（光学工程专业论文）基于光纤干涉仪的激光超声检测研究.pdf

中文摘要 摘要：光纤干涉仪具有体积小、重量轻、结构紧凑及灵敏度高等特点，非常适合 于激光超声传感领域应用，但环境因素产生的两干涉光路相位和偏振不稳定，影 响光纤迈克耳逊干涉仪的实际应用，因此，解决光纤迈克耳逊干涉仪的稳定问题 就成为了光纤激光超声传感研究中的关键问题。 传统光纤迈克耳逊干涉仪多使用2 x 2 光纤耦合器，本文研制出一种基于3 x 3 光纤耦合器的光纤迈克耳逊干涉仪新结构，以便于同时进行信号的提取与系统的 稳定。本文首先从理论上详尽分析该干涉仪与传统光纤迈克耳逊干涉仪相比的结 构优势，然后，进行光源的设计与制作，以及主动伺服系统的制作和调试。另外， 本文还提出了一种压电陶瓷相移系数测量的新方法，与传统理论计算法和光强测 定法相比，结果更为准确，并对主动伺服系统所用到的压电陶瓷相移系数进行了 实际测量。最后，使用基于3 x 3 光纤耦合器的光纤迈克耳逊干涉仪对连续及脉冲 的超声振动进行检测，实验结果表明该光纤超声传感系统能够很好地检测连续与 脉冲超声振动信号。 关键词：光纤迈克耳逊干涉仪；激光超声；3 x 3 光纤耦合器；主动伺服系统；压电 陶瓷相移系数 分类号：t n 2 4 7 ；t n 2 j b 立銮通厶堂亟堂焦论塞 旦一工_ j l 尘u a b s t r a c t a b s t r a c t ：f i b e ri n t e r f e r o m e t e r i s c o m p a t i b l e t ob eu s e di nl a s e ru l t r a s o u n d d e t e c t i o na si ti ss m a l lv o l u m e ，l o ww e i g h t ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n dh i g hs e n s i t i v i t y h o w e v e r , a n yu n s t e a d i n e s so fp h a s ea n dp o l a r i z a t i o no ft h el i g h t c o u l db r i n gt h e u n s t e a d i n e s so ft h ei n t e r f e r o m e t e r d u et oe n v k o n m e n tf a c t o r s s ok e e pt h e i n t e r f e r o m e t e rs t e a d yi si nac r i t i c a lp o s i t i o ni nt h ef i e l do fl a s e ru l t r a s o u n dd e t e c t i o n w i t hf i b r em i c h e i s o ni n t e r f e r o m e t e r t r a d i t i o n a lf i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ru s e dt o2 x 2c o u p l e r ，t h ef e a s i b i l i t yo fl a s e r u l t r a s o u n d s t a b l yd e t e c t i n g w a sd e m o n s t r a t e db yan e wt y p ef i b e rm i c h e l s o n i n t e r f e r o m e t e rw i t h3 x 3c o u p l e ri nt h i sp a p e r f i r s t l yt h ea d v a n t a g e si sd i s c u s s e d a n d t h e nt h ed e s i g na n de x e c u t i o nw e r ei n t r o d u c e do ft h el a s e ra n dt h es e r v o m o c h a n i s m u s e di nt h i se x l m i m e m a n dan e wm e t h o dw a sb r o u g h tf o r w a r dt om e a s u r ep h a s e - s h i f t o fm ep i e z o e l e c t r i cp h a s em o d u l a t o r , w h i c hi sm o r ee x a c t l ya n da b l et o r e i t e r a t e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s a ne x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d , a n da p h a s e s h i f tc o e f f i c i e n