本发明属于激光声表面波测量技术领域，具体来说涉及一种基于双测量光束的激光声表面波探测系统及其使用方法。
背景技术：
激光的声表面波技术是应用激光与样品表面的相互作用来激发声表面波，是通过声表面波在样品表面的传播特性进行精确、无损测量的技术。由于激光声表面波的振动幅值向下渗透约1～2个波长，能量主要集中于表层，因此该技术尤其适合样品表面及亚表面的测量，广泛应用在薄膜、表层探伤等领域。
激光声表面波的测量方式有接触式和非接触式两大类，由于非接触式测量避免了接触式对样品的污染和损伤，满足了无损测量的需求，因而在激光声表面波测量中被广泛应用。激光声表面波在样品表面的传播速度与样品的杨氏模量有关，当样品表面受损后将导致杨氏模量发生变化从而使样品表层的物理基本性质发生变化，若对工业中的零件来说将直接影响其使役性能，缩短寿命。因此测量激光声表面波在样品表面传播速度对样品表层性能的监测具有重要意义。而传播速度的测量，需要测量激光声表面波激发源与检测位置之间的绝对距离，若采用直接对激发源和检测位置手动测量的方式，则不仅对激发源的定位不精确，存在较大测量误差，还大大降低了实验效率，不满足现代自动化的发展需求。
由于激发源与检测源的距离直接涉及激光声表面波速度的测量，其测量精度影响激光声表面波在实际应用系统中的检测准确性，因此该问题不可忽视。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于双测量光束的激光声表面波探测系统及其使用方法，该激光声表面波探测系统基于外差干涉技术，能够同时测量两个检测光斑的声表面波信号，进而测量激光声表面波速度，通过激光声表面波速度能够对激光声表面波的激发点源进行精确定位。
为此，本发明的技术方案如下：
一种基于双测量光束的激光声表面波探测系统，包括：控制器、光学检测系统集成箱体和步进电机，所述光学检测系统集成箱体包括：偏振型激光器、第一非偏振分光棱镜、数字示波器、第一分光结构和第二分光结构，
所述第一非偏振分光棱镜用于将所述偏振型激光器发射的激光分成两束传播方向相互垂直且光强相等的激光；两束激光分别射入第一分光结构和第二分光结构；所述第一分光结构和第二分光结构分别包括：第二非偏振分光棱镜、道威棱镜、偏振分光棱镜、声光调制器、光电探测器、相位解调电路和四分之一波片，射入所述第一分光结构和第二分光结构的激光在经过所述第二非偏振分光棱镜时均发生透射和反射，激光的透射与反射方向相互垂直，其中，反射的激光从所述道威棱镜的最长表面射入该道威棱镜，从所述道威棱镜射出经过所述偏振分光棱镜、线偏振片和第一聚焦透镜形成参考光束；从所述第二非偏振分光棱镜透射的激光经过所述声光调制器调制频率，调制后激光在所述偏振分光棱镜发生透射,然后依次经过四分之一波片和第二聚焦透镜，激光透过所述第二聚焦透镜形成检测光束并在样品表面垂直投射聚焦形成直径3～5μm的检测光斑；
所述第一分光结构和第二分光结构在所述样品表面垂直投射聚焦形成2个距离5～15mm的检测光斑，得到检测光斑A点和检测光斑B点；脉冲激光器用于激发激光声表面波，所述脉冲激光器所发射的激光在样品表面投射聚焦形成激发点源O点；
所述四分之一波片的快轴方向与经过所述声光调制器且从所述偏振分光棱镜透射的激光的偏振方向的夹角为45°；所述线偏振片安装在所述偏振分光棱镜与所述第一聚焦透镜之间，检测光束由所述样品表面反射后在经过所述线偏振片后与所述参考光束具有相同的偏振态，并与参考光束发生干涉，从而形成干涉信号，干涉信号通过第一聚焦透镜7聚焦；所述光电探测器用于探测所述第一聚焦透镜聚焦后的光信号；
所述数字示波器分别与所述第一分光结构和第二分光结构的光电探测器电连接，在每个所述光电探测器与所述数字示波器之间的电路上连接有一所述相位解调电路，用于恢复干涉信号中的激光声表面波信号；所述控制器与所述数字示波器电连接，用于控制所述数字示波器采集相位解调电路解调后的激光声表面波信号；
