激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究摘要激光超聲檢測(cè)技術(shù)是利用激光脈沖照射樣品表面，激發(fā)出超聲波，并利用光學(xué)方法對(duì)超聲波進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的一種方法。它隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法有其局限性，在溫度、壓力較大或者具有放射性或腐蝕性的環(huán)境下就不能完全滿足要求。而激光超聲檢測(cè)技術(shù)由于能夠在短時(shí)間內(nèi)不接觸物體進(jìn)行激光激勵(lì)，所以，適合于環(huán)境復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境，并具有極強(qiáng)的抗干擾能力。所以，激光超聲技術(shù)在材料缺陷和性能的無(wú)損檢測(cè)中發(fā)揮了超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用廣泛。本文首先對(duì)激光超聲技術(shù)進(jìn)行了闡述，并介紹了激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的組成，及各個(gè)部分的具體情況。然后，著重介紹了激光激勵(lì)超聲波的基本概念，包括波長(zhǎng)，橫波，縱波，聲表面波，超聲波，并舉例了燒蝕效應(yīng)作用下縱波、橫波、平面波的波形示意圖。另外介紹了常用激光器。在此基礎(chǔ)上，本文介紹了激光產(chǎn)生超聲波的機(jī)理，著重介紹了熱彈激發(fā)機(jī)理和燒蝕激發(fā)機(jī)理，并通過(guò)對(duì)熱彈激發(fā)機(jī)理的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析，介紹了激光超聲位移場(chǎng)理論。本文進(jìn)一步講述了激光超聲檢測(cè)技術(shù)，著重講了光偏轉(zhuǎn)法中常見(jiàn)的刀口法、光干涉檢測(cè)方法中的自差干涉以及外差干涉的原理和方法，并簡(jiǎn)要介紹了其他方法。最后，介紹了激光超聲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)鄰域的具體應(yīng)用及存在的問(wèn)題。關(guān)鍵字激光超聲，無(wú)損檢測(cè)，激光超聲檢測(cè)技術(shù)LASERULTRASONICNONDESTRUCTIVETESTINGTECHNOLOGYRESEARCHABSTRACTTHELASERINDUCEDULTRASONICTECHNIQUE，WHICHISBASEDONTHEGENERATIONOFULTRASONICBYALASERANDDETECTIONOFSTRESSWAVEWITHLASERINTERFEROMETRY,ANDISANIDEALCOMBINATIONOFLASERANDULTRASONICFORNONDESTRUCTIVETESTING,HASALSOTHEADVANTAGEOFNONCONTACT,ANDHASBECOMEVERYIMPORTANTINTHENONDESTRUCTIVETESTINGFIELDSTHETRADITIONALNONDESTRUCTIVETESTINGMETHODHASITSLIMITATIONS,WHICHCANNOTCOMPLETELYMEETTHEREQUIREMENTSINTHELARGETEMPERATURE,LARGEPRESSURE,RADIOACTIVEORCORROSIVEENVIRONMENTBECAUSETHELASERULTRASONICTESTINGTECHNOLOGYCANNOTCONTACTBODYFORLASERINCENTIVEINASHORTTIME,SOITISSUITABLEFORCOMPLEXTESTINGENVIRONMENT,ANDHASASTRONGANTIINTERFERENCEABILITYTHEREFORE,INMATERIALDEFECTSANDPROPERTIESOFTHENONDESTRUCTIVETESTING，LASERULTRASOUNDTECHNOLOGYPLAYTHEADVANTAGEOFULTRASONICTESTINGTHISPAPERFIRSTDESCRIBESTHELASERULTRASONICTECHNIQUE,ANDINTRODUCESTHECOMPOSITIONOFTHELASERULTRASONICDETECTIONSYSTEM,ANDVARIOUSPARTSOFTHESPECIFICSITUATIONTHENFOCUSESONTHEBASICCONCEPTOFULTRASONICLASERINCENTIVE,INCLUDINGWAVELENGTH,TRANSVERSEWAVE,LONGITUDINALWAVE,SURFACEACOUSTICWAVE,ULTRASOUNDWAVE,ANDANEXAMPLEOFAWAVEFORMDIAGRAMOFTHEABLATIONEFFECTUNDERLONGITUDINALWAVE,TRANSVERSEWAVE,PLANEWAVEINADDITIONITALSOINTRODUCESTHECOMMONLASERONTHISBASIS,THEARTICLEDESCRIBESTHEMECHANISMOFLASERGENERATEDULTRASOUND,MAINLYINTRODUCESHOTPLAYSTIMULATEMECHANISMANDABLATIONSTIMULATEMECHANISM,ANDBYTHETEMPERATUREANDSTRESSFIELDANALYSISOFTHEHOTPLAYSTIMULATEMECHANISM,INTRODUCEDTHELASERULTRASONICDISPLACEMENTFIELDTHEORYTHEPAPERFURTHERDESCRIBESALASERULTRASONICDETECTIONTECHNOLOGY,MAINLYABOUTTHELIGHTDEFLECTIONMETHODINCOMMONBLADEMETHOD,THEPRINCIPLEANDMETHODOFINTERFERENCEFROMPOORANDHETERODYNEINTERFERENCEINTHELIGHTOFINTERFERENCEDETECTIONMETHOD,ANDBRIEFLYINTRODUCESTHEOTHERMETHODSFINALLY,THISPAPERINTRODUCESTHESPECIFICAPPLICATIONANDTHEEXISTINGPROBLEMSOFTHELASERULTRASOUNDTECHNOLOGYINNONDESTRUCTIVETESTINGKEYWORDSLASERULTRASOUND,NONDESTRUCTIVETESTING,LASERULTRASONICDETECTIONTECHNOLOGY目錄1緒論111本文的研究背景與意義112激光超聲技術(shù)的發(fā)展情況213激光超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀3131激光激勵(lì)技術(shù)3132檢測(cè)技術(shù)3133總體應(yīng)用314本文的主要內(nèi)容42激光超聲理論521激光超聲概述522激光激勵(lì)超聲波的基本概念5221波長(zhǎng)5222縱波（P波）5223橫波5224波面6225超聲波6226舉例623激光器724激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理8241熱彈機(jī)制8242燒蝕激發(fā)機(jī)理16243其他激發(fā)機(jī)理173激光超聲檢測(cè)技術(shù)1831非干涉檢測(cè)技術(shù)18311刀刃檢測(cè)技術(shù)18312表面柵格衍射技術(shù)21313反射率檢測(cè)技術(shù)2232干涉檢測(cè)技術(shù)22321線性干涉檢測(cè)技術(shù)22322非線性干涉檢測(cè)技術(shù)284激光超聲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)鄰域的具體應(yīng)用及存在的問(wèn)題2941應(yīng)用概況29411高精度的無(wú)損檢測(cè)29412惡劣環(huán)境下的材料特性測(cè)量29413材料特性的檢測(cè)29414薄膜、復(fù)合材料檢測(cè)，以及材料高溫特性等的研究30415快速超聲掃描成像3042存在的問(wèn)題30421光聲能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題31422激光超聲信號(hào)檢測(cè)靈敏度問(wèn)題31參考文獻(xiàn)32致謝351引言11本文的研究背景與意義激光超聲是一種新型無(wú)損檢測(cè)方法，早期受激光器件與相關(guān)學(xué)科發(fā)展的限制，自20世紀(jì)70年代提出到80年代中期成為熱點(diǎn)后，未達(dá)到人們預(yù)想的應(yīng)用效果。20世紀(jì)末至今，隨著激光、電子、計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，經(jīng)過(guò)近十年的技術(shù)積累，激光超聲已從方法探索步人技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段，是傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。激光超聲利用高能激光脈沖來(lái)激發(fā)超聲波并用激光來(lái)檢測(cè)超聲回波穿透波或發(fā)射波，具有非接觸、遠(yuǎn)距離探測(cè)、頻帶寬及檢測(cè)可達(dá)性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于一些惡劣環(huán)境，如高溫、腐蝕、輻射及具有較快運(yùn)動(dòng)速度的被檢件123456。在工業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是不可或缺的。如對(duì)鋼材、鋁材、復(fù)合材料、工業(yè)陶瓷等常常需要做無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)，對(duì)核電站的高壓容器、航天飛機(jī)的構(gòu)件必須常期地進(jìn)行無(wú)損監(jiān)視。由于超聲波具有波長(zhǎng)短，方向性強(qiáng)，遇障礙物產(chǎn)生衍射和散射等特點(diǎn)，超聲檢測(cè)技術(shù)一直是對(duì)材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)特性研究和結(jié)構(gòu)分析的長(zhǎng)盛不衰的方法。