tw a sg o t t e no fo n e k i n do fp z tu s e di nt h es e r v o m e c h a n i s mo f f i b e rm i c h e l s o ni n t e f f e r o m e t e r a tl a s t ，u l t r a s o u n dv i b r a t i o nd e t e c t i o ne x p e r i m e n tw a s d e m o n s t r a t e db yt h ef i b e rm i e h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rw i t h3 x 3c o u p l e r , t h er e s u l t ss h o w s t h a t ，t h en e wi n t e r f e r o m e t e ri sa b l et od e t e c tc w a n dp u l s eu l t r a s o u n dv i b r a t i o nw e l l k e y w o r b s ：f i b e ro p t i cm i c h e l 裂3 ni n t e r f e r o m e t e r ；l a s e ru l t r a s o u n d ；3 x 3c o u p l e r ； s e r v o m e c h a n i s m ；p h a s e s h i f tc o e f f i c i e n to f p z t c l a s s n o ：t n 2 4 7 ；t n 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 j b 立銮亟左堂亟堂焦迨塞独剑丝童明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 在本论文即将完成之际，我也将告别硕士研究生这段令我难忘的岁月。本论 文的工作是在我的导师盛新志教授和吴重庆教授的悉心指导下完成的，两位教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 半来盛新志老师和吴重庆老师对我的关心和指导。 盛新志教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，而且不但在学习上关心 我，而且在生活上也都给予了我很大的关心和帮助，在此向盛新志老师表示衷心 的谢意。 王智教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，衷心感谢王拥军博士、程木博士、魏斌博士、 李政勇博士、田昌勇博士，他们严谨的治学态度、孜孜不倦的求是精神已潜移默 化的影响了我，鞭策着我在未来的人生之路上要不断进取；感谢已毕业的黄涛、 季江辉、刘晓东、王丹、刘琦、王辉、李赞、刘衍飞师哥和师姐们曾给予我的在 学习和生活上的帮助；感谢赵爽、彭鹏、杨双收、王亚平、高凯强、赵阳，与他 们两年半朝夕相处的日子是我一生的精神财富。感谢张立军、余贶碌、冯震、孟 庆文等师弟师妹，在与他们相处的一年里，我感受到了兄弟姐妹般的关怀，让我 沐浴在家庭般温馨的环境中学习生活。 另外也感谢我的家人，虽然他们不在我的身边，但正是他们的理解和支持使 我能够在学校专心完成我的学业。 最后，感谢所有曾经关心和帮助过我的朋友! i e塞奎煎盔堂亟堂僮 j 盆 塞i l直 1 引言 随着近代科学技术的发展，超声检测已经成为了一种重要的检测手段，而光 纤传感又因为其各种优势得到了很大发展，作为将超声检测和光纤传感结合起来 的光纤激光超声传感技术就有着更为广泛的应用前景 1 1 课题提出的背景及意义 激光超声学是超声学与激光和传感技术结合形成的新兴交叉学科，涉及光学、 声学、电学、材料学等学科近年来己发展成为超声学的一个重要分支。 激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，在时问上具有与 冲击函数6 ( t ) 和阶跃函数h ( t ) 很相似的特性。而且，激光超声的产生不仅与激光 脉冲的时间和空间特性有关，还与材料本身的光学、热学、力学等特性有关。因 此，激光超声技术在超声传播特性研究和村科无损评估方面有着非常广阔的应用 前景。 光纤传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高等特点，在近些年也得到迅速的 发展。由于在材料表面或内部存在的超声波振动的振幅一般很小，所以光纤传感 器灵敏度高的特点可以很好地应用于激光超声技术。 1 1 1 超声检测 广义的讲，超声检测包括超声工业检测和超声医学诊断。超声工业检测包括 超声工业检验和超声工业测量两个方面。声波传输时，能量和声速会因与材料媒 介作用发生变化。通过对能量衰减和声速变化的测定，可确定材料的一些基本物 理参数。超声检测就是利用超声波在物质中或表面传播时能量和声速变化，以及 在界面处反射、折射、衍射和波型转换等现象，来判断物质特性的一种无损检测 方法。