所述数字示波器连接有触发装置，用于确定所述数字示波器采集的激光声表面波信号的零时刻；所述步进电机用于驱动所述光学检测系统集成箱体以形成检测光斑A点的检测光束为中心轴进行旋转。
在上述技术方案中，从所述第二分光结构的四分之一波片透过的激光经过多个平面镜，以使所述激光在样品表面垂直投射；所述数字示波器的触发方式为脉冲触发。
在上述技术方案中，所述第二聚焦透镜与所述样品表面之间光路的长度与所述第二聚焦透镜的焦距相等；所述检测光斑A点与所述激发点源O点之间的距离大于所述检测光斑A点与所述检测光斑B点之间的距离。
在上述技术方案中，所述样品位于三维精密位移台上。
用上述激光声表面波探测系统测量激光声表面波速度的方法，包括以下步骤：
1)系统初始化：将所述数字示波器的采样频率调至大于1GHz；
在所述1)中，所述数字示波器的采样频率为1～2.5GHz；
在所述1)中，所述数字示波器的平均采样次数为2～512次/采集点。
2)测量两个所述检测光斑之间的距离，得到d；
在所述2)中，测量检测光斑A点和检测光斑B点之间的距离采用螺旋测微器，所述螺旋测微器的测量精度为0.01mm。
3)打开所述脉冲激光器，以使所述脉冲激光器发射的激光在样品表面形成激发点源O点，所述步进电机以0.09～3°的步距角驱动所述光学检测系统集成箱体旋转至少180°；在旋转过程中，确定激光声表面波的峰值从所述激发点源O点到达检测光斑B点的最长时间或最短时间时的旋转角度θ，并调节所述光学检测系统集成箱体固定在该角度，此时所述激发点源O点、检测光斑A点和检测光斑B点位于同一直线；
在所述步骤3)中，所述步进电机的步距角为0.09～0.18°。
4)通过外差干涉方法获得所述脉冲激光器激发的激光声表面波的峰值从所述激发点源O点分别到达检测光斑A点和检测光斑B点的时间，得到tA和tB，将所述tA、tB和d代入公式，得到激光声表面波速度VR；
用上述激光声表面波速度对激发点源精确定位的方法，包括以下步骤：将所述VR和检测光斑时间相乘，得到激发点源与检测光斑之间的距离s，其中，所述检测光斑时间为tA或tB。
上述激光声表面波探测系统在对表面及亚表面缺陷无损精密测量中的应用。
上述测量激光声表面波速度的方法在测量激光声表面波速度中的应用。
上述测量激光声表面波速度的方法得到的激光声表面波速度在对激光点源精确定位中的应用。
相比于现有技术，本发明的激光声表面波探测系统结构简单，操作方便，其使用方法能够测量激光声表面波速度，可对激光声表面波的激发点源进行精确定位，通过计算机控制能够显著提高工作效率，为激光声表面波在实际应用中提供新的速度测量方法，对激光声表面波检测系统的精确测量以及工业自动化具有重要意义，满足了无损和自动化测量的要求。
附图说明
图1为激发点源O点、检测光斑A点和检测光斑B点的位置关系图，其中，d：两个检测光束(光斑)间的距离，d’:AC的距离，s：激发点源与靠近其检测光斑的距离；
图2为检测光斑A点和检测光斑B点旋转形成的圆域与激发点源O点的位置关系示意图，其中2(a)为激发点源O点位于圆域内,2(b)为激发点源O点位于圆域外,2(c)为激发点源O点位于圆域的周边上；
图3为本发明的激光声表面波探测系统的结构示意图；
图4为检测光斑A点和检测光斑B点检测到的声表面波信号。
其中，1：偏振型激光器 2：第一非偏振分光棱镜
3：第二非偏振分光棱镜 4：偏振分光棱镜
5：道威棱镜 6：线偏振片
7：第一聚焦透镜 8：四分之一波片
9：第一平面镜 10：第二平面镜
11：样品 12：三维精密位移台
13：光电探测器 14：相位解调电路
15：光学检测系统集成箱体 16：步进电机
17：固定转轴 18：数字示波器
19：控制器 20：第二聚焦透镜
21：声光调制器
具体实施方式
