（圖源網(wǎng)絡，侵刪）

激光超聲波檢測技術(shù)代表了無損檢測領(lǐng)域的重大革新，它通過全光學手段實現(xiàn)了傳統(tǒng)接觸式超聲檢測的所有功能。其核心原理可分為兩個相輔相成的過程：

（激光超聲波可視化檢測原理）

激光激發(fā)超聲波采用短脈沖激光（通常為納秒或皮秒級）聚焦于材料表面。當激光能量被材料表層吸收時，會產(chǎn)生兩種不同的物理機制：在較低能量密度下，材料吸收光能后發(fā)生瞬時熱膨脹，產(chǎn)生寬頻帶的超聲波（熱彈效應）；在較高能量密度下，表面微量物質(zhì)被等離子化或蒸發(fā)，產(chǎn)生類似"光錘"的反沖力，更高效地注入超聲波能量（燒蝕效應）。

（激光產(chǎn)生超聲波--熱彈和燒蝕）

激光探測超聲波則采用連續(xù)激光作為精密"光尺"。當超聲波傳播至材料表面時，會引起納米級的微觀位移。探測激光照射到該區(qū)域后，其反射或散射光會攜帶這一振動信息。通過精密的光學干涉技術(shù)，這些相位變化被轉(zhuǎn)換為光強信號，最終重構(gòu)出完整的超聲波波形；具體為CW激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光片后分為探測束和參考光束；探測束入射到工件上，在工件表面發(fā)生散射，成為攜帶有工件表面振動信息的信號光束返回激光接收器，信號光束和參考光束在光折變晶體中發(fā)生混頻并得到與信號光束相適應的本地振蕩器波束，這兩列波束在光電探測器上產(chǎn)生干涉，得到與工件表面位移成比例的光電流。

（激光接收超聲波--激光干涉）

一、光學鏡片系統(tǒng)架構(gòu)：激發(fā)與探測的光路設計

１.激發(fā)光路的關(guān)鍵光學元件

激發(fā)光路負責將脈沖激光器的能量精確傳遞到檢測點，其核心元件包括：

擴束鏡作為光路起點，將激光器輸出的細小光束進行準直擴束，確保后續(xù)光學元件能夠均勻受光，同時降低能量密度，保護光學元件。

反射鏡構(gòu)成光路的"骨架"。高反射率平面鏡（通常針對激光波長優(yōu)化鍍膜）負責引導光束方向，特別是在復雜的多軸掃描系統(tǒng)中，一系列精密反射鏡構(gòu)成了光束的傳輸路徑。

聚焦透鏡或F-Theta掃描透鏡是決定檢測性能的關(guān)鍵。標準聚焦透鏡將激光束匯聚為微米級光斑，以獲得高空間分辨率和高能量密度。而與掃描振鏡協(xié)同工作的F-Theta透鏡則能確保激光束在掃描平面上任意位置都保持最佳聚焦狀態(tài)，這對于實現(xiàn)大面積C掃描成像至關(guān)重要。

（F-Theta掃描透鏡）

衰減片提供精確的能量控制能力。通過旋轉(zhuǎn)中性密度衰減片或使用電動可調(diào)衰減器，系統(tǒng)可以在熱彈模式與燒蝕模式間靈活切換，適應不同材料的檢測需求。

（環(huán)形漸變中性衰減片）

２.探測光路的精密光學配置

探測光路需要捕捉納米級的表面振動，對光學元件的精度和穩(wěn)定性要求極高：

分光鏡與偏振分光棱鏡是構(gòu)建干涉系統(tǒng)的核心。它們將探測激光分束為樣品光與參考光，其中偏振分光棱鏡能更好地控制光束的偏振態(tài)，提高干涉對比度和信號質(zhì)量。

（分光棱鏡）

聲光調(diào)制器是外差干涉系統(tǒng)的"心臟"。它通過聲波對晶體的調(diào)制作用，為參考光引入固定的頻率偏移（通常為40-200MHz），使探測光與參考光產(chǎn)生外差效應。這種設計使系統(tǒng)對低頻環(huán)境振動完全不敏感，極大提高了工業(yè)現(xiàn)場的適用性。

聚焦物鏡決定了探測點的空間分辨率。高數(shù)值孔徑的物鏡能將探測激光聚焦到極小光斑（可至數(shù)微米），與激發(fā)光斑精確匹配，實現(xiàn)對微小缺陷的高分辨率檢測。

收集透鏡則專門應對實際檢測中的漫反射表面。對于粗糙或非拋光的工業(yè)部件，大孔徑的收集透鏡最大限度地收集散射光信號，確保足夠的信噪比。

（聚焦透鏡）

二、工程實踐中的光學設計范式

外差干涉式系統(tǒng)：性能導向的經(jīng)典設計

經(jīng)典的外差干涉系統(tǒng)采用激發(fā)與探測光路分離的設計理念。激發(fā)脈沖激光通過獨立的擴束、掃描和聚焦系統(tǒng)照射樣品，而探測連續(xù)激光則通過包含AOM的完整干涉儀光路。這種設計的優(yōu)勢在于：

超高靈敏度：外差干涉對微弱信號有極佳響應

抗干擾能力強：對環(huán)境振動和低頻噪聲有天然免疫力

靈活性高：激發(fā)與探測點可獨立優(yōu)化

然而，這種系統(tǒng)需要復雜的光學對準和穩(wěn)定的機械平臺，多用于實驗室環(huán)境和高端科研應用。

同軸共路系統(tǒng)：工業(yè)集成的智慧選擇

在實際工業(yè)應用中，二向分光鏡的應用徹底改變了系統(tǒng)架構(gòu)。這種特殊的分光鏡根據(jù)波長選擇性工作——對激發(fā)脈沖激光波長高透，對探測連續(xù)激光波長高反（或反之），從而實現(xiàn)了兩束光的同軸共路傳輸。

