波波形呈辐射状，发射到待测工件上。

下面介绍本发明实施例的测量原理。

本发明实施例中，利用外差微波电场进行缺陷测量，根据外差微波电场理论，有：

；（1）

其中，E₁为第一射频源18产生的电场，E_L为经AT分裂理论标定的电场幅度，f _L=ω_L/2π，f _L为第一射频源输出微波信号的频率，φ_L为第一射频源输出微波信号的相位。E₂为第二射频源产生的电场，E_S为经AT分裂理论标定的电场幅度，f _S=ω_S/2π，f _S为第二射频源输出微波信号的频率，φ_S为第二射频源输出微波信号的相位。

则里德堡原子受到的总电场强度为：

；（2）

其中，

表示里德堡原子受到的总电场强度，∆ω表示两个射频源输出的微波信号的频率差，∆φ表示两个射频源输出的微波信号的相位差，通过式（2）可以计算得到里德堡原子受到的总电场强度。

本实施例中，为了实现工件缺陷的检测，通过波导发射两个具有频率差的辐射微波信号，这两个微波信号分为作为本振场和信号场对原子作用，本振场和信号场之间有一个小的频率差，通过锁相放大器可以对包含有频率差的两个微波信号的探测光进行拍频，拍频信号的电压幅值对应于作用于里德堡原子的微波电场强度。在工件存在缝隙的情况下，微波场通过缝隙时会发生衍射，不同的缝隙宽度会导致在缝隙后同一位置的电场强度不同，由于微波通过狭缝的衍射符合夫琅禾费衍射，因此通过衍射公式，可以计算得到狭缝的宽度，计算公式为：

E_atoms=(E₀sin²u)/u²；（3）

其中u为与狭缝宽度有关的中间变量，有：

u=(πasinθ)/λ；（4）

其中，a是狭缝的宽度，λ是微波的波长，θ表示衍射角，因此在已知衍射角的情况下，可以根据有、无样品时测量获得的电场强度，计算出狭缝宽度，E₀为波导辐射的微波电场强度，E_atoms为通过工件上的狭缝衍射后的微波电场强度。

本发明中，里德堡原子可以作为混频器实现低频的拍频信号的输出，工件缝隙越大，狭缝衍射后的微波电场强度，进而拍频信号的强度越大，因此，本申请利用里德堡原子和微波的相互作用，通过光电探测器获得拍频作用后的透射谱线，根据谱线的强度与微波电场的线性关系，结合公式（3）和（4）可以计算得到对应的狭缝宽度，进而绘制出工件的缺陷分布图，最终实现工件缺陷大小和位置的检测。

如图3所示，为本实施例中在相同的微波辐射强度下，探测光的透射吸收谱线中的拍频信号强度和时间的关系图，其中的曲线对应分别是无工件时，和工件存在0.01mm和0.06mm的裂缝时的拍频信号强度，其对应的拍频信号强度分别为19.573μV/mm，19.572μV/mm,19.563μV/mm。通过图3可以看出，不同的裂缝宽度，光电探测器探测到的透射峰的峰值不同，裂缝宽度越大，透射峰对应的电压峰值越高。

本实施例中，所述基于里德堡原子进行微波电场强度的测量精度目前达到了55nVcm⁻¹Hz^−1/2，利用里德堡原子进行工件缺陷测量，目前在实验中测到工件的最小缺陷大小为10μm。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、获取透射信号电场强度与裂缝宽度的关系。

其中，获取透射信号电场强度与裂缝宽度关系的具体方法为：

设置多个已知裂缝宽度的校准样品，将校准样品设置在波导20处，使波导20发出的微波信号经校准样品的各个裂缝后与里德堡原子发生作用，采集探测光通过里德堡原子后的透射信号，根据不同缝宽与对应的透射信号电场强度，进行最小二乘法拟合，得到透射信号电场强度与裂缝宽度的关系。

此外，也可以通过先测量无样品条件下的透射信号电场强度，然后再测量一个已知裂缝宽度的标准样品的电场强度，利用公式（3）和公式（4）求出对应的衍射角，和无样品条件下的电场强度一并带入公式（4）和公式（3），即为透射信号电场强度与裂缝宽度的关系式。

如图4所示，为本发明实施例中，对6个已知裂缝的样品进行测量后得到的实验数据，通过对其进行最小二乘法拟合，得到透射信号的电场强度与裂缝宽度a的拟合关系式为：

；（5）

拟合曲线对应的误差分别为0.00046、0.0005、0.00052、0.00059、0.0006、0.00071。

S2、在波导20处设置待测工件，使波导20发出的微波信号经待测工件后与里德堡原子发生作用，采集探测光通过里德堡原子后的透射信号，判断透射信号是否有中拍频信号，若有，则判定待测工件存在缝隙，获取拍频信号的电场强度，根据拍频信号的电压强度计算其对应的缝隙宽度。