在本发明的技术方案中，数字示波器18的采样频率为1～2.5GHz，在本实施方式中，采样频率为2.5GHz。数字示波器18的平均采样次数为2～512次/采集点，触发方式为脉冲触发；偏振型激光器1为632.8nm的HeNe激光器。脉冲激光器波长为532nm，脉宽1.7ns，频率10Hz。控制器19为计算机。
下面结合附图对本发明的激光声表面波探测系统及其使用方法进行详细说明。
如附图1～3所示，包括：控制器19、光学检测系统集成箱体15和步进电机16，光学检测系统集成箱体15位于样品11的上方。光学检测系统集成箱体15包括：偏振型激光器1、第一非偏振分光棱镜2(非偏振分光棱镜：NPBS，Non-polarizing Beam splitter)、数字示波器18、第一分光结构(图中未标出)和与该第一分光结构相同的第二分光结构(图中未标出)。偏振型激光器1作为激光声表面波探测系统的激光源，其频率稳定，发射P偏振光。第一非偏振分光棱镜2用于将偏振型激光器1发射的激光分成两束传播方向相互垂直且光强相等的激光(光强比为1:1，频率均为f)；两束激光分别射入第一分光结构和第二分光结构；第一分光结构和第二分光结构分别包括：第二非偏振分光棱镜3、道威棱镜5、偏振分光棱镜(PBS)4、声光调制器21、光电探测器13、相位解调电路14和四分之一波片8，射入第一分光结构和第二分光结构的激光在经过第二非偏振分光棱镜3时均发生透射和反射，激光的透射与反射方向相互垂直，其中，反射的激光从道威棱镜5的最长表面射入该道威棱镜5并在该道威棱镜5内发生2次全反射，发生2次全反射后从道威棱镜5射出经过偏振分光棱镜4、线偏振片6和第一聚焦透镜7形成参考光束。
另一方面，从第二非偏振分光棱镜3同时透射的激光经过声光调制器21调制频率(频率被调制成f+fm，fm＝80MHz)，调制后激光在偏振分光棱镜4发生透射,然后依次经过四分之一波片8和第二聚焦透镜20，激光透过第二聚焦透镜20形成检测光束并在样品11表面垂直投射聚焦形成直径3～5μm的检测光斑(样品应位于第二聚焦透镜的焦点处，即第二聚焦透镜20与样品11表面之间光路的长度与第二聚焦透镜的焦距相等)。
由于光学元件大小的限制，两检测光斑的距离不可太近。在具体实施方式中，图3中平面镜9的直径为12.7mm，它在平行于样品方向(即水平方向)的分量为9mm，因此两束光的间距大于4.5mm；又考虑到信号传播中的损失问题，两检测光斑的距离不可太远，最后确定2个检测光斑的间距在5mm～15mm之间为宜。因此，第一分光结构和第二分光结构在样品11表面垂直投射聚焦形成2个距离5～15mm的检测光斑，得到检测光斑A点和检测光斑B点；脉冲激光器用于激发激光声表面波，脉冲激光器(图中未示出)所发射的激光在样品11表面聚焦形成激发点源O点。
四分之一波片8的快轴方向与经过声光调制器21且从偏振分光棱镜4透射的激光的偏振方向的夹角为45°，当从样品表面反射回的光再次经过四分之一波片8时，光的偏振方向恰好改变90°，在经过偏振分光棱镜4发生反射。线偏振片6安装在偏振分光棱镜4与第一聚焦透镜7之间，线偏振片的透光轴与该线偏振片入射光的偏振方向的夹角大于0°小于90°，检测光束由样品11表面反射后在经过线偏振片6后与参考光束具有相同的偏振态，从而与参考光束发生干涉，形成干涉信号，干涉信号通过第一聚焦透镜7聚焦；光电探测器13用于探测第一聚焦透镜7聚焦后的光信号(光电探测器13位于第一聚焦透镜7的焦点处)。
如图3所示，第一分光结构射出的光路能够直接在样品11表面垂直投射形成检测光斑A点，第二分光结构射出的光路开始为水平向右传播，后通过多个平面镜使其射出的激光(即检测光束)能够垂直投射在样品11表面并形成检测光斑B点。多个平面镜包括：2个第一平面镜9以及1个第二平面镜10，第二平面镜10固定在位移台上，2个第一平面镜沿水平线对称设置(如图3所示)，通过2个第一平面镜的反射使光路从水平向右传播改变成水平向左传播，改变后光路的位置位于原始光路的下方，再通过第二平面镜10将光路反射成向下的竖直方向。若需要改变两个检测光斑的距离，可以通过在水平方向上移动第二平面镜10的位移台，实现距离的调节；另一方面，样品11位于三维精密位移台12上，通过三维位移台12使样品在垂直于检测光束的平面内精密移动，可以快速实现激光声表面波在样品不同区域内的速度测量。
