基于偏振差分干涉技術聲表面波檢測系統(tǒng)研究

劉雪蓮,馮保華,林 濱,李艷寧

(1.天津大學機械工程學院,天津 300350; 2.天津大學精儀學院,天津 300072)

1 引 言

20世紀60年代以來,激光器的產生及應用突破了聲表面波只能由壓電材料產生的局限,使得在材料表面激發(fā)出寬頻帶聲表面波得以實現(xiàn),為薄膜和塊體材料的線性和非線性彈性特性的系統(tǒng)研究打開了大門[1]。激光聲表面波技術利用激光在樣品表面激發(fā)出復頻聲表面波信號,通過對檢測端聲表面波信號進行處理和分析,間接得到樣品表面的彈性特性及缺陷信息。它的主要應用有:利用聲表面波的反射波和透射波的相關特性研究表面裂紋的分布和大小[2-3],利用聲表面波的色散曲線研究襯底薄膜結構中薄膜的彈性特性[4]等。

聲表面波的檢測方法主要包括接觸式檢測和非接觸式檢測。目前,接觸式檢測多采用PVDF壓電薄膜作為傳感器進行聲電信號轉換[5],該檢測技術具有較寬的檢測頻帶和信噪比,但是檢測過程中必須與樣件表面保持接觸,容易給樣件帶來污染甚至損傷,并且其檢測帶寬受壓頭的加工精度限制而難以提高。非接觸式檢測主要應用光學檢測,包括非干涉儀法和干涉儀法,非干涉法通過反射光的強度或偏轉角度變化來實現(xiàn)檢測,典型代表是光偏轉檢測法[6],這種方法響應速度快,抗干擾性強,但是系統(tǒng)易受檢測光的穩(wěn)定性和準直性影響,檢測精度偏低。而干涉儀法是在經(jīng)典邁克爾遜干涉儀的基礎上衍生和發(fā)展起來的,具備非接觸、快響應、高帶寬等優(yōu)點[7],是目前研究最為廣泛的一種檢測方法,且光路設計具有多樣性,具有良好的研究和發(fā)展前景。

為了滿足寬頻聲表面波的高靈敏度檢測需求,本研究搭建了基于正交偏振差分干涉技術的聲表面波檢測系統(tǒng),并通過標定和測試實驗對檢測系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性進行整體評估,主要包括最小靜態(tài)、動態(tài)檢測,位移、重復性檢測,誤差和系統(tǒng)噪聲檢測。

2 檢測原理與理論

2.1 系統(tǒng)檢測原理

聲表面波檢測系統(tǒng)的檢測原理如圖1所示,該系統(tǒng)分為聲表面波的激發(fā)(虛線框內)和檢測(點畫線框內)兩個部分。在激發(fā)過程中,脈沖激光器產生的激光光束依次經(jīng)過衰減片、擴束準直鏡和柱面透鏡在樣件表面聚焦成一條極窄線光源。

在檢測光路中,以HeNe激光器發(fā)出的45°線偏振光為入射光,經(jīng)過第一個偏振分束棱鏡(PBS)后分為偏振態(tài)相互垂直的兩束光(P光和S光),它們分別經(jīng)過1/4波片和球面透鏡聚焦到樣品和平面鏡上并反射。由于1/4波片的作用,當反射光再次經(jīng)過第一個PBS時,兩束光的偏振態(tài)改變90°,從而使兩束光都指向半波片,避免激光器被反射光損壞。經(jīng)由球面透鏡聚焦的兩束偏振光進入第二個PBS后,每束光都會分成一束P光和一束S光,兩束P光和兩束S光分別發(fā)生干涉。

圖1 正交偏振差分干涉儀聲表面波檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of surface acoustic wave detection system based on orthogonal polarization differential interferometer

聲表面波經(jīng)過樣品處的檢測光斑時會引起檢測光路和參考光路光程差的變化,進而導致進入平衡探測器感光面的干涉條紋的光強變化,經(jīng)由光電信號轉變和示波器的采集,最終達到檢測表面波信號的目的。

2.2 由瓊斯矩陣推導偏振系統(tǒng)微位移檢測原理

光波是一種頻率極高的電磁波,通常用電場強度(光矢量)表示其振動狀態(tài)。假設在笛卡爾坐標系中光波的傳播方向為z方向,由瓊斯矢量來描述某一光矢量在x,y方向分量的列矩陣,表達形式如下：

(1)

