CN203745385U - 激光超声光学干涉检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光超声光学干涉检测装置，包括连续激光器、平面反射镜、1/2波片、光阑、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、凸透镜、凹透镜、光折变晶体、光学斩波器、光电探测器和信号处理模块，所述连续激光器发出的光线依次经两个平面反射镜、第一1/2波片、光阑、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、光阑、1/4波片、两个凸透镜到达被测材料；所述第一偏振分光棱镜分出的光线经两个平面反射镜透过所述光折变晶体；所述第二偏振分光棱镜分出的光线经凹透镜透过所述光折变晶体，所述光折变晶体产生的衍射光依次经光学斩波器、凸透镜聚焦至光电探测器；所述信号处理模块分别与所述光学斩波器和所述光电探测器连接。

Description

激光超声光学干涉检测装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术领域，尤其是一种激光超声光学干涉检测装置。

背景技术

对于传统的缺陷检测方法，自20世纪初人们首次运用物理方法对材料性能进行检测以来，无损检测技术得到了迅速的发展。各种无损检测方法的基本原理几乎涉及现代物理学的各个分支。按照不同的原理和不同的探测及信息处理方式，将已经应用和正在研究的各种无损检测方法进行分类，总共达70多种。主要包括射线检测（X射线、γ射线、高能X射线、中子射线、质子和电子射线等）、声和超声检测（声振动、声撞击、超声脉冲反射、超声透射等）、电学和电磁检测（电阻法、电位法、涡流法、磁粉法等）、力学和光学检测（目视法和内窥镜、荧光法、激光全息摄影干涉法、激光超声法等）、热力学方法（热电动势、液晶法、红外线热图等）和化学分析方法（电解检测法、离子散射、俄歇电子分析等）。

在众多的无损检测方法中，目前应用最广泛的是液体渗透法（PT）、磁粉检验法（MT）、射线检测法（RT）、超声波检测法（UT）和涡流检测法（ET）。这些检测方法由于各自检测特点的不同，应用在不同的检测领域。并且对于同样的材料运用多种方法结合进行检测，往往会获得更准确的检测结果。

激光超声检测与传统的超声检测手段相比，具有以下优点：（1）实时检测：由于激光超声的激发与检测都是在瞬间完成的，能够实现快速的实时检测，这是激光超声检测最为重要的一个优点，使得激光超声检测成为工业上定位、在线检测、快速超声扫描成像的极好手段；（2）非接触：避免了传统超声法中耦合层的变化而带来的对信号的各种干扰以及由于耦合剂的使用而对一些材料的污染，同时也使得快速超声扫描成像的实现变得更容易。另外激光探测法还可使被测超声波场不受任何干扰，这一特性对于其他传感器的校准十分有利；（3）远距离工作：远距操作可免去很多对传感系统的冷却要求，另外激光束可通过一玻璃窗口导入特定的密闭空间，因而激光超声可方便的用于存在核辐射、强腐蚀性以及化学反应等这样一些恶劣的环境条件下；（4）分辨率高：激光超声在空间和时间上具有很高的分辨率，超声的脉冲宽度可达到1ns，频率可达到GHZ量级，而相对应的波长只有几个um，这就大大提高了检测微小缺陷的能力和检测的精度，对于评价材料的微结构或薄膜的特性和参量测定有明显的优势。

以现阶段工业在线检测装置中应用比较广泛的德国NUTRONIK公司的MAUS自动化检测设备与激光超声设备作对比，对比如下表

与现阶段存在的磁粉检测与渗透检测相比，激光超声的优势主要集中在应用范围较广。对于渗透检测，只能适应于开口性的缺陷，即不能发现内部缺陷和夹渣，并且重复性很差。而磁粉检测也仅适用于铁磁导体材料的检测，对于现阶段新材料不断涌现的状况，就限制了其应用范围，而激光超声可检测表面及近表面缺陷，并且对应用材料无特殊要求。

激光超声检测方法本身又有很多方法：

 ① 零（外）差干涉技术：该检测方法是在传统迈克尔逊干涉仪的基础中进行改进，通过对干涉光相位进行检测，得到被测材料的超声振动情况。该种方法结构简单，但对材料表面要求严格，抗干扰能力不强。

② 速度干涉仪技术：该种测试方法，可以用来检测表面粗糙的材料，低频振动对其不起作用，它的缺点是系统体积大，只能对频率高于10MHZ的超声进行检测。

 ③ 共焦法布里-波罗干涉技术：该种技术对试块表面的振动非常敏感，而对环境低频干扰不敏感，但该检测方法需要稳定的工作点，系统设计难度大且造价很高。

④ 传统的基于光折变晶体双波混频的光学检测方法：利用光折变晶体的双波混频效应，此种方法的优点是可以实施矫正在检测过程中由环境和人为因素带来的干扰，抗干扰能力强，且后期信号处理较简单，适合研制可在市场中形成标准产品的检测仪器。现有公开的检测光路中，存在缺点：

