共焦法布里-珀罗干涉仪灵敏度和稳定性研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.05.016 第23卷第5期 北京科技大学学报 VoL.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 共焦法布里一珀罗干涉仪灵敏度 和稳定性研究 丁红胜2)童莉葛》尹红2)龚育良2) 1)中国科学院低温中心，北京1000802)北京科技大学物理系，北京1000833北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要共焦法布里一珀罗干涉仪(Confocal Fabry-Perot Interferometer,CFPI)是用光学方法探 测固体表面超声振动的解调器件，它的灵敏度和稳定性决定了整个系统的灵敏度和稳定性.通 过使用干涉仪的共轭输出光，使系统探测超声振动的灵敏度可提高至少2倍；同时详细给出通 过干涉环来粗调干涉仪的共焦点，并提出使用单片机(MCS一51)反馈控制系统来稳定最佳工作 点的方法.利用该系统实现了对铝样品表面压电超声振动的检测，得到了较好的实验结果， 关健闻共焦法布里一珀罗干涉仪；超声振动探测：灵敏度：稳定性 分类号TB551:0434.12:04215 在材料科学和无损检测领域，利用光学方 频率的漂移都将使干涉仪偏离它的最佳工作 法非接触地接收或探测超声振动具有很高的实 点，这样将使得它的灵敏度降低或者不能稳定 用价值，近年来取得了相当的进展. 工作.在国外类似的系统中，只有透射光被用 在这种光学检测中共焦法布里一珀罗干涉 来作检测光，而反射光未被采用.理论和实验证 仪是一种解调器件，它是整个检测系统的关键， 明啊，反射光也可以用来作为探测光，此外，他们 图1是共焦法布里一珀罗干涉仪的解调原理. 采用的控制系统为硬件比较电路，在这种控制 系统中，半峰值参考电压是预先设定好的，在整 响应 透射峰曲线 个检测过程中一直不变.事实上在有外界环境 干扰时，系统的半峰值电压是会发生变化的，所 以这种假定半峰值电压不变的控制方法有时容 易引起控制误差，从而降低系统的灵敏度和稳 定性，特别是系统在长时间运行的情况下.为了 使系统具有较高的灵敏度和稳定性，我们设计 光频 了一套新的光学系统，利用了共轭输出（透射和 多普勒频移 反射)光，它比只用透射光的系统灵敏度要高出 图1共焦法布里一珀罗干涉仪的解调原理 至少2倍，采用了单片微机(MCS51)反馈控制 Fig.1 The principle of CFPI demodulation 系统，比只用硬件比例控制具有更强的实时性 图1中透射峰是其典型的响应曲线，在理 和可靠性，而且利用此系统成功地实现了对铝 想情况下，要求多普勒频移处在响应曲线的峰 表面压电超声振动的探测 腰（最佳工作点）处，此时响应最大，也就是干涉 仪的解调灵敏度最高.很明显，如果能使干涉仪 1共轭分析、调焦方法与最佳工作点 的透射峰曲线越陡，则其灵敏度越高.另一方 的控制 面，共焦法布里一珀罗干涉仪是一种非常灵敏 的光学探测系统，其腔长的微小变化或者激光 设计了一套共焦法布里一珀罗干涉仪，它 的一球面镜与一压电陶瓷管连成一体，压电陶 收稿日期2001-01-12丁红胜男，31岁，讲师 瓷管的电致伸缩带动球面镜前后移动可以改变 腔长.该干涉仪的共焦腔长为298mm,自由光

第 ￾ 卷 第 ￾期 ￾￾￾年 ￾￾月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾件￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾恤￾ ￾匕￾￾￾ ￾￾ 一￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ 共焦法布里 一 拍罗干涉仪灵敏度 和稳定性研究 丁 红胜 ‘，￾ 童莉葛 ” 尹 红 ” 龚育良 ￾， ￾￾中国科学院低温中心 ， 北京 ￾￾￾￾￾￾ ￾￾北京科技大学物理系 ， 北京 ￾￾￾￾￾￾ ￾￾北京科技大学机械工程学院 ， 北京 ￾￾￾￾￾￾ 摘 要 共焦法 布里一拍罗 干涉仪￾￾￾￾￾ ￾￾￾砂 一 ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ， ￾￾￾ ￾是用光学方法探 测 固体表面超声振动 的解调 器件 ， 它的灵敏度 和稳定性决定 了整个系统的灵 敏度 和稳定性 ￾ 通 过使用干涉仪的共扼输 出光 ， 使系统探测 超声振动的灵敏度 可 提高至 少 ￾倍 ￾同时详细给 出通 过干涉环来粗调 干涉仪的共焦点 ， 并提出使用单片机￾￾￾￾一 ￾￾反馈控制系统来稳定最佳工作 点的方法 ￾ 利用该系统实现 了对铝样 品表面压 