数字示波器18分别与第一分光结构和第二分光结构的光电探测器13电连接，在每个光电探测器13与数字示波器18之间的电路上连接有一相位解调电路14(杨玮萍.激光外差干涉中超声信号的解调技术研究[D].中北大学,2016.)，用于恢复干涉信号中的声表面波信号；控制器19与数字示波器18电连接，用于控制数字示波器18采集相位解调电路14解调后的声表面波信号。通过光电探测器对声表面波信号进行探测、光电转换和放大，利用相位解调电路对声表面波信号解调，并由计算机控制数字示波器采集。
由于在采集声表面波信号时需要一个外部触发来确定数字示波器采集的零时刻，即激光声表面波产生并开始传播的时刻，因此数字示波器18连接有触发装置，用于确定数字示波器18采集的声表面波信号的零时刻；当打开激发声表面波的脉冲激光器时，脉冲激光器发射的激光光束大部分能量将被聚焦到样品上形成激发点源，同时还有少量杂散光被触发装置感应从而形成数字示波器的触发信号。该触发装置具有光电转换、信号放大的作用，并且对激发激光声表面波的激光器所对应波长的光感应尤其灵敏，为了保证触发的同步性，该装置的响应时间要在纳秒量级。
上述采集声表面波信号通过外差干涉技术，其实现主要通过在经典马赫曾德干涉系统的检测光束中加入声光调制器，使检测光束在声光调制器的中心频率处被调制，当有声表面波信号经过检测光斑时会引起参考光束与检测光束相位差的变化，通过光电探测器对平均干涉信号的光电转换可以获得输出光电流与相位差的关系式1。其中I1和I2是参考光与检测光产生的直流分量，f为参考光束频率，fm为声光调制器的中心频率(调制频率)，u(t)是激光声表面波的位移波形，是没有声表面波信号时的相位即初始相位，λ是激光器的波长。可以看出光电探测器输出的光电流与调制频率以及声表面波信号有关，通过相位解调电路可以将声表面波信号解调出来。
触发装置、脉冲激光器和数字示波器信号传递过程：打开脉冲激光器的同时，大部分光束聚焦到样品表面形成激发点源来激发声表面波信号，而少量杂散光则直接传播至触发装置，为了保证激发激光声表面波时刻与触发的同步性，要求两部分的光程相等，即脉冲激光传播到激光点源O点的光程与脉冲激光到达触发装置的光程相等。触发装置在接收到脉冲激光器发射的光信号后，对该光信号进行光电转换、放大等，然后将其输入到数字示波器作为采集激光声表面波信号的触发信号。当激光声表面波信号传播至检测点A时，由于触发信号的存在以及控制器对示波器的实时控制，使激光表面波信号在采集时有明确零时刻，并稳定显示在控制器中。
步进电机16用于驱动光学检测系统集成箱体15以形成检测光斑A点的检测光束为中心轴进行旋转。脉冲激光器发射的激光声表面波在样品11表面聚焦形成激发点源O点，由于图2(a)和2(c)中检测光斑在旋转时可能受到激发装置(由脉冲激光器与相关光学器件组成)的遮挡，因此本发明的技术方案最佳优选附图2(b)所示情况，即检测光斑A点与激发点源O点之间的距离大于检测光斑A点与检测光斑B点之间的距离。
