产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统及其调节方法
阅读说明：本技术 产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统及其调节方法 (Optical system for generating laser array line source with continuously adjustable period and adjusting method thereof ) 是由 姚东 岳猛猛 尹飞 王迪 吴永程 刘冲 李知兵 张�杰 李亚晖 温珂瑶 高贵龙 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统及其调节方法,可用作激光超声无损检测的激励源。克服现有激光阵列线源,周期无法连续可调的问题。光学系统包括脉冲激光器、分束镜、光学延迟线、可调反射镜及合束镜；分束镜将脉冲激光分为透射光束与反射光束；光学延迟线将反射光束和透射光束之间的相对光程差调节为零；可调反射镜调节反射光束与透射光束之间的夹角；合束镜将经过光学延迟线以及可调反射镜的反射光束及透射光束合束,反射光束及透射光束发生干涉,干涉条纹即为输出的激光阵列线源,利用可调反射镜调节反射光束与透射光束之间的夹角,实现激光阵列线源周期连续调整。(The invention relates to an optical system for generating a laser array line source with continuously adjustable period and an adjusting method thereof, which can be used as an excitation source for laser ultrasonic nondestructive testing. The problem that the period of the existing laser array line source cannot be continuously adjusted is solved. The optical system comprises a pulse laser, a beam splitter, an optical delay line, an adjustable reflector and a beam combiner; the beam splitter divides the pulse laser into a transmission beam and a reflection beam; the optical delay line adjusts the relative optical path difference between the reflected beam and the transmitted beam to zero; the adjustable reflector adjusts an included angle between the reflected light beam and the transmitted light beam; the beam combining mirror combines the reflected light beam and the transmitted light beam which pass through the optical delay line and the adjustable reflector, the reflected light beam and the transmitted light beam interfere, the interference fringe is the output laser array line source, and the adjustable reflector is utilized to adjust the included angle between the reflected light beam and the transmitted light beam, so that the periodic continuous adjustment of the laser array line source is realized.)
技术领域
本发明涉及一种产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统及其调节方法，可用作激光超声无损检测的激励源。
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，部分激光能量被材料吸收并转化成热能，激光辐照区域局部迅速温升，导致局部快速的热膨胀产生超声波，再由光学接收装置收集解调出超声信号。激光超声检测中的超声波是由激光热弹效应生成的，不需要耦合剂，而且被检测件无需与检测仪器相接触，可以实现非接触、远距离检测；激光激发的超声波频带较宽，检测分辨率高，应用场合广泛；全光激发和检测，能够在高温、高压、腐蚀、强辐射等极端环境中实现对待测件的实时在线检测；并且支持对试件的快速大面积扫描检测，便于成像。