⑴、只简单依靠透镜进行扩束处理，一方面扩束后光束质量很差；未经准直处理，为后期的信号处理带来困难。

⑵、整个系统的光能量不可控，即信号光与参考光的能量相对固定，这样导致的结果就是对材料表面要求严格，需具有一定的反射率，无法形成标准化的产品，只可根据检测材料的不同，对光路进行改变。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种激光超声光学干涉检测装置，抗干扰能力强，可实现无接触，高精度的超声信号检测。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：一种激光超声光学干涉检测装置，包括连续激光器、平面反射镜、1/2波片、光阑、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、凸透镜、凹透镜、光折变晶体、光学斩波器、光电探测器和信号处理模块，所述连续激光器发出的光线依次经两个平面反射镜、第一1/2波片、光阑、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、光阑、1/4波片、两个凸透镜到达被测材料；所述第一偏振分光棱镜分出的光线经两个平面反射镜透过所述光折变晶体；所述第二偏振分光棱镜分出的光线经凹透镜透过所述光折变晶体，所述光折变晶体产生的衍射光依次经光学斩波器、凸透镜聚焦至光电探测器；所述信号处理模块分别与所述光学斩波器和所述光电探测器连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

① 本激光超声光学干涉检测装置，在整个检测光路中多次利用波片调整分光能量，可实现方便对参考光与信号光的光强及相对光强，在实际使用过程中，针对不同材料的反射情况不同，可自主地调整参考光与信号光的光强，使其满足应用调节，改变了传统检测光路对使用环境和检测材料的表面要求较高的使用瓶颈，使得本套检测光路的使用范围更加广阔。

② 本激光超声光学干涉检测装置，通过不同口径及焦距的凹凸透镜的使用，在不使信号光失真的前提下，实现对样品散射光的收集与准直，改善信号光质量，这对于检测材料表面的反射率不高或者漫反射较强烈的情形得到了很大的改善，一方面提高检测的精确度，同时扩大本套装置的使用范围。

③ 本激光超声光学干涉检测装置，透过使用1/2波片及1/4波片的使用，利用激光的偏振特性，有效防止了反射信号光返回激光器，避免了对参考光的影响；同时保证的反射信号光的大部门能量得到利用，这对于提高检测精确度以及对于信号处理模块的简化具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示的一种激光超声光学干涉检测装置，是采用非线性晶体，利用其双波混合干涉效应对超声信号进行检测的一种光学实验装置，该种实验装置，此种方法抗干扰能力强，可实现无接触，高精度的超声信号检测。

该装置包括：连续激光器1、平面反射镜2、平面反射镜3、1/2波片4、光阑5、偏振分光棱镜6、1/2波片7、偏振分光棱镜8、光阑9、1/4波片10、凸透镜11、凸透镜12、凹透镜14、平面反射镜15、平面反射镜16、光折变晶体17、光学斩波器18、凸透镜19、光电探测器20、信号处理模块21。

该装置的具体功能实现过程为：利用532nm连续绿光激光器1发射出的连续激光经过反射镜2和3导光后进入1/2波片4和偏振分束棱镜6组成的分束组件（光阑5将光束孔径进行规范），将光束分为参考光和信号光两部分，之后，信号光再次经过同样的分束结构[ 1/2波片7和偏振分束棱镜8构成]，参考光再经过1/4波片10变成圆偏振光，然后透过两个凸透镜11和12照射到样品面13（可激发产生超声信号）后，形成了装载超声信号的反射信号光，反射的信号光再次经过1/4波片8后大部分成为与入射光偏振方向垂直的信号光，该信号光经由偏振分束镜8和凹透镜14，与经过平面反射镜15和16反射的参考光一起进入光折变晶体17（如铌酸锂晶体），透镜11、12和14组合起来实现样品散射光的收集和准直。信号光和参考光在光折变晶体中17形成干涉光栅，经过衍射后携带了彼此的强度和相位信息。利用凸透镜19将信号光聚焦至光电探测器，采用斩波器18结合信号处理模块21即可得到信号光携带的微弱扰动信息，即样品的超声波信息。

本激光超声光学干涉检测装置通过在传统检测光路中基础上经行改良，通过对波片、凹凸透镜的合理利用，实现在一定范围内对信号光和可见光的自主控制以及对材料散射光的收集和准直，改善信号质量，大大降低传统检测方法对检测材料表面要求高的检测瓶颈，可大大扩大该装置的使用范围和领域，作为一种新型的无损检测的技术，激光超声检测技术已逐渐得到市场中的认可，围绕申请检测装置，研制完整的检测设备不仅可满足市场中对该无损检测的需求，打破国外产品的垄断，同时对于提高我国的无损检测水平及相关行业的发展均具有重要意义。

Claims (1)

1.一种激光超声光学干涉检测装置，其特征在于：包括连续激光器、平面反射镜、1/2波片、光阑、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、凸透镜、凹透镜、光折变晶体、光学斩波器、光电探测器和信号处理模块，所述连续激光器发出的光线依次经两个平面反射镜、第一1/2波片、光阑、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、光阑、1/4波片、两个凸透镜到达被测材料；所述第一偏振分光棱镜分出的光线经两个平面反射镜透过所述光折变晶体；所述第二偏振分光棱镜分出的光线经凹透镜透过所述光折变晶体，所述光折变晶体产生的衍射光依次经光学斩波器、凸透镜聚焦至光电探测器；所述信号处理模块分别与所述光学斩波器和所述光电探测器连接。