一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置及方法

1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置及方法。


背景技术：

2.超精密光学元件的加工工艺复杂，极易引起微小裂纹、分层等各类亚表面缺陷。在强激光的照射下，光学元件亚表面微裂纹很容易引起强烈的局部热效应使温度急剧升高而导致元器件严重损伤，严重影响光束质量，制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。数据显示：绝大多数超精密加工的材料和器件失效都是由亚表面微裂纹引起的。亚表面微裂纹的检测水平一直限制着我国精密加工制造业的发展。因此，透明光学元件亚表面微裂纹的高效、无损检测是亟需解决的重要问题。现有光学元件亚表面裂纹检测技术包括破坏性方法和非破坏性方法。破坏性方法，如抛光法、界面粘接法、截面显微法、化学蚀刻法等，会破坏昂贵的光学元件或导致其失效，在样件制备过程中也容易产生附加的亚表面损伤，检测效率低，具有不可重复性；非破坏性检测方法，包括光学相干层析、激光散射技术、扫描声学显微镜、激光超声技术等，不会破坏样品，能够实现在线检测和高效率、高精度的检测。激光超声检测技术对材料表面/亚表面裂纹的检测，是通过观察与裂纹相互作用之后的声波在时延、幅值、频率上的变化来确定材料裂纹的位置和方向等信息。激光超声检测技术获得的信号需要进行复杂的数据处理和分析，才能准确判断亚表面微裂纹情况。
3.传统的激光超声检测技术只能获得裂纹位置和大小等信息，不能直接显示裂纹形态。此外，对于开口宽度更小，如微米量级的或者具有闭合界面特征的裂纹，由于声波波长的限制，反射波的比例相比入射波来说非常小，难以观测，且装置收纳保护和移动不方便。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决传统的激光超声检测不能直接显示裂纹形态，反射波的比例相比入射波来说非常小，难以观测，且装置收纳保护和移动不方便的缺点，而提出的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置及方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，包括安装板，所述安装板的底部对称固定安装有两个支架，两个支架的底部活动安装有移动装置，安装板上滑动安装有支撑装置，支撑装置上固定安装有连接装置，安装板的顶部固定安装有保护管，保护管内滑动安装有放置板，安装板的顶部活动安装有带动装置，放置板上固定安装有显示控制器和延时控制器，控制控制器上连接有ccd相机，ccd相机上连接有第二聚焦透镜，第二聚焦透镜上连接有第二分光棱镜，第二分光棱镜上连接有第三金属膜反射镜，第二分光棱镜上连接有第二金属膜反射镜，延时控制器上连接有第二脉冲激光器，第二脉冲激光器上连接有扩束镜，扩束镜上连接有第一分光棱镜，延时控制器上连接有第一脉冲激光器，
第一脉冲激光器上连接有1/2波片，1/2波片上连接有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜上连接有第一金属膜反射镜，第一金属膜反射镜上连接第一聚焦透镜。
7.优选的，所述移动装置包括若干个导向轮，若干个导向轮分别活动安装在两个支架的底部。
8.优选的，所述支撑装置包括支撑架，支撑架滑动安装在安装板上。
9.优选的，所述安装板上开设有滑动孔，滑动孔内滑动安装有滑块，滑块的底部固定安装有支撑杆，支撑架固定安装在支撑杆上，滑动孔内固定安装有压簧，压簧与滑块固定连接。
10.优选的，所述连接装置包括斜板，斜板固定安装在滑块的顶部。
11.优选的，所述带动装置包括两个第一滑动架、两个连接架和两个第二滑动架，两个第一滑动架对称滑动安装在安装板的顶部，两个连接架分别转动安装在两个第一滑动架上，两个第二滑动架分别转动安装在两个连接架上，两个第二滑动架均与放置板滑动连接。
12.一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的使用方法，包括以下步骤：