传统的激光超声使用激光点源或单个线源激光产生超声，点源或者单个线源激光激发的超声波信号弱，信噪比差。此外也有采用激光阵列线源激励超声的，激光阵列线源可以在不破坏表面的前提下输入更多的能量，提高激发的超声波的强度，通过调控优化阵列线源的线源宽度、线源周期等参数可以提高激励的声表面波的频谱幅度，有利于提高激光超声检测系统的灵敏度和信噪比。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，阵列线源周期无法连续可调。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
本发明的目的是提供一种产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统，克服现有激光阵列线源，周期无法连续可调的问题。本发明光学系统无需更换光学元件，可实现激光阵列线源周期从毫米到微米连续可调，在不破坏材料表面的情况下可以输入更多的激光能量，增加了激光超声无损检测系统激励源强度和调控的灵活性，有利于提高检测的灵敏度和信噪比。
本发明的技术方案是提供一种产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统，包括脉冲激光器，其特殊之处在于，还包括分束镜、光学延迟线、可调反射镜及合束镜；
上述分束镜设置在脉冲激光器的出射光路中，用于将脉冲激光分为透射光束与反射光束；
上述光学延迟线设置在分束镜的透射光路或反射光路中，用于将反射光束和透射光束之间的相对光程差调节为零；
上述可调反射镜设置在分束镜的透射光路或反射光路中，用于调节反射光束与透射光束之间的夹角；
上述合束镜设置在分束镜的透射光路和反射光路中，同于将经过光学延迟线以及可调反射镜的反射光束及透射光束合束，反射光束及透射光束发生干涉，干涉条纹即为输出的激光阵列线源，利用可调反射镜调节反射光束与透射光束之间的夹角，实现激光阵列线源周期连续调整。
进一步地，上述光学系统还可以包括设置在分束镜透射光路或反射光路中光衰减器，用于调节透射光束或反射光束的光强，使得经过合束镜之后的两束光强相等。
进一步地，上述光学系统还包括设置在分束镜透射光路和/或反射光路中反射镜组件，用于调节透射光束和/或反射光束的传播方向，最终确保透射光束和反射光束汇聚在合束镜。
进一步地，为了提高最终出射的激光阵列线源的均匀性，上述系统还包括波前整形器件，用于对脉冲激光进行波前整形，选通光强较均匀的中心光斑，经扩束、准直之后入射分束镜。
进一步地，为了精确控制可调反射镜的转动角度，上述系统还可以包括压电精密驱动控制器，控制可调反射镜，实现小角度转动。
进一步地，上述分束镜的透射与反射比为50:50。
进一步地，上述合束镜的透射与反射比为50:50。
进一步地，上述脉冲激光器为纳秒、皮秒或可调制的脉冲激光器，脉冲激光为拉盖尔-高斯或厄米特-高斯分布。
进一步地，上述光学延迟线设置在分束镜的透射光路中，上述可调反射镜设置在分束镜的反射光路中。
进一步地，上述光衰减器设置在可调反射镜的反射光路中。
进一步地，上述反射镜组件包括第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜；上述第一反射镜与第二反射镜反射面相互垂直，依次设置在分束镜的反射光路中，将反射光束反射至可调反射镜；上述第三反射镜设置在分束镜的透射光路中，将透射光束反射至合束镜。
本发明还提供一种上述产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统的调节方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、开启系统；
开启脉冲激光器，脉冲激光器出射的脉冲光经分束镜一分为二，透射光束经过光学延迟线入射到合束镜上，与通过可调反射镜的反射光束经合束镜合束；或，透射光束经过光学延迟线与可调反射镜入射到合束镜上，与分束镜的反射光束在合束镜合束；或，透射光束经过可调反射镜入射到合束镜上，与通过光学延迟线的反射光束经合束镜合束；反射光束经过光学延迟线与可调反射镜入射到合束镜上，与分束镜的透射光束在合束镜合束；
步骤2、光程差调节；
利用光学延迟线调节反射光束与透射光束之间的相对光程差为零，合束镜输出的明暗条纹即为激光阵列线源；
步骤3、激光阵列线源周期调整；
调节可调反射镜的水平转向，使经过合束镜之后的反射光束与透射光束之间的夹角为α，根据等厚干涉原理，相邻明条纹之间的间隔，即激光阵列线源周期为：
其中，n为空气折射率，λ为波长；
连续调节可调反射镜的水平转向，获得不同间隔的激光干涉条纹，实现激光阵列线源周期的连续可调。
进一步地，步骤1具体为：
开启脉冲激光器，脉冲激光器出射的脉冲光经分束镜一分为二，透射光束经过光学延迟线入射到第三反射镜，再经第三反射镜反射至合束镜上，与依次通过第一反射镜、第二反射镜、可调反射镜及光衰减器的反射光束经合束镜合束。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统基于双光束干涉原理，通过调节可调反射镜的转动角度调控两束光的水平夹角，实现两束光干涉条纹(激光阵列线源)周期的连续可调。可应用于激光超声无损检测等领域。