超声工业检验利用待测的与介质和状态有关的非声学量( 如液体的密度、 浓度、粘度、流量，液位和固体的致密度、晶粒度和球化旅、弹性、硬度、粘结 强度、厚度、应力以及温度等) 与某些描述介质声学特性的超声量( 如声速、衰 减、声阻抗等) 之间存在的关系，进行介质和部件内部缺陷的探测，包括金属与 非金属原材料内部缺陷的探测，粘结或焊接缺陷的探测和地层缺陷的探狠0 ，通常 称为超声无损检测。 超声无损检测的检测方法很多，常用的有接触式和非接触式两类。接触式采 j b基銮垣占堂 亟 堂 位 迨 塞 i l壹 用压电换能器进行检测，常用的压电换能器由压电陶瓷( p z t ) 、压电品体( 石英) 、 l i n d 0 3 、压电薄膜( p v d f ) 和z n o 薄膜等。接触式探测法的灵敏度较高，但带宽有 限，换能器必须紧贴在样品上才能进行检测，通常需要使用耦合剂，无法在高温 高压、易燃易爆、空间受限、强腐蚀等恶劣环境下使用，并且耦合剂也会对检测 结果产生影响【2 圳。 1 1 2 激光起声的优势 与传统的超声换能器技术相比，激光超声是完全非接触检测方法，它利用激 光来产生和检测超声，具有如下优点2 】： ( 1 ) 激光激发和检测超声都是通过光照射样品进行，无需耦合剂，是完全非接 触测量方法。激光的发射和接收系统可放置在远离被测物的地方。它具有可远距 离遥控激发和接收的特点，能够在高温高压、强腐蚀、强辐射等恶劣环境下进行 检测。 ( 2 ) 激光可以一次在被测物中同时激发出纵波、横波、头波和声表面波。而传 统的超声技术每次只能激发一种波形，要激发不同模式的波需要使用不同的换能 器。 ( 3 ) 激光脉宽纳秒、皮秒，甚至飞秒量级，激发的超声也非常窄，即有很宽的 频带。 ( 4 ) 当用宽带接收器作非接触式对心接收激光超声时，可同时接收到纵波和横 波，而一般的传统超声检测方法是做不到的。 ( 5 ) 激光聚焦点非常小( 1 0 p r o ) ，能实现数微米的空间分辨率，有利于精确定 位及尺寸度量【5 j 。 ( 6 ) 激光光源比较灵活，更容易实现点、线、环以及栅状源。 作为开展超声传播的研究和材料特性的无损评估的新兴交叉学科，激光超声 有非常广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 1 9 6 3 年，激光一问世，w h i t e 6 1 和a s h a y a n 7 等人就将其引入光声应用领域。紧 接着，r a m s d b u n k i i l y 和s t 略m a n 观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中 产生的燃烧波，会随时间和距离的增加而衰变成声波。之后，对固体，液体和气 体媒质中激光超声激发的研究均有很大的发展。 1 9 7 6 年，b o n d a r e n k o 等首先把激光超声用于材料检测，用调q 红宝石激光器激 2 j e立童适盘堂亟堂僮逾塞 i i壹 发超声，用带宽为5 k h z 至1 5 0 k h z 位移灵敏度为1 0 - 9 r i m 的干涉仪进行检测。1 9 7 9 年，l e d b c t e r 等最先同时检测到一次激发产生的纵波，横波和表面波。1 9 8 0 和1 9 8 2 年，s c r u b y 和d e w h u r s t 等对金属中激光超声波进行定量测量，并用面内正交力偶模 型解释热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释烧灼条件下的激发现象，为 激光超声的应用技术打下基础。 2 0 世纪8 0 年代中期，加拿大人j e m o n c h a l i n 提出用球面共焦f a b r y - p e r o t = = 涉仪 探测超声振动超声测厚技术，首次实现在l m 远处队为抛光的钢板进行激光超 声实验，向实用化迈出一大步。2 0 世纪9 0 年代中期，y d a g a t a ，j h u a n g ， j d a e h e n b a c h 和k r i s h n a s w a m y 等进行一系列的理论和应用研究工作。 近些年，虽然激光超声机理和技术的研究有更大发展，但由于激光超声的测 量局限性，如对激光超声检测灵敏度的要求逐渐提高，激光超声的发展逐渐慢下 来。 光导纤维不仅可以作为光波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波 的特征参量( 振幅、相位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、 位移等) 的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤作为传感元件来探测各 种物理量。光波长很短，光纤干涉仪的灵敏度非常高，将激光超声和光纤干涉仪 结合起来，激光超声光纤传感系统可大大地提高灵敏度。 虽然光纤传感已经得到很好的发展，但将光纤传感器用于激光超声的检测却 是一个新兴的研究领域，这方面的应用研究还相对较少。目前，已经应用于超声 探测的光纤传感器有各种光纤干涉仪和基于偏振态调制的光纤传感器，还有基于 光偏转法的非功能型光纤传感器。