13.s1：将待测样品放置在检测装置中，并对其进行调整和定位。
14.s2：启动第一脉冲激光器，发射脉冲激光，通过第一金属膜反射镜和第一聚焦透镜将激光反射并聚焦到待测样品的表面区域，在材料中激发出超声波；
15.s3：启动第二脉冲激光器，发射另外一束脉冲激光。该激光光束经过扩束镜扩束、第一分光棱镜分光以及第二金属膜反射镜和第三金属膜反射镜反射之后，在第二分光棱镜处形成干涉条纹。此时，在超声波的作用下，待测光学元件中的微裂纹的开合状态发生变化，导致激光经过裂纹后会产生相应的干涉图像。
16.s4：通过显示控制器控制时延控制器对第二脉冲激光器的出射时间和ccd相机的曝光时间进行调节，使ccd相机采集到不同时刻的干涉图像。
17.s5：使用显示控制器对捕捉到的干涉图像进行显示，并据此判断样品内部存在的亚表面微裂纹的有无、位置和深度信息。
18.s6：并且在使用时，可以通过导向轮将装置移动到合适的使用位置进行使用，使用时，通过第一滑动架、连接架和两个第二滑动架可以带动放置板移动将检测装置推出保护管外进行使用，同时可以通过斜板带动滑块移动，从而可以带动支撑架支撑地面确保装置使用时的稳定。
19.本发明中，所述一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的有益效果：
20.(1)本方案由于设置了第一脉冲激光器、1/2波片、偏振分光棱镜、第一金属膜反射镜、第一聚焦透镜、第二脉冲激光器、扩束镜、第一分光棱镜、第二金属膜反射镜、第三金属膜反射镜、第二分光棱镜、第二聚焦透镜、ccd相机、显示控制器、延时控制器，不需要对干涉图像进行数据处理，就可以达到直接显示裂纹形态的效果，提高了对透明光学元件亚表面微裂纹的检测速度，并且能够有效地检测微米量级或具有闭合界面特征的裂纹。此外，本发明还具有非破坏性、可重复性等优点；
21.(2)本方案由于设置了安装板、支架、导向轮、滑动孔、滑块、斜板、压簧、支撑杆、支撑架、保护管、放置板、第一滑动架、连接架、第二滑动架，可以通过导向轮移动整个装置，且
在移动后可以通过支撑架的支撑确保装置使用时的稳定，不使用时可以通过保护管进行保护。
22.本发明能直接显示裂纹形态，反射波的比例相比入射波来说比较，便于观测，且装置收纳保护和移动方便。
附图说明
23.图1为本发明提出的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的结构示意图；
24.图2为本发明提出的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的安装板、保护管等剖视结构示意图；
25.图3为本发明提出的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置图2的a部分放大结构示意图；
26.图4为本发明提出的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的斜板立体结构示意图；
27.图5为本发明提出的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的步骤流程结构示意图。
28.图中：1、第一脉冲激光器；2、1/2波片；3、偏振分光棱镜；4、第一金属膜反射镜；5、第一聚焦透镜；6、第二脉冲激光器；7、扩束镜；8、第一分光棱镜；9、第二金属膜反射镜；10、第三金属膜反射镜；11、第二分光棱镜；12、第二聚焦透镜；13、ccd相机；14、显示控制器；15、延时控制器；16、安装板；17、支架；18、导向轮；19、滑动孔；20、滑块；21、斜板；22、压簧；23、支撑杆；24、支撑架；25、保护管；26、放置板；27、第一滑动架；28、连接架；29、第二滑动架。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
30.实施例一