2、本发明提供的产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统不需要连续更换掩膜或透镜(光纤)阵列，操作简单，易于实现，灵活性高。
3、本发明提供的产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统成本低，结构紧凑，易于集成，有利于设备小型化。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中光学系统示意图；
图中附图标记为：1-脉冲激光器，2-分束镜，3-光学延迟线，4-第三反射镜，5-第一反射镜，6-第二反射镜，7-可调反射镜，8-光衰减器，9-合束镜。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统，主要由脉冲激光器、分束镜、光学延迟线、可调反射镜及合束镜构成；
其中脉冲激光器为激光超声激励光源，为纳秒、皮秒或调制的脉冲激光器。分束镜为针对入射光波段设计的分束镜，透射与反射比为50：50，设置在脉冲激光器的出射光路中，用于将脉冲激光分为透射光束与反射光束。光学延迟线设置在分束镜的透射光路或反射光路中，用于调节两路光的光程差。可调反射镜设置在分束镜的透射光路或反射光路中，用来精确调节经过合束镜之后的两束光之间的夹角。合束镜用来将反射和透射的两束光合二为一，透射与反射比为50：50。合束后，反射光束及透射光束发生干涉，干涉条纹即为输出的激光阵列线源，利用可调反射镜调节反射光束与透射光束之间的夹角，实现激光阵列线源周期连续调整。还可以包括设置在分束镜透射光路或反射光路中光衰减器，用于调节透射光束或反射光束的光强，使得经过合束镜之后的两束光强相等，提高干涉对比度。还可以包括设置在分束镜透射光路和/或反射光路中反射镜组件，用于调节透射光束和/或反射光束的传播方向，最终确保透射光束和反射光束汇聚在合束镜。
实施例1
从图1可以看出，本实施例产生周期连续可调激光阵列线源的光学系统包括脉冲激光器1、设置在脉冲激光器1出射光路中的分束镜2、依次设置在分束镜2反射光路中的第一反射镜5、第二反射镜6、可调反射镜7及光衰减器8、依次设置在分束镜2透射光路中的光学延迟线3与第三反射镜4，还包括位于光衰减器8与第三反射镜4出射光路中的合束镜9。当然，在其他实施例中，可调反射镜7可以与光学延迟线3同时设置在分束镜2的透射光路中，也可以同时设置在分束镜2的反射光路中，还可以是可调反射镜7设置在分束镜2的透射光路中，光学延迟线3设置在分束镜2的反射光路中。光衰减器8也可以位于分束镜2的透射光路中。
本实施例光学系统工作原理为：脉冲激光器1出射的脉冲光经分束镜2一分为二，分束镜2的反射和透射比为50：50，使得透射和反射的两束光光强相等，透射光束经过光学延迟线3和第三反射镜4入射到合束镜9上，与依次通过第一反射镜5、第二反射镜6、可调反射镜7和光衰减器8的另一路反射光束合束。其中光学延迟线3用来调节反射光束与透射光束之间的相对光程差，当两束光的相对光程差为零时，汇聚在合束镜9上的反射光束和透射光束满足干涉条件发生干涉，干涉场中的明暗条纹即是输出的激光阵列线源。此时输出的激光阵列线源周期是固定的，周期的连续可调需要通过水平方向可调反射镜7完成，调节水平方向可调反射镜7的水平转向使反射光束与透射光束有一小夹角α，根据等厚干涉原理，相邻明条纹之间的间隔(阵列线源周期)为：
因此通过连续转动水平方向可调反射镜7可获得不同间隔的激光干涉条纹，也就实现了激光阵列线源周期的连续可调。
其他实施例中，若可调反射镜7与光学延迟线3同时设置在分束镜2的透射光路中，则脉冲激光器1出射的脉冲光经分束镜2一分为二，透射光束经过光学延迟线3和可调反射镜7入射到合束镜9上，与依次经过相应反射镜和光衰减器8的另一路反射光束合束。若可调反射镜7与光学延迟线3同时设置在分束镜2的反射光路中，则反射光束经过光学延迟线3、可调反射镜7及光衰减器8入射到合束镜9上，与经过相应反射镜的透射光束在合束镜9合束；若可调反射镜7设置在分束镜2的透射光路中，光学延迟线3设置在分束镜2的反射光路中，则透射光束经过可调反射镜7入射到合束镜9上，与通过光学延迟线3、相应反射镜及衰减器的反射光束经合束镜9合束。
同样，通过光学延迟线3调节反射光束与透射光束之间的相对光程差，当两束光的相对光程差为零时，汇聚在合束镜9上的反射光束和透射光束满足干涉条件发生干涉，干涉场中的明暗条纹即是输出的激光阵列线源。此时输出的激光阵列线源周期是固定的，周期的连续可调需要通过水平方向可调反射镜7完成，调节水平方向可调反射镜7的水平转向使反射光束与透射光束有一小夹角α，根据等厚干涉原理，相邻明条纹之间的间隔(阵列线源周期)为：
因此通过连续转动水平方向可调反射镜7可获得不同间隔的激光干涉条纹，也就实现了激光阵列线源周期的连续可调。
脉冲激光器1可根据需要选择不同波长不同脉冲宽度的脉冲激光器1。脉冲激光源多为拉盖尔-高斯或厄米特-高斯分布，光斑中心强两边弱，为了提高最终出射的激光阵列线源的均匀性，可对脉冲激光进行波前整形，比如可选通光强较均匀的中心光斑，经扩束、准直之后入射分束镜2。水平方向可调反射镜7旋转角度较小，实际使用中可使用压电精密驱动控制器进行调节。
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