这些技术都还需要不断的发展和完善，并向实 用化、仪器化方向发展峭j 。 1 2 1 激光超声光纤传感的关键问题 激光超声，尤其是光纤传感的激光超声，虽然还未普遍步入实际应用领域，但 却是近年来研究较多发展较快的一项非接触技术。当然，在发展过程中，激光超 声光纤传感器也表现出一定的问题，阻碍其快速发展的主要问题如下： ( 1 ) 信噪比。被测物表面输入干涉仪的光通量越大，检测的信噪比越好。在实 际检测时，工件表面漫反射变化范围大，这对许多领域的推广应用是不利的。 ( 2 ) 稳定性。光纤双折射对外界环境非常敏感，当外界环境有变化时( 如温度、 震动等) ，偏振态和相位极易受到影响，导致干涉不稳定。 1 2 2 研究现状 e立銮堑友堂亟堂僮监塞i i主 迄今为止，国内外已经提出许多激光超声传感器非接触式有光学法和电学 法。电学法采用电容( 电荷) 换能器、电磁声换能器和空气换能器等，这类换能器 有较宽的频带，虽不和试样接触，但必须很接近于试样表面。这里将光学法分为 干涉法和非干涉法分别予以简单介绍。 一非干涉法 非干涉法是利用超声到达样品表面或沿样品表面传播时，样品表面的形状或 反射率的改变，导致反射光的位置或强度变化来实现的，有光衍射技术、光反射 技术和光偏转技术等【9 】。 ( 1 ) 表面栅衍射技术 表面栅衍射技术是把声表面波的位移作为电场振幅来检测，其简单原理见图 1 1 。一束有一定宽度的光束，通常要求有几个声波长宽，垂直投射到受声扰动的 表面上。声扰动有连续的也有调频脉冲。声扰动使表面形成光栅，由于b r a g g 效应 或r a m ：m n a t h 效应，入射光束将发生衍射，出现一级或多级衍射光分布在镜式反 射的零级光的一侧或两侧。通过测量第一级和零级衍射光的相对强度，来计算表 面位移。 ( 2 ) 光反射技术 这也是一种非干涉光检测方法，又称压力反射法。当超声在样品中传播时， 超声应力或应变使样品表面附近的光折射率产生微小的变化，因而会引起光的镜 面或弥散反射率的变化，通过反射率的变化大小进行检测。 图1 1 表面栅衍射技术原理图 样品 换舵嚣晨 图1 2 光反射技术原理图 基片 ( 3 ) 光偏转技术 光偏转法按位置敏感探头的不同又可分为小孔法、刀刃法、差分光纤束法和 平衡接收器法，下面介绍刀刃法，其它方法的原理与此类似。刀刃技术的简单原 理如图1 3 ( a ) 所示。一束激光束被透镜l ，聚焦至一受超声扰动的物体的表面上。受 4 e塞銮适 厶 堂亟 堂位i 金童i l直 超声扰动的表面上有因连续波传播引起的波纹，因脉冲波影响而引起的局部倾斜 ( 隆起) 。当入射于表面的探测光斑的尺寸比要检测的最短声波长小时，由声扰动 导致的表面倾斜会使反射光偏转。偏转的反射光束携带着声脉冲的信息，如图1 3 ( b ) 所示，通过进入检测器的光强的变化可以进行检测。 刀曲 ” 图1 3 f 幻刀口法测超声技术原理r b l 刀口和坐标 从上面三个示例可以看出，非干涉法都是利用光的衍射或反射，测量衍射光 或反射光的光强来测量，检测方法受制于光强接收装置的反应时间和灵敏度，并 不适合对超声振动的检测。 二干涉法 干涉法利用光的干涉原理，基于超声波在被测材料表面传播时声波的位移引 起光束的相位调制或频率调制实现检测。干涉法可以测量声波引起的表面位移( 垂 直于表面或平行于表面的分量) 、表面曲率、表面梯度和表面密度( 对体波而言) 或 表面速度( 对声表面波而言) 的变化。从检测原理上分，有位移敏感型和速度敏感 型两种形式1 9 。“。 速度型干涉仪的检测基础是多普勒效应。如图1 4 所示，共焦法布里一泊罗型 干涉仪具有很窄的频谱透过率，将干涉仪的半透射谱峰调节到激光波长处，当被 测表面有超声振动时，由于多普勒效应，反射光束将发生频移，透过的光波强度 便会有相应变化，实现对超声波的检测。 j e塞銮垣太堂亟 堂位诠塞i i直 位移型干涉仪的设计通常都是基于麦克尔逊干涉仪或者马赫曾德干涉仪 的。如图1 5 所示，探测光射向试件表面，经反射回后与参考光在光电探测器表面 迭加干涉，当超声脉冲到达试件表面时引起表面微小位移，从而改变探测光与参 考光的相对位相，使得输出电信号强度随之变化。当参考光与探测光同频时，称 为自差检测，若在参考光路中引入激光调频器件( 如b r a g g 盒) ，使得参考光频率不 输出 图1 4 利用共焦法布里一泊罗干涉仪探测超声波 同于探测光，称为外差探测。外差探测方法可以容易判定表面的绝对运动方向。 与马赫一曾德干涉仪相比，迈克耳逊干涉仪可以在光路中插入被检测物，更适合 用来进行实际检测。 图1 5 利用麦克尔逊干涉仪探测超声波 1 3 本文的主要工作 6 j e瘟窑适盔堂亟 堂 僮盗塞i l主 本文基于光纤m i c h c l s o n 干涉仪的激光超声传感器为研究对象，作如下工作。 1 在查阅大量文献的基础上，对激光超声光纤传感器的国内外发展现状作较 为全面的了解，明确当前激光超声光纤传感器所面临的关键问题及发展趋向。 2 掌握光纤m i e h e l s o n 干涉仪的结构特点，及其用于激光超声传感器的基本原 理及设计要点。 3 制作实验系统所用的高稳定相干光源，并针对实验中暴露出的问题进行电 路结构改进。 4 实验研究相位、偏振态的稳定方案，进行基于压电陶瓷的主动式自动伺服 系统的研制，提高实验系统的稳定性。