31.参照图1，一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，包括安装板16，安装板16的底部对称固定安装有两个支架2，两个支架2的底部活动安装有移动装置，安装板16上滑动安装有支撑装置，支撑装置上固定安装有连接装置，安装板16的顶部固定安装有保护管25，保护管25内滑动安装有放置板26，安装板16的顶部活动安装有带动装置，放置板26上固定安装有显示控制器14和延时控制器15，控制控制器15上连接有ccd相机13，ccd相机13上连接有第二聚焦透镜12，第二聚焦透镜12上连接有第二分光棱镜11，第二分光棱镜11上连接有第三金属膜反射镜10，第二分光棱镜11上连接有第二金属膜反射镜9，延时控制器15上连接有第二脉冲激光器6，第二脉冲激光器6上连接有扩束镜7，扩束镜7上连接有第一分光棱镜8，延时控制器15上连接有第一脉冲激光器1，第一脉冲激光器1上连接有1/2波片2，1/2波片上连接有偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3上连接有第一金属膜反射镜4，第一金属膜反射镜4上连接第一聚焦透镜5。
32.参照图2，移动装置包括若干个导向轮18，若干个导向轮18分别活动安装在两个支架17的底部，支撑装置包括支撑架24，支撑架24滑动安装在安装板16上，可以通过导向轮18
移动装置。
33.参照图3，安装板16上开设有滑动孔19，滑动孔19内滑动安装有滑块20，滑块20的底部固定安装有支撑杆23，支撑架24固定安装在支撑杆23上，滑动孔19内固定安装有压簧22，压簧22与滑块20固定连接，确保了支撑杆23的稳定移动。
34.参照图4，连接装置包括斜板21，斜板21固定安装在滑块20的顶部，通过立体图展现出了斜板21的形状特征。
35.参照图5，展示了装置的流程结构图。
36.本实施例中，使用第一脉冲激光器1向待测样品发射脉冲激光，以在待测样品中激发出不同模式的超声波，如在材料内部传播的体纵波和体横波，在材料表面传播的rayleigh波等，第二脉冲激光器6的出射激光束通过扩束镜7扩束后，经第一分光棱镜8分成两束，其中一束作为参考光，经过第三金属膜反射镜9反射，另一束作为信号光，经过第二金属膜反射镜10反射后经过待测材料的被检区域，透射过待测样品的信号光和经过第三金属膜反射镜9反射的参考光在第二分光棱镜11处发生干涉，干涉信号携带待测材料内部的微裂纹信息，经第二聚焦透镜12聚焦至ccd相机13的成像面上，ccd相机13采集到的干涉图传导至显示控制器14，通过时延控制器15控制第一脉冲激光1与第二脉冲激光6出光的时间间隔、ccd相机13的拍照时间，可以获得样品中不同时刻的干涉图像，从干涉图像中即可判断待测样品中微裂纹的有无、位置和深度信息，且可以通过导向轮18移动整个装置，移动好后，可以通过支撑架24的支撑确保装置使用时的稳定，且不使用时可以将装置收纳在保护管25内进行保护。
37.实施例二
38.本实施例与实施例一的区别在于：可以在保护管25的顶部加装一个保护盖，在不使用收纳时可以进一步的提高保护效果，并且，由于脉冲激光器的尺寸较大，其在使用时是不需要进行收纳的，本装置的收纳保护装置不包括保护收纳脉冲激光器。
39.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，包括安装板(16)，其特征在于，所述安装板(16)的底部对称固定安装有两个支架(2)，两个支架(2)的底部活动安装有移动装置，安装板(16)上滑动安装有支撑装置，支撑装置上固定安装有连接装置，安装板(16)的顶部固定安装有保护管(25)，保护管(25)内滑动安装有放置板(26)，安装板(16)的顶部活动安装有带动装置，放置板(26)上固定安装有显示控制器(14)和延时控制器(15)，控制控制器(15)上连接有ccd相机(13)，ccd相机(13)上连接有第二聚焦透镜(12)，第二聚焦透镜(12)上连接有第二分光棱镜(11)，第二分光棱镜(11)上连接有第三金属膜反射镜(10)，第二分光棱镜(11)上连接有第二金属膜反射镜(9)，延时控制器(15)上连接有第二脉冲激光器(6)，第二脉冲激光器(6)上连接有扩束镜(7)，扩束镜(7)上连接有第一分光棱镜(8)，延时控制器(15)上连接有第一脉冲激光器(1)，第一脉冲激光器(1)上连接有1/2波片(2)，1/2波片上连接有偏振分光棱镜(3)，偏振分光棱镜(3)上连接有第一金属膜反射镜(4)，第一金属膜反射镜(4)上连接第一聚焦透镜(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，其特征在于，所述移动装置包括若干个导向轮(18)，若干个导向轮(18)分别活动安装在两个支架(17)的底部。