式中，δ1和δ2分別代表光矢量在x和y方向上的相位。

(2)

系統(tǒng)采用90°偏振分束棱鏡,P光的光矢量平行于入射光與分光界面法線構成的平面,而S光的光矢量則垂直于該平面。設分光膜分別對P光和S光透射系數(shù)為tp、ts,反射系數(shù)為rp、rs。偏振分束棱鏡(PBS)的瓊斯矩陣可以由JPBT和JPBR表示。

(3)

系統(tǒng)中采用的半波片可以產生π的奇數(shù)倍相位延遲,其瓊斯矩陣表示為:

(4)

(5)

(6)

系統(tǒng)中激光器發(fā)出45°線偏振光,其光矢量為Elaser,平面鏡的瓊斯矩陣為Jmirror。

(7)

(8)

(9)

(10)

代入已知參數(shù)并利用歐拉公式以及三角函數(shù)公式化簡,可得到系統(tǒng)中進入探測器的光強公式(11)和公式(12)。

(11)

(12)

系統(tǒng)的檢測光強和光程差可由式(13)和式(14)表示,其中,ΔI是檢測光強；I0是初始光強；ΔL是檢測光和參考光的光程差；φm,φr,Δφ分別是檢測光束和參考光束的相位以及它們的相位差。

(13)

(14)

3 聲表面波檢測平臺與系統(tǒng)測試分析

3.1 聲表面波檢測平臺

根據(jù)系統(tǒng)原理圖搭建檢測系統(tǒng)平臺,如圖2所示,激光聲表面波檢測平臺由激發(fā)系統(tǒng)、樣品臺和檢測系統(tǒng)組成。

聲表面波的激發(fā)是在熱彈模式下進行的,此時激發(fā)光源的能量密度小于材料損傷閾值,接受輻照的樣品表面瞬間被加熱,產生極大的溫度梯度進從而產生瞬時熱應力,激發(fā)出彈性超聲波但不對材料造成損傷[8]。激發(fā)光源由脈沖激光器產生,激光波長532 nm,脈沖寬度1.7 ns,實驗中脈沖激光經(jīng)過柱面透鏡聚焦形成一條長22 mm,寬約30 μm的線源在材料表面激發(fā)出聲表面波。

圖2 聲表面波檢測平臺Fig.2 Surface coustic wave detection platform

檢測激光為線偏振光,由波長632.8 nm,功率為7 mW的穩(wěn)頻線偏振HeNe激光器產生。經(jīng)由平面鏡反射的參考光和材料表面反射的檢測光經(jīng)過多個偏振器件后形成兩路干涉圓環(huán),分別被平衡探測器的兩個感光面接收,其飽和功率為2 mW。數(shù)字示波器的采樣頻率為2.5 GHz,選擇512次采樣平均來減小隨機噪聲對信號的干擾。為了標定聲表面波的產生與傳播時間,系統(tǒng)由光電探測器檢測激發(fā)處的脈沖激光作為同步觸發(fā)信號。

3.2 系統(tǒng)測試分析

3.2.1 干涉儀的調試

若調節(jié)整個干涉圓環(huán)進入平衡探測器的感光面,則無法檢測光強的變化,陳琨選擇離干涉中心較近的非對稱區(qū)域的某一條干涉條紋進行測量[9]。而Nakano H為了提高系統(tǒng)的靈敏度,在提高激光器功率的同時為保證不損壞平衡探測器中的光電二極管,將檢測干涉條紋中心改為檢測暗條紋[10]。在本實驗系統(tǒng)中,由于感光面直徑很小,用肉眼很難辨別用于測量的干涉條紋部分,因此從干涉條紋可見度和差分信號的大小來評估系統(tǒng)的調試效果。

用平面鏡代替檢測臺上的樣件,系統(tǒng)中未接入平衡探測器時,可觀察到相位相差90°的兩路光束形成的干涉圓環(huán),如圖3所示。分別檢測干涉條紋的最大光強Imax和最小光強Imin,根據(jù)公式(15)計算出干涉條紋可見度為0.94。在實際工程中,干涉條紋的可見度大于0.75即可認為干涉儀處于良好工作狀態(tài)[11],因而系統(tǒng)的干涉圓環(huán)調試成功。

(15)

