[发明专利]一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统及方法

权利要求书

1.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统包括激光发生器、激光传输装置、精密移动装置、激光超声信号检测装置和控制模块，激光发生器发出的激光经激光传输装置后照射在被测样品表面，激光超声信号检测装置检测被测样品内部的超声信号，传输到控制模块进行分析处理和显示，确定被检初始特征位置，控制模块反馈控制精密移动装置以调节激光传输装置输出端各光纤之间的间距，获得被检特征清晰形貌特征；

激光传输装置包括凸透镜、光纤耦合器和光纤阵列，激光发生器发出的激光经凸透镜聚焦之后入射到光纤耦合器上，光纤耦合器连接光纤阵列的输入端，光纤阵列的输出端与精密移动装置连接，光纤阵列包括n根型号相同，长度成等差排列的光纤，n≥2，且精密移动装置用于调节光纤阵列输出端各光纤间距；

精密移动装置为一个或多个步进电机，或为其它能够控制光纤输出端移动的装置，精密移动装置控制光纤阵列输出端的位置在一条线上变化，使竖直照射在被测样品上的激光光斑成线性阵列排布；

控制模块包括信号处理电路、示波器和计算机，信号处理电路对激光超声信号检测装置输出的超声信号处理后一方面通过示波器进行显示波形，另一方面输入计算机进行分析处理，计算机根据处理结果反馈控制精密移动装置调整激光传输装置输出端各光纤的间距。

2.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：激光超声信号检测装置为接触式的超声感应器或光学干涉仪。

3.根据权利要求1所述的一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测系统，其特征在于：该系统还包括电控位移台和步进电机，被测样品放置在电控位移台上，控制模块通过控制步进电机的转动来控制电控位移台，实现被测样品的移动。

4.一种实现超声快速扫描和定点聚焦的激光超声激发与检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统对被测样品进行快速扫描；具体为：

利用精密移动装置控制调整各光纤的间距d等间距变化，实现激光超声信号的增强方向θ的变化，进而完成对整个x-z二维探测平面的快速扫描，θ与d之间的关系为式中c是超声波在被测样品中的波速，△t是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔；再利用步进电机控制电控位移台实现被测样品在x-y平面的移动，从而完成对被测样品的三维快速扫描；

(2)通过激光超声信号检测装置接收被测样品内部的超声信号，由信号处理电路分别连接示波器和计算机，以此实现对被测样品内部被检特征的位置检测，获取被检特征初始形貌特征；具体为：

在快速扫描阶段，当计算机分析出激光超声信号检测装置接收到非样品边界反射回来的超声信号，则认定被测样品中存在被检特征，通过控制精密移动装置和步进电机来改变超声信号在被测样品中传播路径，然后实现对被检特征位置和形貌的初步检测；

(3)系统对被检特征位置进行定点聚焦，获取被检特征清晰形貌特征；具体为：

为使超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，需满足以下方程：

式中，r₁，r₂，r_i和r_n分别是第一根光纤，第二根光纤，第i根光纤和第n根光纤出射激光光斑距离聚焦点的距离，c是超声波在被测样品中的波速，△t是由于光纤之间长度成等差排列而造成的相邻光纤之间射出激光的时间间隔，x为第一根光纤出射激光光斑到被检特征边缘聚焦点正上方的距离，d₁为精密移动装置控制第二根光纤与第一根光纤的间距，d₂为第三根光纤与第二根光纤间距，d_i-1为第i根光纤与第i-1根光纤的间距，d_n-1为第n根光纤与第n-1根光纤的间距，h为被检特征深度；

求解上述公式(1)和公式(2)中的2n-1个方程式组成的方程组，得出d₁，d₂…d_i-1…d_n-1，计算机将d₁，d₂…d_i-1…d_n-1的值反馈给精密移动装置，使其控制第二根光纤与第一根光纤间距d₁和第三根光纤与第二根光纤间距d₂，…，第i根光纤与第i-1根光纤的间距d_i-1，…，第n根光纤与第n-1根光纤的间距d_n-1，使得各光纤出射激光光斑激发的超声信号同时到达被检特征边缘的一点完成定点聚焦，由计算机分析接收的超声信号进而获得被检特征的清晰形貌特征。