S3、二维移动待测工件位置，重复步骤S2的测量，得到待测工件的各个测量点的缝隙数据。

具体地，所述步骤S3中，通过二维平移台移动待测工件的位置。

S4、通过待测工件的各个测量点的缝隙数据，绘制待测工件的缺陷分布图，并发送至显示单元进行显示。

具体的，本实施例中，待测工件是一个长为1mm，宽为1mm的正方形待测工件工件，已知此待测工件存在6个大小不一的裂缝。其裂缝1长为0.045mm，宽为0.01 mm，裂缝2长为0.07 mm，宽为0.01mm，裂缝3长为0.1 mm，宽为0.01mm，裂缝4长为0.035 mm，宽为0.015mm，裂缝5长为0.05 mm，宽为0.025mm，裂缝6长为0.065 mm，宽为0.035mm。如图4所示，为缺陷工件不同缝宽大小对应的电场强度的示意图。以型号为ROHDE&SCHWARZ RTO2004 的示波器为例，由于拍频信号强度可以精确到小数点后第五位，因此，本发明的裂缝宽度可以精确到0.01mm的量级。如图5所示，为本实施例中通过计算后绘制得到的工件的缺陷分布图，其结果与工件裂缝原数据吻合，说明本发明可以最终实现对工件缺陷大小和位置的检测。

此外，本实施例中，还可以通过设置不同缝宽的校准工件，使波导20发出的微波信号经不同缝宽的校准工件后与里德堡原子发生作用，通过光电探测器和数据采集处理单元采集对应的探测光通过里德堡原子后的透射信号的电压幅值，根据校准工件的已知缝宽和对应的透射信号中拍频信号的强度，建立拍频信号强度与缝隙宽度的关系曲线。然后利用关系曲线进行待测工件缝宽测量。

综上所述，本发明提供了一种基于里德堡原子的工件缺陷测量的装置及方法，通过对待测工件进行二维移动和谱线提取，可以进行对待测工件的缺陷大小和位置进行检测，其具有普适性的优点，可以实现对任意大小、任意形状、任意厚度的待测工件进行缺陷检测，测量精度高，同时，测量操作简单，有益于设备集成，可实时在线反馈；这些结果证明，本发明将成为工件缺陷检测的有力工具。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，其特征在于，包括探测光源，耦合光源，碱金属原子气室（14），第一导光器件，第二导光器件，第一射频信号源（18），第二射频信号源（19），波导（20）、待测工件承载机构（22）、光电探测器（23）和数据采集处理模块；

所述探测光源和耦合光源发出的探测光和耦合光分别经第一导光器件和第二导光器件后相向重合入射至所述碱金属原子气室（14），用于激发原子到里德堡态；

所述第一射频信号源（18）和第二射频信号源（19）的信号输出端与所述波导（20）连接，用于分别输出具有频率差的微波信号，微波信号经所述波导（20）后发出辐射性的本振场微波和信号场微波，本振场微波和信号场微波经待测工件后，入射至所述碱金属原子气室（14）与里德堡原子相互作用；

所述光电探测器（23）用于接收经过碱金属原子气室（14）后的探测光的透射强度并发送至数据采集处理模块，所述数据采集处理模块用于根据探测光强度，计算得到待测工件的缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，其特征在于，所述探测光源包括第二锁频控制器（4）、探测激光控制器（5）、探测激光器（6），所述耦合光源包括第一锁频控制器（1）、耦合激光器控制器（2）、耦合激光器（3）；

所述第一锁频控制器（1）和第二锁频控制器（4）分别用于对耦合激光器（3）和探测激光器（6）进行锁频；

所述第一导光器件包括第二半波片（15）和多个反射镜，所述第二导光器件包括二向色镜（12）、第一半波片（13）和多个反射镜，所述二向色镜（12）用于使经过碱金属原子气室（14）后的探测光入射至光电探测器（23）。

3.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，其特征在于，所述数据采集及处理模块包括锁相放大器（24）、波形采集器（25）、信号处理器（26）和显示屏（27）；

所述锁相放大器（24）用于对探测光透射信号强度进行解调后发送至波形采集器（25），波形采集器（25）用于采集透射信号强度波形，信号处理器（26）用于根据采集波形，计算得到待测工件的缺陷分布后，发送至所述显示屏（27）用于显示。

4.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，其特征在于，待测工件承载机构（22）为二维位移台。

5.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置，其特征在于，所述第一射频信号源（18）和第二射频信号源（19）发出微波频率差范围为1~300kHz。

6.根据权利要求1所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取透射信号中拍频信号电场强度与裂缝宽度的关系；

S2、在波导处设置待测工件，使波导（20）发出的微波信号经待测工件后与里德堡原子发生作用，采集探测光通过里德堡原子后的透射信号，判断透射信号是否有中拍频信号，若有，则判定待测工件存在缝隙，获取拍频信号的电压强度U_atoms，根据拍频信号的电压强度计算其对应的缝隙宽度；

S3、二维移动待测工件位置，重复步骤S2的测量，得到待测工件的各个测量点的缝隙数据。

7.根据权利要求6所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4、通过待测工件的各个测量点的缝隙数据，绘制待测工件的缺陷分布图，并发送至显示单元进行显示。

8.根据权利要求6所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过二维平移台移动待测工件的位置。

9.根据权利要求6所述的一种基于里德堡原子的工件缺陷测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取透射信号中拍频信号电场强度与裂缝宽度关系的具体方法为：

设置多个已知裂缝宽度的校准样品，将校准样品设置在波导处，使波导（20）发出的微波信号经校准样品的各个裂缝后与里德堡原子发生作用，采集探测光通过里德堡原子后的透射信号，根据不同缝宽与对应的透射信号电压强度，进行最小二乘法拟合，得到透射信号电压强度与裂缝宽度的关系。

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