3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，其特征在于，所述支撑装置包括支撑架(24)，支撑架(24)滑动安装在安装板(16)上。4.根据权利要求3所述的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，其特征在于，所述安装板(16)上开设有滑动孔(19)，滑动孔(19)内滑动安装有滑块(20)，滑块(20)的底部固定安装有支撑杆(23)，支撑架(24)固定安装在支撑杆(23)上。5.根据权利要求4所述的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，其特征在于，所述滑动孔(19)内固定安装有压簧(22)，压簧(22)与滑块(20)固定连接。6.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，其特征在于，所述连接装置包括斜板(21)，斜板(21)固定安装在滑块(20)的顶部。7.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置，其特征在于，所述带动装置包括两个第一滑动架(27)、两个连接架(28)和两个第二滑动架(29)，两个第一滑动架(27)对称滑动安装在安装板(16)的顶部，两个连接架(28)分别转动安装在两个第一滑动架(27)上，两个第二滑动架(29)分别转动安装在两个连接架(28)上，两个第二滑动架(29)均与放置板(26)滑动连接。8.一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：将待测样品放置在检测装置中，并对其进行调整和定位；步骤s2：启动第一脉冲激光器(1)，发射脉冲激光，通过第一金属膜反射镜(4)和第一聚焦透镜(5)将激光反射并聚焦到待测样品的表面区域，在材料中激发出超声波；步骤s3：启动第二脉冲激光器(6)，发射另外一束脉冲激光；该激光光束经过扩束镜(7)扩束、第一分光棱镜(8)分光以及第二金属膜反射镜(9)和第三金属膜反射镜(10)反射之后，在第二分光棱镜(11)处形成干涉条纹；此时，在超声波的作用下，待测光学元件中的微裂纹的开合状态发生变化，导致激光经过裂纹后会产生相应的干涉图像；步骤s4：通过显示控制器(14)控制时延控制器(15)对第二脉冲激光器(6)的出射时间
和ccd相机(13)的曝光时间进行调节，使ccd相机(13)采集到不同时刻的干涉图像；步骤s5：使用显示控制器(14)对捕捉到的干涉图像进行显示，并据此判断样品内部存在的亚表面微裂纹的有无、位置和深度信息；步骤s6：并且在使用时，可以通过导向轮(18)将装置移动到合适的使用位置进行使用，使用时，通过第一滑动架(27)、连接架(28)和两个第二滑动架(29)可以带动放置板26移动将检测装置推出保护管(25)外进行使用，同时可以通过斜板(21)带动滑块(20)移动，从而可以带动支撑架(24)支撑地面确保装置使用时的稳定。

技术总结
本发明属于无损检测技术领域，尤其是一种基于激光干涉技术的透明光学元件亚表面微裂纹检测装置及方法，针对传统的激光超声检测不能直接显示裂纹形态，反射波的比例相比入射波来说非常小，难以观测，且装置收纳保护和移动不方便的问题，现提出如下方案，其包括安装板，所述安装板的底部对称固定安装有两个支架，两个支架的底部活动安装有移动装置，安装板上滑动安装有支撑装置，支撑装置上固定安装有连接装置，安装板的顶部固定安装有保护管，保护管内滑动安装有放置板，安装板的顶部活动安装有带动装置，本发明能直接显示裂纹形态，反射波的比例相比入射波来说比较，便于观测，且装置收纳保护和移动方便。收纳保护和移动方便。收纳保护和移动方便。


技术研发人员：李梦梦 王鹏
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/9