电超声振动 的检测 ， 得到了较好的实验结果 ￾ 关挂词 共焦法布里 一 拍罗 干 涉仪 ￾ 超声振 动探测 ￾ 灵 敏度 ￾稳定性 分类号 ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾ ￾ 在材料科学和 无损检测 领 域 ， 利用 光学 方 法非接触地接收或探测超声振动具有很高的实 用价值 ‘一￾ ， 近 年来取得 了相 当的进展 ￾ 在这种光学检测 中共焦法 布里 一 拍罗 干 涉 仪是一种解调器件 ， 它是整个检测 系统 的关键 ， 图 ￾是共焦法布里 一 拍罗 干涉仪的解调 原理 ￾ 一 ￾ 关… 二夕￾￾ ￾岌 光频 多普勒频移 又￾ 圈 ￾ 共焦 法布里 一 拍罗 千 涉仪 的解调 原 理 ￾褚 · ￾ ￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ 图 ￾中透射峰是其典型 的响应 曲线 ， 在理 想情况下 ， 要 求多普勒频移处 在响应 曲线 的峰 腰￾最佳工作点 ￾处 ， 此时响应最大 ， 也就是干 涉 仪的解调灵敏度最 高 ￾ 很 明显 ， 如果能使干 涉仪 的透射峰 曲线越 陡 ， 则 其灵 敏度越 高 ￾ 另 一 方 面 ， 共焦 法布里 一 拍罗 干 涉仪是 一种 非 常灵 敏 的光学探测 系统 ， 其腔 长 的微小变化或者激光 频 率 的漂 移 都将 使 干 涉 仪偏 离 它 的最 佳 工 作 点 ， 这样将使得它 的灵敏度 降低 或者不 能稳定 工作 ￾ 在 国外类似的 系统 中‘￾，’ ， 只有透射光被用 来作检测光 ， 而 反射光未被 采用 ￾ 理论和 实验证 明「￾ ， 反 射光也可 以用 来作为探测光 ， 此外 ， 他们 采用 的控制系统为硬件 比较 电路 ， 在这种 控 制 系统 中 ， 半峰值参考 电压 是 预先设定好的 ， 在整 个检测 过 程 中一 直不 变 ￾ 事实上 在有外界 环境 干 扰时 ， 系统 的半 峰值 电压是会发生 变化的 ， 所 以这种 假定 半峰值 电压 不 变 的控制方法有时容 易 引起控制误差 ， 从而 降低 系统 的灵 敏度和 稳 定性 ， 特别是系统在长时 间运行 的情况 下 ￾ 为 了 使系统具有 较 高的灵 敏度 和稳定性 ， 我们设计 了一套新 的光学 系统 ， 利用 了共辘输 出￾透射和 反 射 ￾光 ， 它 比只用透射光 的系统灵敏度要高出 至 少 ￾倍 ， 采用 了单片微机 ￾￾￾￾￾￾ 反 馈控制 系统 ， 比 只用 硬件 比例控 制具有更强 的实时性 和 可 靠性 ， 而 且 利用 此系统成功地 实现 了对铝 表面 压 电超声振动 的探测 ￾ 收稿 日期 ￾￾￾刁 ￾一 ￾ 丁红胜 男 ￾ ￾ 岁 ， 讲师 ￾ 共辘分析 、 调焦方法与最佳工作点 的控制 设计 了一套共焦 法 布里 一 拍 罗 干 涉仪 ， 它 的一球 面镜与一压 电 陶瓷管连成一体 ， 压 电陶 瓷管的 电致伸缩带动球面镜前后 移动可 以改 变 腔 长 ￾ 该干 涉仪 的共焦 腔长为 ￾￾ ￾￾￾。， 自由光 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００１．０５．０１６

·446。 北京科技大学学报 2001年第5期 谱范围为251MHz,最小可分辨频率为6.5MHz, 以得到共轭峰的输出；很明显，如果反射光和透 精细度为38.5，镜面反射率为98%.图2为千涉 射光的强度相同，那么共轭峰的高度将是透射 仪的原理结构简图，O,和O分别为球面镜M, 峰的2倍，这样干涉仪在解调时，它的解调灵敏 M M: 度提高至少2倍. 在进行样品表面的压电超声振动检测时， 入射光· 设计了如图4所示的系统.稳频激光器是功率 陶瓷管 为0.5mW的单纵模He-Ne激光器，它输出的 反射光 透射光 激光先由分光片BS1分为两束，一束经过BS2, CFPL,PBS3和L用来控制干涉仪的工作点，可 以称之为控制光，它不受超声振动的影响；另一 图2共焦法布里一珀罗干涉仪结构原理简图 束光用于探测超声振动，可以称之为检测光，检 Fig.2 Schematic diagram of CFPI structure and ray path 测光通过半波片之后偏振性发生变化，并通过 和M的球心，两球心之间的距离为d,d即为干 PBS1和透镜组聚焦于作过刨光处理的样品表 涉仪的共焦腔长.入射光进入干涉仪之后形成 面，该样品表面对光具有较好的反射性.1/4波 “8”字形回路，有透射光和反射光输出，透射光 片能确保背反射光的偏振性与原入射光的偏性 和反射光互为共轭光，反应在其透射峰曲线上 垂直.这样背反射光经过透镜组、PBS1和PBS2 是二者位相相反，如图3所示.如果同时利用反 进人干涉仪腔形成干涉.