此外，在醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)勘探、建筑工程等方面，超聲檢測(cè)也有著廣泛的應(yīng)用。目前，在無(wú)損檢測(cè)手段包括射線法、電磁法）中，超聲波方法占50以上。激光超聲學(xué)是超聲學(xué)與激光技術(shù)相結(jié)合麗形成的新興交叉學(xué)科，涉及光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、，材料學(xué)等學(xué)科，近年來(lái)已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個(gè)重要分支7。超聲應(yīng)用技術(shù)在近幾十年來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)、微電子學(xué)、表面科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域89。激光超聲源能同時(shí)激發(fā)縱波、橫波、表面波以及各種導(dǎo)波，在時(shí)間上具有與沖擊函數(shù)T和階躍函數(shù)HT很相似的特性。而且，激光超聲的產(chǎn)生不僅與激光脈沖的時(shí)間和空間特性有關(guān)，還與材料本身的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等特性有關(guān)。因此，激光超聲技術(shù)在超聲傳播特性研究和材料無(wú)損評(píng)估方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。激光超聲技術(shù)具體具有以下優(yōu)點(diǎn)1非接觸激光超聲信號(hào)通過(guò)激光脈沖激勵(lì)產(chǎn)生又通過(guò)光學(xué)方法檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了完全意義上的非接觸。發(fā)射源到被測(cè)物之間的距離可以達(dá)到10M，能夠在高溫、高壓、有毒或放射性等惡劣條件下迸行遠(yuǎn)距離無(wú)損檢測(cè)。2寬帶激光超聲在時(shí)間和空間上都具有極高的分辨率，超聲的脈沖寬度可達(dá)，頻率可達(dá)GHZ，而相應(yīng)的波長(zhǎng)只有幾UM，這就大大提高了探測(cè)微小缺陷的能NS1力和測(cè)量的精度，非常適合超薄材料的檢測(cè)和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究。3實(shí)時(shí)在線由于激光超聲的激發(fā)和檢測(cè)都是在瞬間完成的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實(shí)時(shí)檢測(cè)，是工業(yè)上定位、在線監(jiān)測(cè)、快速超聲掃描成像的極好手段。4適用面廣激光激發(fā)超聲現(xiàn)象在固體，液體和氣體中均存在，而且對(duì)樣品的形狀基本沒(méi)有限制，使得激光超聲技術(shù)有著很廣泛的應(yīng)有領(lǐng)域。目前，激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料的缺陷探測(cè)和定位，內(nèi)部損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)，斷裂機(jī)理研究等工程領(lǐng)域中。特別是對(duì)固體材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)研究，以及對(duì)具有生物活性的化學(xué)和生物物質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的研究，更顯示出激光超聲技術(shù)具有其它檢測(cè)技術(shù)難以替代的優(yōu)越性。可以相信，隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是激光技術(shù)的發(fā)展，激光超聲學(xué)將在理論、技術(shù)和應(yīng)用研究等各方麗取得新的突破它的應(yīng)用前景也會(huì)更加廣闊。因此，研究激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅有理論方面的意義，還有實(shí)際應(yīng)用上的意義。12激光超聲技術(shù)的發(fā)展情況激光超聲技術(shù)的研究始于1962年。當(dāng)時(shí)WHITE和ASKARYAN分別論證了用脈沖激光束在固體和液體中激發(fā)聲波的方法。緊接著，RAMSDEN，BUNKINY和STEGMAN觀察到強(qiáng)激光在固體中產(chǎn)生的爆炸波和在大氣中產(chǎn)生的燃燒波，會(huì)隨時(shí)間和距離的增加而衰變成聲波。之后，對(duì)固體、液體和氣體媒質(zhì)中激光超聲激發(fā)的研究均有了很大的發(fā)展。1976年，BONDARENKO等首先把激光超聲用于材料檢測(cè)。他們用調(diào)Q紅寶石激光器激發(fā)超聲，用帶寬為5KHZ至150MHZ，位移靈敏度為L(zhǎng)09NM的干涉儀檢測(cè)激光超聲，并對(duì)不銹鋼板的人工缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。