一种用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于声光衍射的周期可调同轴激光超声检测光学系统。

背景技术

激光超声是一种利用激光激发和激光接收超声波的非接触无损检测技术，其基本工作原理是用一束脉冲激光入射到材料表面，部分激光能量被吸收后转化成热能，激光辐照区域产生局部迅速的温升，导致局部快速的热膨胀产生超声；同时用连续或者脉冲的激光入射样品表面探测超声，再由光学接收装置收集解调出超声信号。激光超声检测不需要耦合剂，可以实现非接触、远距离检测，而且由于全光激发与检测，激光超声能够在高温、高压、腐蚀、强辐射等极端环境中实现实时在线检测。

卢明辉等人(卢明辉,丁雷,颜学俊,等.激光超声技术在工业检测中的应用与展望[J].振动.测试与诊断,2021,41(4):14.)提出的传统的激光超声主要是“点激发、点检测”模式，即脉冲激光被聚焦成一个点入射到样品表面产生超声，隔一定距离后用另一束激光将传播的超声检测出来。这种“点激发、点检测”模式应用较广，超声激发与检测模块功能相对独立。但是这种模式难以实现激发即检测或同轴激发检测，而且在激光超声扫描检测中，为了便于超声解算，需要精确控制扫描过程中激发与检测之间的位置关系，增加了检测系统集成与控制的复杂性。

此外，激光点源激发的超声信号较弱，检测信噪比差。而激光阵列线源可以在不破坏样品表面的前提下注入更多能量，提高激发的超声强度，有利于提高激光超声检测系统的灵敏度和信噪比，同时通过调控阵列线源的线源宽度、线源周期等参数可以调控超声的特性(例如超声表面波波长)。

传统激光阵列线源主要利用表面掩膜、透镜阵列和光纤阵列等方法产生，阵列线源周期难以实现连续可调。而且一个掩膜或一个透镜(光纤)阵列只能产生固定周期的阵列线源，若要调整激光阵列线源周期需要更换不同的掩膜或透镜(光纤)阵列，系统复杂，费用昂贵，灵活性差。

发明内容

本发明的目的是解决现有激光超声检测模式中激发与检测相对独立，难以实现激发即检测或同轴激发检测，同时检测方法中需要通过更换掩膜、透镜阵列或光纤阵列的方式实现不同阵列线源周期可调，难以实现阵列线源周期连续可调的技术问题，而提供了一种用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统。

本发明的反应机理：基于声光衍射原理，超声激发光与探测光同轴入射，可以实现同轴超声激发与检测，提高激光超声检测系统的易用性；激发光在样品表面干涉形成激光阵列线源，在不更换光学元件的前提下，可以实现激光阵列线源周期连续可调，而且可以在不损伤材料表面的情况下注入更多激光能量，提高激发超声的强度；激光阵列线源在样品表面诱导出瞬态光栅，基于对瞬态光栅衍射的探测光检测，有利于提高激光超声检测的灵敏度和信噪比。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统，其特殊之处在于：包括合束镜、超声驱动源、声光晶体、至少一个光阑、4f系统以及设置在4f系统之间的第二反射镜、第三反射镜以及探测器；

所述合束镜设置在探测光的光路上，用于将激发光与探测光同轴合束，合束后的激发光与探测光沿光学系统光轴方向入射至被超声驱动源调制的声光晶体衍射；

所述超声驱动源产生的超声在声光晶体中形成周期性的折射率调制，经折射率调制的声光晶体使入射的激发光与探测光发生衍射；衍射后的激发光与探测光经过光阑选通后入射至4f系统，再经4f系统后汇聚在待测样品表面；

所述声光晶体位于4f系统的前焦点处；所述待测样品位于4f系统的后焦点处；

所述光阑用于空间选通相同衍射级次激发光与探测光；

所述衍射后的激发光在待测样品表面干涉，形成阵列线源并诱导出瞬态光栅并激发超声；所述衍射后的探测光在待测样品表面瞬态光栅衍射，衍射后的探测光携带待测样品的超声响应信息；

携带待测样品的超声响应信息的探测光经第三反射镜反射后入射至探测器；

所述第二反射镜用于将入射至4f系统中的一束探测光反射至探测器。

进一步地，还包括设置在激发光的光路上的第一反射镜，激发光经第一反射镜反射后，入射至合束镜。

进一步地，所述包括1个小孔光阑和1个遮挡光阑；

所述小孔光阑用于遮挡±2级及以上的高阶衍射光；

所述遮挡光阑用于遮挡0级衍射光。

进一步地，还包括设置在第二反射镜之前的中性密度滤光片，用于衰减调节探测光光强。

进一步地，所述4f系统为不同焦距的透镜组合。

进一步地，所述4f系统包括第一透镜和第二透镜；

所述衍射后的激发光在待测样品表面干涉形成的阵列线源，其周期与声光晶体中超声周期成正比；

其中，T

进一步地，所述激发光干涉形成的激光阵列线源周期是通过超声驱动源3调控注入到声光晶体4中的超声周期，可实现激光阵列线源周期的连续可调。

进一步地，所述声光晶体中声光衍射根据声光相互作用条件的不同为拉曼纳斯衍射或布拉格衍射。

进一步地，所述光阑为“两孔”型或“两缝”型。

进一步地，探测器为强度探测器、平衡探测器或干涉探测系统。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提供的用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统，基于声光衍射和4f成像原理。被声光衍射的激发光经过4f系统后在待测位置干涉形成阵列线源，该阵列线源的周期与声光晶体中超声周期成正比(比例因子为4f系统放大倍率)，通过调控声光晶体中超声波长可实现激光阵列线源周期连续可调。