由于激发点源激发的激光声表面波以球面波的形式向外传播，因此当激发点源O、检测光斑A和检测光斑B不在一条直线上时也能拾取到声表面波信号，但是在这种情况下，如图1所示，在B’点(绕A点转动AB使O、A和B不共线的任意一点)检测到激光声表面波的峰值时刻将与B点不同，则不能直接用AB之间的距离d来计算，而应该用d’，它是为以OB’为半径O为圆心画圆与OB的交点C(在OB上使OC等于OB’)到A的距离。为了计算方便，我们把O、A和B共线视为该测量方法的前提条件，通过围绕垂直于样品表面且过检测光斑A的直线为轴，以AB距离为半径，来旋转检测光斑B点的方式对O、A和B进行共线调节。在实际测量中两个测量光斑旋转所构成的圆域与激发点源的位置关系有三种，即激发点源O点在圆域内，圆域外和圆域上，分别如图2的(a)(b)(c)所示。根据数学几何关系从(a)图中可以得到公式(2)和(3)，从(b)图可以得到关系式(2)和(4)，从图(c)也可以得到关系式(2)。因此可以总结出当O、A和B共线时，OB最长或最短的结论，即激光声表面波峰值到达时刻最大或最小。通过实时采集声表面波信号，根据峰值时刻大小确定三点共线位置。
OA+AB＝OA+AB1＞OB1 (2)
OA+OB3＝AB2＜OA+OB2 (3)
OB3+B3A＜OB2+AB2 (4)
上述激光声表面波探测系统对测量激光声表面波速度能够得到很好的应用，用上述激光声表面波探测系统测量激光声表面波速度的方法，包括以下步骤：
1)系统初始化：将数字示波器18的采样频率调至大于1GHz；
2)采用测量精度为0.01mm的螺旋测微器测量两个检测光斑之间的距离，得到d；
3)调节第二聚焦透镜20与样品表面的距离使样品处于第二聚焦透镜的焦点。打开脉冲激光器，以使脉冲激光器发射的激光在样品11表面形成激发点源O点，步进电机与控制器电连接，控制步进电机的上位机软件使该步进电机16以0.09～3°固定的步距角、较低转动频率(≤1Hz)驱动光学检测系统集成箱体15旋转至少180°。其中，步进电机的步距角优选0.09～0.18°。
根据外差干涉方法拾取检测光斑B点在旋转过程中，在每个旋转角度处的声表面波信号，确定激光声表面波的波峰从激发点源O点到达检测光斑B点的最长时间或最短时间时(最长时间时，检测光斑B点位于其距离激发点源O点的最远点；最短时间时，检测光斑B点位于其距离激发点源O点的最近点)步进电机所旋转的角度θ，这些声表面波信号由计算机控制数字示波器显示、采集并保存。步进电机调节光学检测系统集成箱体15固定在角度θ，即，此时激发点源O点、检测光斑A点和检测光斑B点位于同一直线。
4)在调节激发点源O、检测光斑A和B共线后，激光声表面波从O点沿OB直线传播至检测光斑A点和检测光斑B点。通过外差干涉方法获得激发点源激发的激光声表面波峰值从O点分别到达检测光斑A点和检测光斑B点的时间，得到tA和tB，将tA、tB和d代入公式1，得到激光声表面波速度VR；
上述VR对激发点源的精确定位能够得到很好的应用。用得到的激光声表面波速度计算激发点源与检测光斑之间的距离的方法，即实现激发点源的精确定位，包括以下步骤：将VR和检测光斑时间相乘，得到激发点源与检测光斑之间的距离s，其中，检测光斑时间为tA或tB。
例如，如图1所示，可通过公式(6)求得OA的距离s：
s＝VR*tA (6)
下面以(100)单晶硅样品为例进行说明，传播至检测光斑A点和检测光斑B点的激光声表面波检测结果如图4所示。提取激光声表面波峰值所对应的时刻，tA为2.515μs，tB为3.799μs，d为6.500mm，通过公式1计算出激光声表面波的速度为5062m/s，由公式(6)确定激发点源O点在远离检测光斑B点方向上距离检测光斑A点12.731mm处。
另外，本发明的激光声表面波探测系统在表面及亚表面缺陷无损精密测量中也有较好的应用，因为，目前对表面及亚表面缺陷的无损测量主要是单测量光束声表面波探测系统，该系统通过移动激发源的位置实现对不同检测距离的激光声表面波测量，但是，当利用该方法分析其中两组声表面波信号时，由于不同时刻环境的差异性以及这两组声表面波信号测量的不同时性将导致较大的测量误差。而本发明的激光声表面波探测系统却不存在此误差。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。