如果样品中存在超声 射光和透射光，使它们光电输出反相叠加就可 波，探测光就会被样品表面的超声振动调制，调 制光经过干涉仪后就会被解调，由频率调制变 反射峰 为幅度调制.图4中从干涉仪输出的透射光和 反射光（均为幅度调制光）分别由PN1和PN2 来接收，二者反向叠加后经放大和滤波处理，就 共轭峰 可以从示波器上得到与超声振动有关的信息. 一般来说，在该系统正式进行超声振动探 测之前，要将共焦法布里一珀罗干涉仪的的腔 长调到其共焦的位置，这可以通过粗调（手调） 透射峰 和细调（压电陶瓷管）来实现.在干涉仪不共焦 时，如图5所示，假定有一个小的偏移（ε远远小 图3共轭分析 于干涉仪的共焦腔长d),那么一束光经过图中 Fig3 Conjugate analysis 的一次“8”字回路之后，超过相应的近轴光程4 0i件平 BS 稳频激光器 PBS3 BS2 QW2 PIN3 单片机控制系统 信号反向叠加 滤波与放大 示波器显示 图4检测样品表面压电超声振动的实验设计图.L~L,为透镜，QW1~2为14波片，W为半波片，PN1~3为光 电管，PBS13为偏振分光镜，PZT为压电陶瓷管推进器，BS1~2为分光片 Fig.4 L1~L5-lenses;QW1~2-quarter-wave plate;HW-half-wave plate;PIN-photodiode;PBS-polarizing beam-splitter; PZT-piezoelectric actuator;BS-beam splitter;CFPI-Confocal Fabry-Perot Interferometer

一 ￾￾￾ ￾ 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾￾￾年 第 ￾期 谱范 围为 ￾ ￾￾￾￾ ， 最小可分辨频率为 ￾￾￾￾￾ ， 精细度 为 ￾ ￾ ￾ ， 镜面反 射率为 ￾￾￾ ￾ 图 ￾为干 涉 仪的原理结构简 图 ， 口 ， 和 认 分别为球 面镜 ￾ ￾ ￾ ， 从 入射光 陶瓷管 反射光 透射光 卜一 一一州 图 ￾ 共焦 法 布里 一 拍罗 干涉仪结构原 理简图 ￾论 ￾ ￾￾￾￾￾口￾血 ￾抽￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾碑 ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ 和 从 的球心 ， 两球心之 间的距离为 ￾ ， ￾即 为干 涉仪 的共焦 腔长 ￾ 人射光进 人干 涉仪之后 形 成 “￾’ 字形 回路 ， 有透射光和 反 射光输 出 ， 透射光 和反射光互为共扼光￾ ， 反应在其透射峰 曲线上 是二者位相相 反 ， 如 图 ￾所示 ￾ 如果 同时利用 反 射光和透射光 ， 使它们光 电输 出反相叠加就可 ‘ ￾一￾￾知 反射峰 共扼峰 透射峰 · ￾ 口 ￾、 ￾￾ 「 图 ￾ 共扼分析 ￾褚￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾，￾， 以得到共扼峰的输 出 ￾很 明显 ， 如果反射光 和 透 射光 的强 度 相 同 ， 那 么 共扼峰 的高度将是 透射 峰的 ￾倍 ， 这样干 涉仪在解调时 ， 它 的解调灵 敏 度提高至 少 ￾倍 ￾ 在进行样 品表面 的压 电超声振动检测 时 ， 设计 了如 图 ￾所 示 的 系统 ￾ 稳频激光器是 功率 为 ￾￾ ￾￾ 的单纵模 ￾￾一￾￾ 激光器 ， 它输 出的 激光先 由分光 片 ￾￾ 分为两 束 ， 一 束经 过 ￾￾￾， ￾￾￾ ， ￾￾￾ 和 ￾ ￾ 用来控制干涉仪 的工作点 ， 可 以称之为控制光 ， 它不受超声振动 的影 响￾另一 束光用 于探测超声振动 ， 可 以称之 为检测光 ， 检 测 光通 过 半波 片之后偏振性发 生 变化 ， 并通 过 ￾￾ 和 透镜组 聚焦 于 作过 刨光处 理 的样 品表 面 ， 该样 品 表面 对光具有较好 的反射性 ￾ ￾￾ 波 片能确保背反射光 的偏振性 与原人射光 的偏性 垂直 ￾ 这样背反 射光经过透镜组 、 ￾￾￾ 和 ￾￾￾ 进人 干 涉 仪腔形 成干 涉 ￾ 如果样 品 中存在超声 波 ， 探测 光就会被样 品表面 的超声振动调制 ， 调 制光经过 干涉仪后 就会被解 调 ， 由频率调 制变 为幅度调 制 ￾ 图 ￾ 中从干 涉仪输 出的透射光和 反射光￾均为幅度调制光 ￾分别 由 ￾￾ ￾和 ￾￾￾ 来接收 ， 二者反 向叠加后经放大和滤波处理 ， 就 可 以从示 波器上 得到 与超声振动有关 的信息 ￾ 一般来说 ， 在该系统正 式进 行超声振 动探 测 之前 ， 要将共焦 法 布里 一 拍罗 干 涉仪 的 的腔 长调 到其共焦 的位 置 ， 这可 以 通 过 粗调 ￾手调 ￾ 和 细调 ￾压 电 陶瓷管 ￾来 实现 ￾ 在 干 涉仪不 共焦 时 ， 如 图 ￾所示 ， 假定 有一个小 的偏移找。