圖3 相位差90°的干涉圓環(huán)Fig.3 The interference rings with a phase difference of 90°

將平衡探測器接入系統(tǒng)并連接示波器,當進入探測器感光面的兩路干涉條紋相位差90°時,一路信號的光強增大時另一路信號的光強減小,從而使差分輸出是單路輸出的兩倍。給光學平臺一個輕微振動,逐漸調節(jié)干涉圓環(huán)進入平衡探測器的位置,當差分信號大小相等方向相反且變化幅值最大時,認為差分信號調試成功,此時干涉儀處于最靈敏檢測位置,差分信號如圖4所示,每路信號的幅值接近1.5 V。

3.2.2 聲表面波檢測系統(tǒng)標定

系統(tǒng)標定實驗的主要目的是得到干涉儀的性能指標參數(shù):最小檢測位移。包括用上位機控制壓電陶瓷位移臺做步進運動的靜態(tài)標定和用信號發(fā)生器控制納米位移臺做正弦運動的動態(tài)標定。為了量化干涉儀對輸入位移的響應,需要借助信號發(fā)生器輸入標準信號。

圖4 差分信號Fig.4 The differential signal

實驗中選擇PI-S303納米位移臺及其配套控制器對檢測系統(tǒng)進行靜態(tài)標定,其輸出位移精度為0.2 nm/mV。將平面鏡固定在納米位移臺上,由上位機軟件控制位移臺做不同步長的步進運動,每步之間的間隔時間為1 s,持續(xù)60步,觀察靜態(tài)改變光程差的情況下干涉儀的輸出響應。當輸入步長大于25 nm時,每增加一個步長位移,干涉儀都有突變的輸出響應,整體趨勢是正弦波波形。圖5是干涉儀對步長25 nm步進運動的響應,在正弦波峰值處(B)電壓突變最小,而在正弦波有效值處(A)電壓突變最大,與理論上干涉儀的輸出變化一致。由于靜態(tài)標定實驗中干涉儀受環(huán)境噪聲影響較大,當步長繼續(xù)減小至20 nm時,干涉儀的輸出已經(jīng)被噪聲淹沒,因而認定干涉系統(tǒng)的最小靜態(tài)響應位移是25 nm。

圖5 干涉儀對步進運動的響應Fig.5 The response of interferometer to step motion

使用SIOS干涉儀和PI-S303納米位移臺對檢測系統(tǒng)進行動態(tài)標定,SIOS干涉儀的測量分辨率為1 nm。由信號發(fā)生器分別給壓電位移臺提供頻率為100 Hz,峰峰值在5～1500 mV之間離散變化的正弦驅動電壓,驅動位移臺做頻率100 Hz,幅值在1～300 nm之間離散分布的正弦運動,分別由SIOS干涉儀和實驗系統(tǒng)檢測振動信號。當位移臺振動幅度增大至200 nm時,干涉儀輸出波形出現(xiàn)輕微失真現(xiàn)象,繼續(xù)增大振動幅度,信號失真嚴重,如圖6所示。當位移臺振幅減小至1 nm時,SIOS干涉儀和實驗系統(tǒng)的輸出信號如圖7所示,從圖中可以看出,輸出波形的周期都為0.01 s,與驅動信號的頻率100 Hz正好吻合,由于實驗環(huán)境中存在一些低頻擾動,使干涉儀的輸出波形存在一定程度的漂移。根據(jù)標定實驗結果,檢測系統(tǒng)的最小動態(tài)響應位移可達1 nm,滿足高靈敏度檢測需求。

圖6 檢測系統(tǒng)對峰峰值200 nm正弦波的響應Fig.6 The response of detection system to the sine wave with peak-to-peak 200 nm

圖7 SIOS干涉儀和檢測系統(tǒng)對峰峰值1 nm正弦波的響應Fig.7 The response of SIOS interferometer and detection system to the sine wave with peak-to-peak 1 nm

3.2.3 噪聲分析

根據(jù)測試環(huán)境,分析系統(tǒng)中的噪聲主要來源于示波器、導線、平衡探測器、激光器和外界振動及空氣干擾等。分別對各個部分產生的噪聲信號進行頻譜分析,如圖8、9、10所示,可以看出示波器和平衡探測器的噪聲主要分布在30 kHz以下,導線噪聲在110～140 kHz之間,激光器的噪聲分布在55～60 MHz,105 MHz,160 MHz?；诖颂岢隽艘种圃肼暤慕鉀Q方案,針對低頻噪聲,采用氣浮光學平臺作為系統(tǒng)搭建平臺,此外,平衡探測器的射頻輸出也對低頻噪聲有一定的抑制作用；針對電磁噪聲,在電子器件如平衡探測器、激光器等部件外部加銅網(wǎng)屏蔽電磁信號；針對外部振動與溫度的影響,課題組設計研制了光學屏蔽罩置于光學平臺上,不僅減小了外部振動、空氣流動對系統(tǒng)的影響,內部的循環(huán)水系統(tǒng)還可以使光學罩內保持恒定的溫度。