并对连续和脉冲两种超声振动进行实验， 得到并分析实验结果。 5 提出一种利用m - z 干涉仪测量压电陶瓷相移常数的新方法，并运用该方法 对实验中用到的压电陶瓷进行测量。 j e 巫銮迪厶堂亟堂位途塞堂堂超主丝红垂直里墅王趁佳盛丕统结捡厦厘堡 2 激光超声光纤迈克耳逊干涉传感系统结构及原理 光纤干涉仪已经广泛地应用于超声检测，干涉仪的种类也很多，原理也各有 不同。这些不同的干涉仪各有各的优点与缺点，适用于不同条件和要求的检测系 统。 2 1 光纤干涉仪 光纤干涉测量技术具有灵敏度高，精度高，安全，抗电磁干扰等优点，在许 多领域中有着广泛的应用前景。因为任何物理量，只要能够转换成光纤的光程差 变化，都可以用光纤干涉仪来测型。2 】。 2 1 1 光纤干涉传感的原理和特点 光纤干涉传感技术的基本原理是：在外界待测量( 如位移、压力等) 的作用 下，引起一臂光程的变化，从而引起光纤干涉仪两干涉臂相位的变化，再通过测 量干涉后光波参数的变化而得到被测物理量的数值。 由于目前的光探测器只能探测光的强度信号【1 ”，而无法直接探测出光的相位 信号。因此，只能把相位的变化信号转化成光强变化信号，而一般光纤传感器无 法完成上述任务。而光纤干涉传感技术可以完成这种转化，因此光纤干涉传感器 就可以对相位变化进行探测。 光纤干涉传感技术主要有以下特点： ( 1 ) 灵敏度高、安全、抗电磁干扰 由于光纤本身的特性，光纤干涉传感安全及抗电磁干扰性能优越【1 4 1 。光波长 几百纳米，它的灵敏度比一般非干涉法的检测要高很多。干涉法是光学中己知最 灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用数米甚至数百米以上的光纤， 使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。据报道，光纤干涉传感技术可以检测1 0 4 3 m 量级的位移i 。 ( 2 ) 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分是由光纤本身构成的，因此探头的几何形状可以 按使用要求而设计成不同形式。 ( 3 ) 对象广泛 不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。目前利 s 峦銮堑厶堂亟堂焦逾塞邀堂趁应当红垄立夏烫王造篮壁丕筮结担厘厦理 用各种类型的光纤干涉仪已经研究成测量压力( 包括水声) 、温度、加速度、电流， 磁场、液体成分等多种物理量的光纤传感器。而且，同一种干涉仪，常常可以对 多种物理量进行传感。 ( 4 ) 可使用特种光纤增强 在光纤干涉仪中，为获得干涉效应，应使同一模式的光叠加，因此要使用单 模光纤。当然，采用多模光纤也可得到一定的干涉图样，但性能下降很多，信号 检测也较困难。为获得最佳干涉效应，两相干光的振动方向必须一致。因此，在 各种光纤干涉仪中最好采用“高双折射”单模光纤。研究表明，光纤的材料，尤 其是护套和外包层的材料对光纤干涉仪的灵敏度影响很大。因此，为使光纤干涉 仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需要对单模光纤进 行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。 2 1 2 光纤干涉仪的分类 根据传统的光学干涉仪原理，光纤干涉仪大致可分为m a c h z e h n d e r 光纤干涉 仪、m i c h c l s o n 光纤干涉仪、s a g n a c 光纤干涉仪及光纤f i z e a u 干涉仪等，并且都已 用于光纤传感，下面分别介绍其原理。 一光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪 光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪( 简称m - z 光纤干涉仪) 是一种分振幅双光路干涉 仪【1 6 】，如图2 1 所示。这种干涉仪的光波是单向传输的，因此没有光返回激光器。 在这一结构中用两只2 x 2 耦合器代替光学干涉仅中的两个分束镜。第一个耦合器 使激光器输出的光束分成两个相等的光束，一束为信号臂，另一束为参考臂。外 界信号作用于信号臂，使信号臂中的光波携带有被测信息。第二个耦合器将两束 光重新耦合，产生于涉效应，并分为两束输出到光探测器p d i 和p d 2 。这种结构 的光纤干涉仪在光纤传感领域得到广泛的应用 信号 图2 1m z 光纤干涉仪原理图 根据双光束相干原理，两个光探测器接收到的光强分别为 ，i = ；厶( 1 + a c o s 以) ) 9 e 巫窑迪厶堂亟堂僮监塞邀堂趁岜堂红堑壶互墅王毖佳蹙丕丝结翅厘丛堡 i ：= l ( 1 一盯c o s 丸) ( 2 2 ) 式中，0 为激光光源发出的光强；a 为耦合系数；以为外界信号引起的相位变 化。 当九= 2 m z 时，为干涉场的极大值。式中朋为干涉级次，且有 m = l ，a ( 2 3 ) 或 n = t a t ( 2 4 ) 因此当外界因素引起相对光程差址或相对光程时延f ，传播的光频率v 或 光波长a 发生变化时，都会使m 发生变化，即引起干涉条纹的移动。