远远 小 于 干 涉仪的共焦腔长￾ ， 那 么 一 束光 经过 图 中 的一 次 ‘，￾’ ’ 字 回路之后 ， 超过 相应 的近 轴光程 ￾ · 伽 门 尺 门 冈 单片机控制系统 滤波与放大 示波器显示 钾戴串提田 ￾】￾ ￾ 圈 ￾ ￾褚 ￾ ￾ 检测 样品 裹面压 电超声振动 的实脸设计 图 ￾ ￾￾￾甄 为透镜 ，￾￾￾￾ 为 ￾￾ 波片 ，￾￾ 为 半波片 ，￾￾￾￾ 为 光 电管 ，￾￾￾弓 为偏振分光镜 ，￾￾￾ 为压 电陶瓷管推进器 ，￾￾￾以 为分光 片 ￾￾￾￾ 一￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾闷￾￾￾￾￾·￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾、￾一￾￾￾￾￾￾￾ 川￾￾￾￾￾￾ 一￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ 一 卯肠￾￾￾￾￾￾ ·￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ 一￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾即￾一￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ 一￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾

VoL23 No.5 丁红胜等：共焦法布里一珀罗干涉仪灵敏度和稳定性研究 ·447· (dhe)的值为： 了使系统能长时间稳定地工作在其最佳工作 △(p)≈p1df+4ep21d (1) 点，设计了一套单片机反馈控制系统来自动调 整加在压电陶瓷管上的电压，由于压电陶瓷管 与一球面镜固定在一起，所以电压改变引起压 电陶瓷管伸缩就能改变腔长.首先，单片机产生 锯齿波电压加在压电陶瓷管上，腔长的连续变 d+e 化会使干涉仪产生一系列的的透射峰（如图8 图5共焦法布里一珀罗干涉仪近轴近似的光路分析 所示)，此时单片机就自动地采集透射峰的半峰 Fig.5 Ray path in CFPI in paraxial approximation 这里，p是共焦法布里一珀罗干涉仪中心平面P 点离中心线的高度.当△(p)满足△(o)=ml时，m 是正的或负的整数，它表示干涉环的级次，入为 入射光的波长.如果在d和1已知的情况下，由式 (1)可以绘出干涉环半径与离共焦位置的偏差 值ε之间的关系图（如图6所示）.很明显，当ε的 0.81 1=632.8m 图8单片机在寻找最佳工作点电压时加在PZT上的锯 d=29.8cm 齿波电压和相应的共轭峰曲线 干涉环级次 Fig.8 The transmission peak and voltage waveform con- nected to PZT 弟0.2 值电压值，为了保证控制电压具有调节余量，一 中心环 般我们将中间透射峰的半峰值点所对应的锯齿 4” 0.060.04-0.0200.020.040.060.08 波电压值作为初始电压设定值，如图8中a点 偏离共焦位置的距离ecm (半峰值电压)所对应的b点（锯齿波电压值）. 图6共焦位置附近干涉环的状态分析 选定好半峰值电压值和初始电压设定值存于 Fig.6 Near confocal FPI fringe patterns RAM之中，之后，单片机就会不断地检测图4 绝对值减小，即向着共焦的方向移动时，可视环 中PN3的电压输出，并将此输出与a点值比较， 的数目逐渐变少，并且同一级次的干涉环的半 如果二者不等，就适当调整b点值，直到二者相 径增大，干涉环的间距变疏.图7给出了干涉在 等为止. 粗调的过程当中，干涉环的连续变化情况.通过 采用软件控制的方法不仅灵活，而且能够 观察干涉环的方法，很容易实现将干涉调整到 满足实时控制的要求，特别是当外界环境干扰 接近共焦的位置，一般来说视场中的干涉环数 比较大时，这种控制方法很有效因为每隔一段 目越少越接近共焦位置. 时间，单片机会自动重新检测半峰值电压值及 当干涉仪处于共焦位置时，系统可以工作， 其对应的控制参考值，以减小控制误差 但是外界环境的干扰总要影响系统的稳定性， 比如振动引起腔长变化，激光颗率的漂移都会 2结果与讨论 使系统偏离最佳工作点而导致灵敏度降低.为 利用此系统对铝表面的超声振动动进行了 探测，超声波由普通的压电探头产生.图9是探 测到的压电超声振动波形.图9b)是图9(a)的 放大图形.如果根据声波传递衰减函数M=M exp(-t/t),可以得出t6=(51±3)s,这里M是 图7当共焦法干涉仪向共焦位置调整时的干涉图样 -0时的振幅. Fig.7 Typical fringe patterns when mirror spacing of 只要将此系统的压电探头激励源换成高能 CFPI is manually adjusted toward the confocal position 脉冲激光器就能进行完全非接触式的光学超声