之后，HUTEHINS和NEDEOU等用NDYAG和帶寬為45MHZ，位移靈敏度為L(zhǎng)NM的干涉儀進(jìn)行了表面缺陷的實(shí)驗(yàn)。1979年，LEDBETTER等最先同時(shí)檢測(cè)到一次激發(fā)產(chǎn)生的縱波，橫波和表面波。1980和1982年，SERUBY和DEWHURST等對(duì)激光在金屬中產(chǎn)生的超聲波形進(jìn)行了定量測(cè)量，并用面內(nèi)正交力偶模型解釋了熱彈條件下的激發(fā)現(xiàn)象，用垂直力偶模型解釋了燒蝕條件下的激發(fā)現(xiàn)象710，為激光超聲的應(yīng)用找術(shù)打下了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代中期加拿大人JPMONEHALIN提出了用球面共焦FABRYPEROT干涉儀探測(cè)超聲振動(dòng)超聲測(cè)厚技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了在1M遠(yuǎn)處對(duì)未拋光的鋼板進(jìn)行激光超聲的實(shí)驗(yàn)，向?qū)嵱没~出了一大步10。20世紀(jì)90年代中期，YNAGATA，JHUANG，JDACHENBACH和KRISHNASWAMY等進(jìn)行了一系列的理論和應(yīng)用研究工作。近幾年，激光超聲機(jī)理和技術(shù)的研究有了更大發(fā)展，在激光超聲信號(hào)的激發(fā)、接收、傳播理論，以及應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展11。13激光超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀131激光激勵(lì)技術(shù)利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類(lèi)。直接式是使用激光與被測(cè)材料直接作用，通過(guò)熱彈性效應(yīng)或融蝕效應(yīng)作用等激光發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測(cè)材料周?chē)钠渌镔|(zhì)作為中介來(lái)產(chǎn)生超聲波?，F(xiàn)在用于生成超聲波的激光器使用的最多是NDYAG激光器，使用脈沖激光器的比較多，如TEACO2脈沖激光器被用于在液體中產(chǎn)生聲脈沖12。近年來(lái)又展開(kāi)了激光超聲源在時(shí)間和空間分布調(diào)制技術(shù)的研究，使激光的超聲信號(hào)成為窄帶或線性調(diào)頻信號(hào)，以便采用窄帶濾波技術(shù)或信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高檢測(cè)的信噪比13，改善超聲波形。光束調(diào)制方法有三種，即時(shí)間調(diào)制、空間調(diào)制以及“空間時(shí)間”的雙重調(diào)制。時(shí)間調(diào)制可采用激光器腔內(nèi)鎖模、激光器陣列的定時(shí)激發(fā)、BRAGG聲光調(diào)制技術(shù)?？臻g調(diào)制最常用的方法是用柱面鏡將激光光點(diǎn)變?yōu)榫€光源，更復(fù)雜的空間調(diào)制方法可以利用布拉格光柵單線變成多線14?？臻g和時(shí)間的雙重調(diào)制是在改變光束形狀的同時(shí)，也讓光源或其照射到樣品上的光線隨時(shí)間變化15。132檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)激光超聲的技術(shù)有常用的方法有如下幾種。第一種是壓電換能器（PZT）檢測(cè)法。這是比較經(jīng)典的方法，靈敏度比較高，其響應(yīng)頻率也比較寬，多在實(shí)驗(yàn)室用。常用的換能器有電磁、電容、壓電陶瓷換能器、電磁聲換能器和電容聲換能器。第二種是光學(xué)檢測(cè)器。這是利用連續(xù)檢測(cè)激光照射到樣品表面，接收表面的反射光，并從反射光的相位、振幅、頻率等的變化中得出光激超聲信號(hào)的方法15。133總體應(yīng)用目前在很多領(lǐng)域都已經(jīng)初步應(yīng)用了激光超聲技術(shù)，特別是越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。1）惡劣環(huán)境下的無(wú)損檢測(cè)。利用激光超聲的非接觸式、非人性等特點(diǎn)可以對(duì)材料特性在高溫輻射等惡劣環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)材料在高溫條件下進(jìn)行檢測(cè)，特別是可以應(yīng)用激光無(wú)損在高壓、高濕、酸、堿或有毒以及檢測(cè)環(huán)境或被測(cè)工件存在強(qiáng)腐蝕性、核輻射和化學(xué)反應(yīng)等環(huán)境下檢測(cè)。激光超聲技術(shù)在高溫、核輻射等環(huán)境下成為了工業(yè)上定位、在線監(jiān)測(cè)的重要手段之一。2）材料性質(zhì)的高精度無(wú)損檢測(cè)。以激光超聲表面波為代表的用于微小缺陷檢測(cè)的激光技術(shù)的研究，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，日益成為超聲工程和無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容16。