由此而感测 相应的物理量。 外界因素( 温度、压力等) 可直接引起干涉仪中的传感臂光纤长度工( 对应于 光纤的弹性形变) 和折射率h ( 对应于光纤的弹光效应) 发生变化。因为 妒= 肚( 2 5 ) 所以 伊= 肚+ a p = 肚丝l + 上等血+ 上望6 d a d ( 2 6 ) 式中卢是光纤的传播常数；l 是光纤的长度；n 是光纤材料的折射率。光纤直 径的变化a d 对应于波导效应。一般a d 引起的相移变化比前两项要小两三个数量 级，可以略去。式( 2 6 ) 是m z 光纤干涉仪等因外界因素引起的相位变化的一般表 达式，该式也适用于下面所提到的m i c h e l s o n 光纤干涉仪。从该干涉仪的结构上也 可以看出，造成干涉的光程差只应来自被测物体的振动，但这是一个双光路干涉 仪，返回探测器的信号又只有一路，这样保证参考臂和信号臂的均不受到外界干 扰或保证两臂所受干扰相同是非常困难的。而信号臂和参考臂受外界干扰所带来 的光程差会给实验结果带来很大的影响，所以该干涉仪易受外界环境干扰而不稳 定。 二光纤m i c h e l s o n 干涉仪 光纤m i c h e l s o n 干涉仪也是一种分振幅双光路干涉仪，原理图如图2 2 所示。 、反射镜 图2 2 光纤m i c h e l s o n 干涉仪原坪 3 d b 耦合器将激光器发出的相干光分成两束，分别经过信号臂光纤和参考臂光纤传 输至光纤端面的反射镜( 相当于一般光学实验中的m i c h e l s o l 3 干涉仪的全反镜) ， o j t 鏖窑堑叁堂亟堂焦迨塞 煎迸趁岂左红重立戛塑王丝焦盛丕筮绪控区愿堡 反射后再返回至耦合器，形成干涉条纹送至探测器检测。当信号臂光纤受到外界 待测场量作用时，其中传输的光波相位发生变化：而参考臂采用适当的措施保持 其中的光相位不变，因此产生相位差，使干涉条纹移动，经探测系统检测和信号 处理后即可解调出与被动测量相关的信息。 与光纤m a t h z e h n d e r 干涉仪相同，此干涉仪传感器也是双光路干涉而只有一 个探测端口，对抗外界环境干扰的能力较差。 三光纤s a g n a c 干涉仪 光纤s a g n a e 干涉仪的结构如图2 3 所示，它也是一种分振幅双光路干涉仪， 激光光源发出的光由耦合器分成两束，进入一个环形光纤线圈( 一匝或多匝) 中 环行。 图2 3 光纤s a g n a c 干涉仪原理示意图 设光纤环半径为r ，有n 个相同的光纤环。光路静止时，顺、逆时针传播的 两列光光程相同。当光路以转数0 转劝则( 0 垂直于环路平面) ，两列光到达探测 器时的光程不同，其光程差为 址= _ 4 n a _ f 1 ( 2 7 ) 相应的相位移为 妒= t 8 z n a f l ( 2 8 ) 式中a 为光纤环所围的面积，c 为光速， 为光波长。因此，利用光的干涉原 理测出后，即能求出转速q 1 1 5 t 7 。该干涉仪能够很好测量被测物体的转速，但 由于其结构限制，无法测量被测物的微小位移及振动。 四光纤f i z e a u 干涉仪 全光纤斐索干涉仪的结构如图2 4 所示。由图可见这是一种非常简单紧凑的形 式，激光器发出的光经过3 ( t 1 3 光纤耦合器后，被分成两路输出。其中的一路既作 为参考臂，又作为信号臂。另一路由于未被使用，为防止对系统的干扰，已被截 去。在参考臂光纤端面和被测物体之间形成一个空气隙，从被测物体表面反射回 来的光( 信号光) 耦合进光纤，并和光纤端面反射的光( 参考光) 发生干涉。这 些光再次经过3 d b 光纤耦合器，最后由p i n 探测器接收。由下图可以看到，该光 e 塞窑适厶堂亟堂焦迨塞邀盘趁岜出红重壹蔓逊王造佳缝丕统结控巫厦堡 纤干涉仪结构为单光路干涉，参考光和信号光都经过同一段光纤，所以这种结构 有很好的抗外界环境干扰的能力。但该系统的缺点的是该干涉仪属于接触测量， 被测物和光纤要连接在一起，这样在很多恶劣的场合无法使用。 图2 4 伞光纤f i z e a u 干涉仅结构示意图 从上面介绍的四种干涉仪及其在超声检测中应用可以看出，m z 光纤干涉仪 用于检测时，信号是加载在一路干涉臂上的，因此必须将信号臂固定于被测物体 上，属于接触式测量；光纤s a g n a c 干涉仪多用于测量角速度、角加速度等物理量， 对振动等小位移变化检测时也需要将光纤环固定于被测物体上；光纤f i z e a u 干涉 仪虽然抗干扰能力较强，但它也存在自身的问题。光纤m i c h e l s o n 干涉仪可以在反 射镜位置上插入被测物体进行检测，为非接触测量，是用来检测物体超声振动的 较好方法。 2 2 激光超声光纤迈克耳逊干涉传感系统 在激光超声光纤干涉仪传感器中，光纤迈克耳逊干涉仪的应用比较广泛。上 面也已经对传统的光纤迈克耳逊干涉仪在超声传感中的应用进行简单的介绍。传 统的光纤迈克耳逊干涉仪使用的是2 x 2 耦合器，如图2 2 所示。参考光和信号光分 2 些立窑适厶堂亟堂鱼诠塞邀蠹超岜盘红垂直里塑王进佳壁丕统结翘丛匾堡 别在参考臂和信号臂光纤中传输。光纤对外界环境的变化是非常敏感的，温度的 变化、任何微小的振动都会影响在光纤中传输的光信号的相位，这样，到达耦合 器的光信号不光带有被测物体造成的相位差，而且还会有对两臂不同的外界干扰 引入的相位差。