基于偏振差分干涉技术声表面波检测系统研究

刘雪莲,冯保华,林 滨,李艳宁

(1.天津大学机械工程学院,天津 300350; 2.天津大学精仪学院,天津 300072)

1 引 言

20世纪60年代以来,激光器的产生及应用突破了声表面波只能由压电材料产生的局限,使得在材料表面激发出宽频带声表面波得以实现,为薄膜和块体材料的线性和非线性弹性特性的系统研究打开了大门[1]。激光声表面波技术利用激光在样品表面激发出复频声表面波信号,通过对检测端声表面波信号进行处理和分析,间接得到样品表面的弹性特性及缺陷信息。它的主要应用有:利用声表面波的反射波和透射波的相关特性研究表面裂纹的分布和大小[2-3],利用声表面波的色散曲线研究衬底薄膜结构中薄膜的弹性特性[4]等。

声表面波的检测方法主要包括接触式检测和非接触式检测。目前,接触式检测多采用PVDF压电薄膜作为传感器进行声电信号转换[5],该检测技术具有较宽的检测频带和信噪比,但是检测过程中必须与样件表面保持接触,容易给样件带来污染甚至损伤,并且其检测带宽受压头的加工精度限制而难以提高。非接触式检测主要应用光学检测,包括非干涉仪法和干涉仪法,非干涉法通过反射光的强度或偏转角度变化来实现检测,典型代表是光偏转检测法[6],这种方法响应速度快,抗干扰性强,但是系统易受检测光的稳定性和准直性影响,检测精度偏低。而干涉仪法是在经典迈克尔逊干涉仪的基础上衍生和发展起来的,具备非接触、快响应、高带宽等优点[7],是目前研究最为广泛的一种检测方法,且光路设计具有多样性,具有良好的研究和发展前景。

为了满足宽频声表面波的高灵敏度检测需求,本研究搭建了基于正交偏振差分干涉技术的声表面波检测系统,并通过标定和测试实验对检测系统的性能和稳定性进行整体评估,主要包括最小静态、动态检测,位移、重复性检测,误差和系统噪声检测。

2 检测原理与理论

2.1 系统检测原理

声表面波检测系统的检测原理如图1所示,该系统分为声表面波的激发(虚线框内)和检测(点画线框内)两个部分。在激发过程中,脉冲激光器产生的激光光束依次经过衰减片、扩束准直镜和柱面透镜在样件表面聚焦成一条极窄线光源。

在检测光路中,以HeNe激光器发出的45°线偏振光为入射光,经过第一个偏振分束棱镜(PBS)后分为偏振态相互垂直的两束光(P光和S光),它们分别经过1/4波片和球面透镜聚焦到样品和平面镜上并反射。由于1/4波片的作用,当反射光再次经过第一个PBS时,两束光的偏振态改变90°,从而使两束光都指向半波片,避免激光器被反射光损坏。经由球面透镜聚焦的两束偏振光进入第二个PBS后,每束光都会分成一束P光和一束S光,两束P光和两束S光分别发生干涉。

图1 正交偏振差分干涉仪声表面波检测系统原理图Fig.1 Schematic diagram of surface acoustic wave detection system based on orthogonal polarization differential interferometer

声表面波经过样品处的检测光斑时会引起检测光路和参考光路光程差的变化,进而导致进入平衡探测器感光面的干涉条纹的光强变化,经由光电信号转变和示波器的采集,最终达到检测表面波信号的目的。

2.2 由琼斯矩阵推导偏振系统微位移检测原理

光波是一种频率极高的电磁波,通常用电场强度(光矢量)表示其振动状态。假设在笛卡尔坐标系中光波的传播方向为z方向,由琼斯矢量来描述某一光矢量在x,y方向分量的列矩阵,表达形式如下：

(1)

式中，δ1和δ2分别代表光矢量在x和y方向上的相位。

(2)

系统采用90°偏振分束棱镜,P光的光矢量平行于入射光与分光界面法线构成的平面,而S光的光矢量则垂直于该平面。设分光膜分别对P光和S光透射系数为tp、ts,反射系数为rp、rs。偏振分束棱镜(PBS)的琼斯矩阵可以由JPBT和JPBR表示。

(3)

系统中采用的半波片可以产生π的奇数倍相位延迟,其琼斯矩阵表示为:

(4)

(5)

(6)

系统中激光器发出45°线偏振光,其光矢量为Elaser,平面镜的琼斯矩阵为Jmirror。

(7)

(8)

(9)

(10)

代入已知参数并利用欧拉公式以及三角函数公式化简,可得到系统中进入探测器的光强公式(11)和公式(12)。

(11)

(12)

系统的检测光强和光程差可由式(13)和式(14)表示,其中,ΔI是检测光强；I0是初始光强；ΔL是检测光和参考光的光程差；φm,φr,Δφ分别是检测光束和参考光束的相位以及它们的相位差。

(13)

(14)