14本文的主要內(nèi)容本文第二章介紹了激光激勵(lì)超聲波的的基本概念、基本原理和激勵(lì)方法。第三章給出了利用不同的方法檢測(cè)樣品中超聲波的工作原理和方法。第四章介紹了激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用及存在的問(wèn)題。2激光超聲理論21激光超聲概述激光超聲是指用脈沖激光在物體中產(chǎn)生的超聲波，或利用脈沖激光來(lái)產(chǎn)生超聲波這物理過(guò)程。作為超聲學(xué)新近發(fā)展起來(lái)的一個(gè)分支，激光超聲學(xué)涉及光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科111718。激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)主要由一臺(tái)高能脈沖激光器構(gòu)成，用以在被檢測(cè)物體上產(chǎn)生高熱量，從而產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)。由于超聲波是物體受熱激發(fā)的，并在物體表面和內(nèi)部進(jìn)行傳播，所以它攜帶有物體的厚度、缺陷、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)等信息。接收系統(tǒng)一般由檢測(cè)激光、激光干涉儀、光電探測(cè)器、信號(hào)放大處理電路等組成，它可以根據(jù)不同的需要放置在發(fā)射系統(tǒng)的同側(cè)或異側(cè)。當(dāng)檢測(cè)激光照射到樣品表面時(shí)，超聲振動(dòng)會(huì)對(duì)它的反射光進(jìn)行調(diào)制，使超聲振動(dòng)信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔⒏缮鎯x能夠測(cè)量細(xì)微的光程或光頻率變化它把光信號(hào)攜帶的超聲振動(dòng)信息解調(diào)出來(lái)。光電探測(cè)器是由光電二極管構(gòu)成的，它的作用是將光信號(hào)中的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。光電探測(cè)器的輸出信號(hào)很小，而且有噪聲，所以需要信號(hào)放大處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，提高信噪比。激光可以在固體中產(chǎn)生超聲，也可以在氣體和液體中產(chǎn)生超聲，本文只討論固體中激光超聲的激發(fā)機(jī)理和應(yīng)用。22激光激勵(lì)超聲波的基本概念221波長(zhǎng)波長(zhǎng)沿著波的傳播方向，在波的圖形中相對(duì)平衡位置的位移時(shí)刻相同的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的距離。橫波與縱波的波長(zhǎng)在橫波中波長(zhǎng)通常是指相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離。在縱波中波長(zhǎng)是指相鄰兩個(gè)密部或疏部之間的距離。222縱波（P波）縱波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向一致的波。如敲鑼時(shí)，鑼的振動(dòng)方向與波的傳播方向就是一致的，聲波是縱波。223橫波橫波也稱(chēng)“凹凸波”。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，這樣的波稱(chēng)為“橫波”。橫波的特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直。224聲表面波聲表面波（SAW，SURFACEACOUSTICWAVE）是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。聲表面波是英國(guó)物理學(xué)家瑞利（RAYLEIGH）在19世紀(jì)80年代研究地震波的過(guò)程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。又稱(chēng)為表面聲波。聲表面波技術(shù)是六十年代末期才發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門(mén)邊緣學(xué)科。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬(wàn)倍，而且在它的傳播路徑上容易取樣和進(jìn)行處理，因此，用聲表面波去模擬電子學(xué)的各種功能，能使電子器件實(shí)現(xiàn)超小型化和多功能化。同時(shí)，由于聲表面波器件在甚高頻和超高頻波段內(nèi)以十分簡(jiǎn)單的方式提供了其它方法不易得到的信號(hào)處理功能，因此，聲表面波技術(shù)在雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗中得到了廣泛的應(yīng)用。聲表面波的應(yīng)用最早是在軍用雷達(dá)、廣播、電視領(lǐng)域作頻率穩(wěn)定的濾波器之用?，F(xiàn)在聲表面波技術(shù)的應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通信及廣播電視中的信號(hào)處理、航空航天、石油勘探和無(wú)損檢測(cè)等。