传统的由2 x 2 耦合器构成的光纤迈克耳逊干涉仪通常都是一端输 出，单端监测，这种监测方式很容易受到噪声和干扰的影响，尤其是电源的共模 干扰最为严重。尽管光电二极管的内阻非常大，但它并不是无限大，所以光电二 极管并不能完全等效为一个电流源，它还应加上一个并联的输出电阻，这个电阻 包括由暗电流形成的部分以及引线处理不好引起的表面爬电等漏电流形成的部 分。当电源线上引入一个共模电压时，就会对输出电压形成一个干扰电压。目前， 即或是性能较好线性电源，纹波电压也在l o m v 左右，严重影响监测效果。而基 于3 x 3 耦合器的迈克耳逊干涉仪，因为其有三个输出端，因此可以运用平衡检测， 这能有效抑制噪声和干扰，特别是共模干扰对检测电路的影响。 本章提出一种基于光纤迈克耳逊干涉的使用3 x 3 光纤耦合器的激光超声传感 器。该传感器与通常使用2 x 2 耦合器的光纤迈克耳逊干涉传感器相比，具有更高 的稳定性。 2 2 i 传感系统原理 该实验装置原理图如图2 9 所示。该系统使用一个3 3 耦合器，这里我们把 入射路径与反射路径分开，左右两侧相当于光路的镜像，这样做是为更好地利用 逛k 1 2 3 2 i , 2 图2 9 实验装置原理图 光学矩阵来分析。原理图中的左侧的耦合器路径是入射路径，右侧耦合器路径是 反射路径，其中4 端口连接反射镜，6 端口为检测端口。激光由1 端口入射，经过 3 x 3 耦合器的光被分为3 路，4 端口出射的光经反射镜反射，作为参考光，从耦合 器4 端处至反射镜处的光纤长度为l i 。由6 端口出射的出射光照射在被测振动物 体上，经反射后的光再由6 端口进入干涉仪，作为信号光。从耦合器6 端口处至 被测物的光纤长度为k 。由于有光纤出射端到被测物体的光程与光纤的光程相比 极短，这里忽略不计。参考光和信号光在耦合器中进行干涉，干涉后的信号由5 、 j e 塞銮堡丕堂亟芏僮迨塞 邀出超生出红重盛里逊王造佳盛丕缝结丝巫厦理 6 端口出射，并由探测器检测。下面使用矩阵来分析该系统的原理。 首先设系统中使用的耦合器端口是一样的，那么输入耦合器的输入矩阵为 其中e 为激光器入射激光的电场 合器后，由4 、5 、6 端口出射的光的电场为 其中为3 x 3 耦合器的光学矩 本实验所用的3 x 3 耦合器的分光比 则把代入式( 2 1 0 ) ( 2 9 ) 的输入输出光的电场。经过3 x 3 耦 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 ：r 。 ( 2 1 2 ) ( 乏) = ( p 2 ：p ：曼岛 ( 乏 = 孚2 j 吗厶( 口三办 。， 式中，2 x 2 矩阵为光纤的传输矩阵，届和属分别为参考臂和信号臂光纤的传输 y = 屈岛一届厶= 妒+ a r( 2 1 4 ) 其中，妒为外界因素( 温度等) 扰动所引起的相位变化，是缓变信号；a r 为 光的电场强度为 出射光的光强为 每矾 警卜纠， 、_= x e o o 口 厂，illl山而，寸湍1 l r j 为 互e 毛e 口 中式 匕 此因讣刊h 口 口 、 口口 ，。l e 压了 = 、， e o o ，j1、， ： 口口 、为 口。口 打了 = 形 n 岬 打l n = 、为仁h 嵯 隅 括了 ， 口盯口，口 础爿滞 样 一 、这、ll、y b 。吩& 怕 b 塞窑垣盔堂亟堂鱼迨塞邀盘趁直发红堑虚夏墅王造佳盛丕缠结翘厘厘堡 = 乓乞= 吾己 + c 。s 2 ( ；+ y ) 一。e 。= 丢只。【1 + c o s 2 7 】 两端1 2 , q - t 射光的差为 = 一= 竽圪s i n y 但1 6 ) ( 2 17 ) ( 2 1 8 ) y = 尼厶一届厶= a q + 鲈( 2 1 9 ) 当驴专0 时 a = 半己s i n 可 ( 2 2 0 ) 这样就可以使实验系统工作在线性区。 与使用2 x 2 耦合器的光纤迈克耳逊干涉传感器相比，该系统可以有两个干涉 信号输出端口，这样就可以对信号做差，用以减d , 岁t - 界扰动带来的影响，提高系 统的稳定性。 2 2 2 传感系统结构 传感器系统结构如图2 1 0 所示，光源使用半导体激光器，波长为1 5 5 1 m n 。光 图2 1 0 使用3 x 3 耦合器的光纤干涉仪探测器实验装置示意图 纤使用普通单模光纤，参考臂和信号臂上各有一个偏振控制器( p c ) ，用来调整相 位。参考臂绕在压电陶瓷( p z t i ) 上，并在其末端接有光纤反射镜：信号臂绕在 压电陶瓷( p z t 2 ) 上，由其末端的出射光照射在被测物体上。被测物体连接在超 声振动发生器上，并由其为被测物体加载超声振动。在该实验中，被测物体为直 径为3 0 m m 的平面反射镜。经过光纤反射镜和被测物体反射的光进入耦合器，并 j e 塞銮重盔堂亟堂位监塞 邀世超重当红望立互垂王透佳盛丕筮结控厘厘堡 在耦合器中发生干涉，经过干涉的信号由耦合器入射侧两端口出射，并由探测器 d 1 和d 2 进行探测，进行信号处理，其中的慢变信号被提取出来，处理后的慢变 信号来控制两干涉臂上的压电陶瓷，使庐一0 ，这样干涉系统就可以调整并抵消 掉外界环境对干涉仪的影响。