3 声表面波检测平台与系统测试分析

3.1 声表面波检测平台

根据系统原理图搭建检测系统平台,如图2所示,激光声表面波检测平台由激发系统、样品台和检测系统组成。

声表面波的激发是在热弹模式下进行的,此时激发光源的能量密度小于材料损伤阈值,接受辐照的样品表面瞬间被加热,产生极大的温度梯度进从而产生瞬时热应力,激发出弹性超声波但不对材料造成损伤[8]。激发光源由脉冲激光器产生,激光波长532 nm,脉冲宽度1.7 ns,实验中脉冲激光经过柱面透镜聚焦形成一条长22 mm,宽约30 μm的线源在材料表面激发出声表面波。

图2 声表面波检测平台Fig.2 Surface coustic wave detection platform

检测激光为线偏振光,由波长632.8 nm,功率为7 mW的稳频线偏振HeNe激光器产生。经由平面镜反射的参考光和材料表面反射的检测光经过多个偏振器件后形成两路干涉圆环,分别被平衡探测器的两个感光面接收,其饱和功率为2 mW。数字示波器的采样频率为2.5 GHz,选择512次采样平均来减小随机噪声对信号的干扰。为了标定声表面波的产生与传播时间,系统由光电探测器检测激发处的脉冲激光作为同步触发信号。

3.2 系统测试分析

3.2.1 干涉仪的调试

若调节整个干涉圆环进入平衡探测器的感光面,则无法检测光强的变化,陈琨选择离干涉中心较近的非对称区域的某一条干涉条纹进行测量[9]。而Nakano H为了提高系统的灵敏度,在提高激光器功率的同时为保证不损坏平衡探测器中的光电二极管,将检测干涉条纹中心改为检测暗条纹[10]。在本实验系统中,由于感光面直径很小,用肉眼很难辨别用于测量的干涉条纹部分,因此从干涉条纹可见度和差分信号的大小来评估系统的调试效果。

用平面镜代替检测台上的样件,系统中未接入平衡探测器时,可观察到相位相差90°的两路光束形成的干涉圆环,如图3所示。分别检测干涉条纹的最大光强Imax和最小光强Imin,根据公式(15)计算出干涉条纹可见度为0.94。在实际工程中,干涉条纹的可见度大于0.75即可认为干涉仪处于良好工作状态[11],因而系统的干涉圆环调试成功。

(15)

图3 相位差90°的干涉圆环Fig.3 The interference rings with a phase difference of 90°

将平衡探测器接入系统并连接示波器,当进入探测器感光面的两路干涉条纹相位差90°时,一路信号的光强增大时另一路信号的光强减小,从而使差分输出是单路输出的两倍。给光学平台一个轻微振动,逐渐调节干涉圆环进入平衡探测器的位置,当差分信号大小相等方向相反且变化幅值最大时,认为差分信号调试成功,此时干涉仪处于最灵敏检测位置,差分信号如图4所示,每路信号的幅值接近1.5 V。

3.2.2 声表面波检测系统标定

系统标定实验的主要目的是得到干涉仪的性能指标参数:最小检测位移。包括用上位机控制压电陶瓷位移台做步进运动的静态标定和用信号发生器控制纳米位移台做正弦运动的动态标定。为了量化干涉仪对输入位移的响应,需要借助信号发生器输入标准信号。

图4 差分信号Fig.4 The differential signal

实验中选择PI-S303纳米位移台及其配套控制器对检测系统进行静态标定,其输出位移精度为0.2 nm/mV。将平面镜固定在纳米位移台上,由上位机软件控制位移台做不同步长的步进运动,每步之间的间隔时间为1 s,持续60步,观察静态改变光程差的情况下干涉仪的输出响应。当输入步长大于25 nm时,每增加一个步长位移,干涉仪都有突变的输出响应,整体趋势是正弦波波形。图5是干涉仪对步长25 nm步进运动的响应,在正弦波峰值处(B)电压突变最小,而在正弦波有效值处(A)电压突变最大,与理论上干涉仪的输出变化一致。由于静态标定实验中干涉仪受环境噪声影响较大,当步长继续减小至20 nm时,干涉仪的输出已经被噪声淹没,因而认定干涉系统的最小静态响应位移是25 nm。

图5 干涉仪对步进运动的响应Fig.5 The response of interferometer to step motion

使用SIOS干涉仪和PI-S303纳米位移台对检测系统进行动态标定,SIOS干涉仪的测量分辨率为1 nm。由信号发生器分别给压电位移台提供频率为100 Hz,峰峰值在5～1500 mV之间离散变化的正弦驱动电压,驱动位移台做频率100 Hz,幅值在1～300 nm之间离散分布的正弦运动,分别由SIOS干涉仪和实验系统检测振动信号。当位移台振动幅度增大至200 nm时,干涉仪输出波形出现轻微失真现象,继续增大振动幅度,信号失真严重,如图6所示。当位移台振幅减小至1 nm时,SIOS干涉仪和实验系统的输出信号如图7所示,从图中可以看出,输出波形的周期都为0.01 s,与驱动信号的频率100 Hz正好吻合,由于实验环境中存在一些低频扰动,使干涉仪的输出波形存在一定程度的漂移。根据标定实验结果,检测系统的最小动态响应位移可达1 nm,满足高灵敏度检测需求。