圖8 示波器與示波器加導線的噪聲頻譜圖Fig.8 Spectrum diagrams of the oscilloscope noise and the superposition noise of oscilloscope and wires

圖9 示波器加導線與示波器連接平衡探測器的噪聲頻譜圖Fig.9 Spectrum diagrams of the superposition noise of oscilloscope

圖10 脈沖激光器噪聲頻譜圖Fig.10 Noise spectrum of pulse laser

4 聲表面波檢測實驗研究

4.1 聲表面波信號檢測

選擇1050A型工業(yè)純鋁和[100]晶向單晶硅拋光片為實驗樣品,使用搭建的聲表面波檢測平臺進行信號激發(fā)與檢測。

由于實驗采集的數(shù)據(jù)長度遠遠大于聲表面波信號的長度,且實驗所得信號往往混疊噪聲成分,因而在信號分析前首先要截取出有效的聲表面波信號。因實驗條件和檢測對象不同,聲表面波的信號寬度往往不同[12-14]。為了獲得有效聲表面波信號,本研究提出以傳播速度和信噪比作為綜合依據(jù)來截取聲表面波信號。由公式(16)計算聲表面波的理論速度vR,根據(jù)相對位移得到聲表面波的傳播時間及信號的開始時刻,選取信噪比大于5的聲表面波信號為有效信號。

(16)

為了進一步消除噪聲影響,本研究使用巴特沃斯低通濾波器進行信號處理,通頻帶為0～100 MHz。檢測系統(tǒng)在鋁片和硅片上得到的聲表面波時域信號如圖11所示。對實驗數(shù)據(jù)進行處理,得到信號的頻譜圖12,在鋁片上檢測到的信號頻帶寬度達到50 MHz,在硅片上檢測到的信號頻帶寬度達到90 MHz。實驗結果表明,檢測系統(tǒng)得到的聲表面波信號噪聲成分少,質量高,且具有較大的頻帶寬度。

圖11 鋁和硅上的聲表面波時域信號Fig.11 Time domain signals of SAWs on aluminum and silicon

圖12 鋁和硅上的聲表面波頻域信號Fig.12 Frequency domain signals of SAWs on aluminum and silicon

4.2 重復性測量實驗

保持激發(fā)線源和檢測光斑的位置不變,在1050 A型鋁片上重復采集聲表面波信號20次,圖13為任意四組信號的波形圖。

圖13 鋁片上同一位置的聲表面波檢測信號Fig.13 SAW signals at the same position on the aluminum sheet

利用公式(17)計算聲表面波時域信號的重復性誤差,δe代表每組信號峰峰值偏離所有信號峰峰值平均值的百分比,x(i)為每組信號的峰峰值,N為重復采集的次數(shù)。

(17)

計算得到實驗信號的峰峰值隨機誤差的平均值為1.255%,實驗中多次連續(xù)測量時域信號的波形和幅值變化很小,可以認為該系統(tǒng)的重復性較好。

5 結 論

基于激光聲表面波技術,本文設計搭建了正交偏振差分干涉聲表面波檢測系統(tǒng),系統(tǒng)中使用偏振元件可有效消除雜散光,提高檢測質量,使用差分結構可提高系統(tǒng)的信噪比和分辨率,調試環(huán)節(jié)得到的干涉條紋可見度達0.94。使用壓電陶瓷納米位移臺和SIOS干涉儀對系統(tǒng)進行標定,測試結果表明系統(tǒng)的最小靜態(tài)響應位移25 nm,最小動態(tài)響應位移1 nm。利用該系統(tǒng)在1050 A工業(yè)用鋁和[100]晶向硅片上進行激光聲表面波檢測實驗,得到鋁片上的信號檢測帶寬為50 MHz,硅片上信號檢測帶寬為90 MHz。通過重復性測量實驗,得到20組實驗信號的峰峰值隨機誤差的平均值為1.255%,系統(tǒng)的重復性較好。本文研究了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,為聲表面波檢測系統(tǒng)的性能評估提供了科學可行的方法,對于提高寬頻聲表面波信號的檢測精度和信號質量具有重要意義。