2、本发明提供的用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统，基于声光衍射和4f成像原理，可以实现同轴超声激发与检测。激发光和探测光同轴入射声光晶体，被声光衍射的激发光在待测样品表面干涉诱导瞬态光栅，同轴入射的探测光被表面瞬态光栅衍射，衍射出的探测光携带了样品超声响应信息，返回4f系统后被分离检出，超声的激发和探测经过同一个4f系统完成，实现同轴激发与检测。

3、本发明提供的用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统成本低，结构紧凑，有利于实现自动化扫描检测。

附图说明

图1为本发明基于声光衍射的周期可调同轴激光超声检测光学系统示意图；

附图标记：

1-第一反射镜、2-合束镜、3-超声驱动源、4-声光晶体、5-小孔光阑、6-遮挡光阑、7-第一透镜、8-第二透镜、9-中性密度滤光片、10-第二反射镜、11-第三反射镜、12-待测样品、13-探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的用于周期可调同轴激光超声检测的光学系统，包括第一反射镜1、合束镜2、超声驱动源3、声光晶体4、小孔光阑5、遮挡光阑6、第一透镜7、第二透镜8、中性密度滤光片9、第二反射镜10、第三反射镜11、待测样品12以及探测器13。

第一反射镜1为针对激发光的光学反射镜，第一反射镜1设置在激发光的光路上，激发光经第一反射镜1反射后，入射至合束镜2；合束镜2设置在探测光的光路上，用于将激发光与探测光同轴合束；合束后的激发光与探测光沿光学系统光轴方向入射到被超声驱动源3调制的声光晶体4上，超声驱动源3产生的超声在声光晶体4中形成周期性的折射率调制，经折射率调制的声光晶体4使入射的激发光与探测光发生在衍射。

在声光晶体4的衍射光路上设有1个小孔光阑5和1个遮挡光阑6，分别用于遮挡±2级及以上的高阶衍射光和0级衍射光，只保留衍射光中激发光和探测光的±1级光。空间选通后的±1级激发光和探测光入射至依次设置的第一透镜7和第二透镜8组成的4f系统。

声光晶体4位于第一透镜7的前焦点处，待测样品12设置在第二透镜8的后焦点处，透射光中的±1级的激发光在待测样品12表面干涉，干涉形成的干涉亮条纹即激光阵列线源，在待测样品12表面诱导出瞬态光栅并激发超声；同时，同轴入射的一束±1级探测光在被样品12表面瞬态光栅衍射，衍射的探测光携带了待测样品12的超声响应信息。

携带了待测样品12的超声响应信息的探测光反射后，经第二透镜8收集返回4f系统并被第三反射镜11反射至设在第一透镜7和第二透镜8之间的探测器13。

另一束±1级探测光作为参考光经过第一透镜7后入射至依次设置的中性密度滤光片9和第二反射镜10，经第二反射镜10反射后入射至探测器13。参考光与被待测样品12表面瞬态光栅衍射的探测光同时入射探测器13，用于相干检测或差分放大。

探测器13接收到同时入射的携带了待测样品12的超声响应信息的探测光和参考光，通过平衡探测或干涉探测检出信号光携带的超声信息。该光学系统中，超声的激发和探测经过同一个4f系统完成，周期可调实现同轴激光超声检测。

实施例中，声光晶体4中声光衍射根据声光相互作用条件的不同，如长度不同、超声波的频率不同，可为拉曼纳斯衍射或布拉格衍射。

小孔光阑5和遮挡光阑6只是起到空间选通±1级光，遮挡其他级次光的作用，可为“两孔”型或“两缝”型等其他定制光阑，结构不限。

入射到4f系统的激发光和探测光±1级可根据实际声光衍射类型和空间选通为其他级次衍射光，例如遮挡衍射光的其他级次，只保留激发光与探测光的±2级入射4f系统。

第一透镜7和第二透镜8组成的4f系统，可根据实际应用选用不同焦距的透镜组合，也可为其他等价的放大或缩小光学成像系统，系统放大倍率可大于、小于或等于1。

中性密度滤光片9为针对探测光的中性密度滤光片，用于衰减调节参考光的光强，提高探测器13平衡探测或干涉探测的灵敏度和信噪比。

探测器13可根据实际探测需要为强度探测器、平衡探测器或干涉探测系统等。

本实施例中，被声光衍射的激发光±1级经4f系统后在待测位置干涉形成阵列线源，该阵列线源的周期与声光晶体中超声周期成正比(比例因子为4f系统放大倍率)：

其中，T

因此在不改变光学系统元件和结构的情况下，通过超声驱动源3调控注入到声光晶体4中的超声周期，可实现激光阵列线源周期的连续可调。

激发光和探测光同轴入射声光晶体，被声光衍射的激发光在待测样品表面干涉诱导瞬态光栅，同轴入射的探测光被表面瞬态光栅衍射，衍射出的探测光携带了样品超声响应信息，返回4f系统后被分离检出，超声的激发和探测经过同一个4f系统完成，实现同轴激发与检测。

最后应说明的是：以上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技术方案的范围。