图6 检测系统对峰峰值200 nm正弦波的响应Fig.6 The response of detection system to the sine wave with peak-to-peak 200 nm

图7 SIOS干涉仪和检测系统对峰峰值1 nm正弦波的响应Fig.7 The response of SIOS interferometer and detection system to the sine wave with peak-to-peak 1 nm

3.2.3 噪声分析

根据测试环境,分析系统中的噪声主要来源于示波器、导线、平衡探测器、激光器和外界振动及空气干扰等。分别对各个部分产生的噪声信号进行频谱分析,如图8、9、10所示,可以看出示波器和平衡探测器的噪声主要分布在30 kHz以下,导线噪声在110～140 kHz之间,激光器的噪声分布在55～60 MHz,105 MHz,160 MHz。基于此提出了抑制噪声的解决方案,针对低频噪声,采用气浮光学平台作为系统搭建平台,此外,平衡探测器的射频输出也对低频噪声有一定的抑制作用；针对电磁噪声,在电子器件如平衡探测器、激光器等部件外部加铜网屏蔽电磁信号；针对外部振动与温度的影响,课题组设计研制了光学屏蔽罩置于光学平台上,不仅减小了外部振动、空气流动对系统的影响,内部的循环水系统还可以使光学罩内保持恒定的温度。

图8 示波器与示波器加导线的噪声频谱图Fig.8 Spectrum diagrams of the oscilloscope noise and the superposition noise of oscilloscope and wires

图9 示波器加导线与示波器连接平衡探测器的噪声频谱图Fig.9 Spectrum diagrams of the superposition noise of oscilloscope

图10 脉冲激光器噪声频谱图Fig.10 Noise spectrum of pulse laser

4 声表面波检测实验研究

4.1 声表面波信号检测

选择1050A型工业纯铝和[100]晶向单晶硅抛光片为实验样品,使用搭建的声表面波检测平台进行信号激发与检测。

由于实验采集的数据长度远远大于声表面波信号的长度,且实验所得信号往往混叠噪声成分,因而在信号分析前首先要截取出有效的声表面波信号。因实验条件和检测对象不同,声表面波的信号宽度往往不同[12-14]。为了获得有效声表面波信号,本研究提出以传播速度和信噪比作为综合依据来截取声表面波信号。由公式(16)计算声表面波的理论速度vR,根据相对位移得到声表面波的传播时间及信号的开始时刻,选取信噪比大于5的声表面波信号为有效信号。

(16)

为了进一步消除噪声影响,本研究使用巴特沃斯低通滤波器进行信号处理,通频带为0～100 MHz。检测系统在铝片和硅片上得到的声表面波时域信号如图11所示。对实验数据进行处理,得到信号的频谱图12,在铝片上检测到的信号频带宽度达到50 MHz,在硅片上检测到的信号频带宽度达到90 MHz。实验结果表明,检测系统得到的声表面波信号噪声成分少,质量高,且具有较大的频带宽度。

图11 铝和硅上的声表面波时域信号Fig.11 Time domain signals of SAWs on aluminum and silicon

图12 铝和硅上的声表面波频域信号Fig.12 Frequency domain signals of SAWs on aluminum and silicon

4.2 重复性测量实验

保持激发线源和检测光斑的位置不变,在1050 A型铝片上重复采集声表面波信号20次,图13为任意四组信号的波形图。

图13 铝片上同一位置的声表面波检测信号Fig.13 SAW signals at the same position on the aluminum sheet

利用公式(17)计算声表面波时域信号的重复性误差,δe代表每组信号峰峰值偏离所有信号峰峰值平均值的百分比,x(i)为每组信号的峰峰值,N为重复采集的次数。

(17)

计算得到实验信号的峰峰值随机误差的平均值为1.255%,实验中多次连续测量时域信号的波形和幅值变化很小,可以认为该系统的重复性较好。

5 结 论

基于激光声表面波技术,本文设计搭建了正交偏振差分干涉声表面波检测系统,系统中使用偏振元件可有效消除杂散光,提高检测质量,使用差分结构可提高系统的信噪比和分辨率,调试环节得到的干涉条纹可见度达0.94。使用压电陶瓷纳米位移台和SIOS干涉仪对系统进行标定,测试结果表明系统的最小静态响应位移25 nm,最小动态响应位移1 nm。利用该系统在1050 A工业用铝和[100]晶向硅片上进行激光声表面波检测实验,得到铝片上的信号检测带宽为50 MHz,硅片上信号检测带宽为90 MHz。通过重复性测量实验,得到20组实验信号的峰峰值随机误差的平均值为1.255%,系统的重复性较好。本文研究了检测系统的稳定性和可靠性,为声表面波检测系统的性能评估提供了科学可行的方法,对于提高宽频声表面波信号的检测精度和信号质量具有重要意义。