（二向分光鏡）

同軸設計的核心優(yōu)勢：

結(jié)構(gòu)緊湊性：激發(fā)與探測共享同一套掃描和聚焦系統(tǒng)，大幅減少元件數(shù)量

固有對準保證：激發(fā)點與探測點天然重合，無需復雜的動態(tài)對準

機械穩(wěn)定性：簡化光路意味著更少的失調(diào)敏感性和更高的可靠性

掃描效率：無需協(xié)調(diào)兩套獨立的掃描系統(tǒng)，可實現(xiàn)高速大面積檢測

在這種設計中，反射鏡系統(tǒng)通常采用掃描振鏡形式，由兩個高速精密電機驅(qū)動的反射鏡組成，在計算機控制下實現(xiàn)光束的快速二維偏轉(zhuǎn)。F-Theta透鏡則確保在整個掃描場內(nèi)保持一致的聚焦性能。

（YAG場鏡）

三、光學鏡片選擇的技術(shù)考量因素

波長匹配性：所有光學元件必須針對系統(tǒng)使用的特定激光波長進行優(yōu)化。對于采用Nd:YAG激光器的系統(tǒng)（基頻1064nm，倍頻532nm），二向分光鏡的設計需要精確匹配這些波長，確保高效率的分光與合束。

功率耐受性：激發(fā)光路中的光學元件，特別是聚焦前的最后幾個鏡片，必須能夠承受高峰值功率的脈沖激光而不產(chǎn)生熱透鏡效應或損傷。這通常需要無吸收的介質(zhì)膜或金屬膜反射鏡。

表面質(zhì)量要求：探測光路中的光學元件，尤其是干涉儀中的分光鏡和參考鏡，需要λ/10甚至更高的表面平整度，以確保波前質(zhì)量不被破壞，維持高對比度的干涉。

環(huán)境適應性：工業(yè)現(xiàn)場的光學系統(tǒng)可能需要考慮溫度穩(wěn)定性、防塵密封、抗振動設計等。一些高端系統(tǒng)會采用全封閉光路或主動溫控設計。

四、應用場景與光學配置的對應關(guān)系

航空航天復合材料檢測通常采用同軸共路設計，配備高速掃描振鏡和大口徑F-Theta透鏡，以實現(xiàn)對大尺寸曲面部件的快速C掃描成像。系統(tǒng)中二向分光鏡的質(zhì)量直接決定了信噪比和檢測效率。

高溫部件在線監(jiān)測（如渦輪葉片）需要完全非接觸，常采用外差干涉式系統(tǒng)，通過長工作距離物鏡實現(xiàn)遠程檢測。反射鏡系統(tǒng)可能需要冷卻設計以應對熱輻射環(huán)境。

半導體薄膜計量追求極致精度，采用共焦法布里-珀羅干涉儀設計，需要超高品質(zhì)的光學鏡片和極穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)，對溫度波動極為敏感。

工業(yè)在線厚度檢測傾向于簡化設計，可能采用光束偏轉(zhuǎn)法，僅需要基本的反射鏡、聚焦透鏡和位置傳感器，犧牲一定靈敏度換取高速和低成本。

（激光反射鏡）

五、未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

光學系統(tǒng)集成化是目前最明顯的趨勢。將激發(fā)激光、探測激光、干涉儀和掃描系統(tǒng)集成到單一緊湊模塊中，通過光纖傳輸激光，只在檢測頭內(nèi)進行必要的聚焦和掃描，這大大提高了系統(tǒng)的可靠性和部署靈活性。

多功能光學設計也在不斷發(fā)展。例如，將超聲檢測與熱成像、散斑干涉等技術(shù)結(jié)合的多模態(tài)檢測系統(tǒng)，需要更復雜的光學鏡片組合和切換機制。

自適應光學技術(shù)開始被引入，以補償由熱擾動、機械振動或復雜曲面引起的光學像差，這需要引入變形鏡等主動光學元件。

成本與性能的平衡始終是工程應用的核心挑戰(zhàn)。如何在保證檢測性能的前提下，通過光學設計的優(yōu)化和批量生產(chǎn)降低關(guān)鍵鏡片（如高質(zhì)量二向分光鏡、F-Theta透鏡）的成本，是技術(shù)普及的關(guān)鍵。

激光超聲波檢測技術(shù)的光學系統(tǒng)是一個精密而復雜的光機電一體化工程。從基本的光束傳輸?shù)郊{米級振動的探測，每一片光學鏡片都扮演著不可替代的角色。在實際應用中，工程師們根據(jù)具體需求在經(jīng)典外差干涉系統(tǒng)與工業(yè)友好的同軸共路系統(tǒng)之間做出權(quán)衡選擇，其中二向分光鏡的應用正是這種工程智慧的典范。隨著光學制造技術(shù)的進步和系統(tǒng)集成度的提高，激光超聲檢測正朝著更智能、更緊湊、更穩(wěn)健的方向發(fā)展，為工業(yè)無損檢測開辟了全新的可能性。理解這些光學鏡片的應用原理和設計考量，不僅是設備開發(fā)者的必備知識，也是檢測技術(shù)使用者優(yōu)化檢測方案、解讀檢測結(jié)果的重要基礎(chǔ)。