这里控制p z t l 的信号和控制p z t 2 的信号为反向信 号，因此可以更快地进行调整，更快达到稳定。信号的处理部分使用数据采集卡 对慢变信号进行采集，并由采集卡送入计算机进行信号的处理。经过处理后的信 号由计算机输入数据采集卡，并由采集卡输出后控制两干涉臂上的压电陶瓷。 2 3 激光超声光纤迈克耳逊干涉传感系统的关键问题 此激光超声光纤迈克耳逊干涉传感系统在搭建和实验的过程中存在几个关键 性问题，其中主要是对光源的要求和系统稳定的要求。 2 3 1 传感系统对光源的要求 在该超声传感系统中，光源作为实验的基础，其性能和指标是不能忽视的。 只有稳定、连续的光源，才能进行后面的伺服控制和检测。实验中的系统为干涉 系统，这就进一步对光源有要求。首先，光源应有稳定的偏振态，这也是干涉系 统的要求，或者光源输出光的偏振态应在相当一段时间内保持稳定。第二，光源 的输出光的波长范围应很窄，并应保持波长的稳定。第三，光源的输出光的强度 要保持稳定。光功率的变化，光频率的漂移及混杂，都会影响光干涉信号的变化， 该系统实验最后是通过对干涉光光强的检测来实现的，所以如果光源输出光的光 强不稳定，会给最后的结果带来非常大的影响，甚至会使该传感系统无法正常工 作，所以光源是干涉仪传感器的基础。 。 半导体激光器是常用的光源，体积小、功耗低、寿命长、可靠性高，0 8 5 # m 、 1 3 a n 和1 5 5 m a 波长的半导体激光器是常采用的单色光源。半导体激光器的基本 结构由三部分组成，即能高效率产生受激发射的工作物质( 增益介质) 、提供光 学反馈的谐振腔和驱动电源。半导体异质结激光器具有层状结构，其作用类似于 固体激光器的聚光腔。一般的半导体激光器的谐振腔不是由外加反射镜构成，是 利用半导体本身的晶体解理面形成的内反射腔，这一特点是半导体激光器有别于 其它激光器的优点，即结构很紧凑，避免外加谐振腔可能产生的机械不稳定性。 半导体激光器的驱动电源也比较简单，需要的电流、电压均很小，因此工作较方 便安全。不过，半导体激光器也很容易受浪涌电流和电压的冲击而损坏。要使激 光器稳定工作，必须对其功率和温度进行控制与补偿，因此，设计激光器的恒流 j e塞窑垂盔 茔 亟堂焦监塞 驱动源和制冷电路是经常选择的稳功率方梨伸1 。 2 3 2 稳定性问题 这里提到的稳定性的问题是系统工作时，在外界环境扰动的情况下，自身克 服和抵消干扰，保持稳定的能力。在实验中，信号臂用来传输携带物体振动信息 的信号光，参考臂用来传输作为参考信息的参考光。要保证两臂不受到外界因素 的不同影响，出射的干涉光才能只带有被测物的振动信息，完整、真实的反映被 检测的信息。所以要保证光在两臂中的传输过程一致，即受到的相位、偏振影响 和光强度影响一致。这一点也是干涉仪能否正常工作的关键问题。 2 4 小结 本章总结主要的光纤干涉仪，并对它们的工作原理进行说明。提出一种基于 迈克耳逊干涉仪的使用3 x 3 耦合器的激光超声传感器，并分析其工作原理，介绍 其构成结构。比较此超生传感系统与传统的使用2 x 2 耦合器的激光超声传感器的 不同，提出此系统的优点。最后讨论激光超声光纤迈克耳逊干涉传感系统的关键 问题。 e巫至堕厶堂亟堂鱼迨童 当 递 3 光源 光源相干稳定性能的好坏，直接决定着激光超声干涉传感实验结果的准确与 否。光源的研制，需要满足偏振、频率和光强在变化的环境条件下稳定的要求， 这是本文实验成败的关键。本章基于半导体激光管，进行稳定激光器研制。首先 针对半导体激光器的不稳定因素，提出相应的解决方案，进行温度控制、功率保 护及直流偏置电路的设计和制作，研制出适合实验使用的稳定激光光源 3 1 半导体激光管的特点 如下图所示，半导体激光管又称为激光二极管，它具有体积小、功耗低、寿 命长、可靠性高，单色性好等特剧1 9 1 。 图3 1 半导体激光器结构 3 1 1 半导体激光器原理 半导体材料，例如硅、锗、砷化镓等，都是共价键的晶体，其中的电子能级 形成一种特殊的能带结构：价带和导带，如下图所示。 j e巫窑垣厶堂亟堂焦j 佥塞盘逦 导带 禁带 价带 图3 2 半导体材料的能带 电子是费米子，它的分布由费米一狄拉克统计给出：对于大量电子组成的近 独立体系，每个能量为e 的单电子态，被电子占据的概率为 雕) 2 赢 ) 其中，称为费米能级，它由系统的总电子数、系统能级的具体情况、温度等决定。 在常温下，本征半导体费米能级的位于禁带中心，此时电子基本都位于价带， 导带是空的。对于p 型半导体，由于掺杂受主杂质，费米能级的位置位于价带顶 和受主杂质能带之间；如提高掺杂浓度，则费米能级进入价带，形成兼并型p 型 半导体。同样，对于掺杂施主杂质的n 型半导体，如果费米能级进入导带，能级 结构如图3 3 所示，则称为兼并型n 型半导体。 。一弋：二。绯躺 一一矿拭_ 费一，矿_ 琳糊， 蓑并p 型半导体的能缀藏并n 型半睁体的能缓 图3 3 半导体材料掺杂后的能级 激光的产生有三个基本的条件，即激励源、有源区必须有足够的反转粒子数分布 及光学谐振腔。 把p 型半导体和n 型半导体相接触，在接触区形成p n 结，这是一个空问电 荷区。但还要外加正电压才能使这个区域形成粒子数反转分布，进而形成增益区， 这个外加正电压就是激光二极管的激励源。图3 4 给出热平衡时p n 结的能带结构 p