·448· 北京科技大学学报 2001年第5期 Properties,Pechanisms and Multifarious Application. Appl Phys,1993,26:329 2 Scruby C B.Some Application of Laser Ultrasound.Ul- trasonics,.1989,27(7):195 V:0.tV/diy X:0.2m/divY:0.05v/div X:50us div 3 Hoyes J B,Shan Q,Dewhurst R J.A Non-contact Scan- ning System for Laser Ultrasonic Defect Imaging.Meas 图9铝样品表面的压电超声振动波形 Sci Technol,1991(2):628 Fig.9 Ultrasonic waveform on aluminum surface excited 4 Monchalin JP,Heon R.Laser Ultrasonic Generation and by piezoelectric transducer Optical Detection with a Confocal Fabry-Perot Interfer- 检测，因为高能脉冲激光打在样品表面，由于热 ometer.Materials Evaluation,1986,44(9):1231 激励效应，就会在样品内产生超声波，这样系统 5丁红胜，谭中慧，龚育良。共焦法布里一珀罗干涉仪 的共轭分析.北京科技大学学报，1998,20(6)：590 就充分利用了激光超声的优点，从而使其转化 6 Hercher M.The Spherical Mirror Fabry-Perot Interfer- 为实际的工业应用成为可能。 ometer.Applied Optics,1968,7(5):951 参考文献 I Daviest SJ,Edwards C.Laser-generated Ultrasound:Its Methods to Improve the Sensitivity and Stability of CFPI for Surface Ultrasonic Vibration Detection DING Hongsheng2,TONG Lige,GONG Yuliang? 1)Cryogenic Center,Chinese Academy of Science,Beijing 100080 2)Department of Physics,UST Beijing,Beijing 100083 3)Mechanical Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083 ABSTRACT Confocal Fabry-Perot Interferometer(CFPI)is the demodulation device for surface ultrasonic vibration detection.Its sensitivity and stability play very important roles in whole system.In this paper,a new detection system is introduced.By using both conjugate rays,the system sensitivity is doubled.Moreover,a single chip microcomputer(MCS-51)feedback control loop is applied to stabilize the working point at opti- mum position.The system has performed in detecting piezoelectric ultrasonic on surface of an aluminum sam- ple. KEY WORDS Confocal Fabry-Perot Interferometer(CFPI);ultrasonic vibration detection;sensitivity; Stability