225超聲波超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。226舉例橫波和縱波燒蝕效應(yīng)產(chǎn)生的縱波，橫波波形如圖1921所示。其中，H為樣品厚度，U為震源背側(cè)中心的超聲位移，和H/CL為縱波到達(dá)時(shí)刻，和H/CS為橫波到達(dá)時(shí)刻。微燒蝕效應(yīng)作用下，彈性波源的力學(xué)模型可等效為在彈性體表面作用一垂直點(diǎn)力P，超聲的位移表達(dá)式如式21所示0LCHT/UPUBK2T/（21）PUBKCS208SCHT/式中，分別為縱波和橫波速度，B為常數(shù)。LCSLSCK/0實(shí)際上，表面作用的是，則超聲的位移為T(mén)FPU（22）其中，為卷積符號(hào)，與激光脈沖寬度有關(guān)，與脈沖能量有關(guān)。TFP表面波的波形表面波波形如圖22所示20，圖21燒蝕效應(yīng)作用下縱波和橫波的波形示意圖HUTH/CSUH/CL其中，Y為激勵(lì)點(diǎn)與接收點(diǎn)間距離，U為表面超聲位移，C為表面波速度，YC為表面波到達(dá)時(shí)刻。23激光器激光激發(fā)超聲應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)募す夤庠础Ｓ捎诠ぷ髟跓釓椥詸C(jī)制下的光聲轉(zhuǎn)換效率比壓電換能器低得多，所以選擇合適的激光器以提高信號(hào)強(qiáng)度非常重要。現(xiàn)在用于生成超聲波的激光器有NDYAG激光器、CO2激光器、氮激光器、染料激光器等，其中NDYAG激光器使用得最多。激光器可分脈沖激光器和連續(xù)激光器，現(xiàn)在使用脈沖激光器的比較多，如TEACO2脈沖激光器被用于在液體中產(chǎn)生脈沖12。脈沖激光產(chǎn)生的超聲脈沖的寬度與激光脈沖的寬度近似相等，因此不同激光脈沖所產(chǎn)生的聲脈沖寬度和頻譜不同，一般寬激光脈沖如十幾微秒的TEACO2脈沖激光，產(chǎn)生的聲脈沖寬且中心頻率較低，而窄激光脈沖如納秒量級(jí)而中心頻率高。可以根據(jù)不同的應(yīng)用背景選擇激光脈沖的寬度獲得所需的聲脈沖。24激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類(lèi)。直接式是使激光與被測(cè)材料直接作用，通過(guò)熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測(cè)材料周?chē)钠渌镔|(zhì)作為中介來(lái)產(chǎn)生超聲波。一般認(rèn)為，固體中激光激勵(lì)超聲波的機(jī)理隨入射激光的功率密度和固體表面條件的不同而改變。根據(jù)激光光束強(qiáng)度的不同，激勵(lì)超聲脈沖有兩種機(jī)制熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制21。對(duì)于表面干凈、圖22燒蝕效應(yīng)作用下表面波的波形示意圖UYTY/CU無(wú)約束的固體，如果入射激光的光功率密度低于固體表面的損傷閾值金屬材料般為107WCM2，產(chǎn)生的熱能不足以使固體表面熔化，則在產(chǎn)生超聲過(guò)程中，熱彈效應(yīng)激發(fā)起主要作用；當(dāng)激光功率密度較高時(shí)，固體表面溫度上升使局部融化，以至出現(xiàn)燒蝕此時(shí)，盡管熱彈激發(fā)效應(yīng)仍然存在，但是燒蝕激發(fā)效應(yīng)起決定性的作用。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光脈沖寬度進(jìn)一步壓縮壓縮至PS量級(jí)，或FS量級(jí)，在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機(jī)理的基礎(chǔ)上，形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。241熱彈機(jī)制基本原理當(dāng)由具有Q開(kāi)關(guān)的脈沖激光器發(fā)出的激光束照射到清潔的、自由的金屬板表面上時(shí)，如果單個(gè)脈沖的光功率密度足夠低小于107WCM2，照射試樣表面的激光光功率密度低于試樣表面的損傷閾值，則金屬表面不受損傷。這時(shí)在照射點(diǎn)附近的表面薄層內(nèi)產(chǎn)生了急劇的熱膨脹，正是這個(gè)熱彈效應(yīng)激發(fā)了偏振方向與表面平行的應(yīng)力波，即超聲剪切波。當(dāng)脈沖激光投射到不透明固體表面上時(shí)，它的能量一部分被反射，另一部分被吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，使樣品表面產(chǎn)生幾十到幾百度的溫升。對(duì)于電導(dǎo)率很大的固體如金屬。光的吸收只發(fā)生在表面下數(shù)微米的范圍內(nèi)，吸收光能的淺表部分由溫度上升而發(fā)生膨脹。只要激光脈沖很短100NS，則熱擴(kuò)散效應(yīng)就很小，熱彈源位于很薄的表層內(nèi)約幾。M當(dāng)金屬表面處于自由狀態(tài)時(shí)，淺表層的體積膨脹引起的主要應(yīng)力平行于材料表面，理論上它相當(dāng)于時(shí)間上是階躍函數(shù)HT的切向力源，可以激發(fā)橫波、縱波和表面波。在熱彈機(jī)制下，主要的應(yīng)力是與表面平行的，雖然也有與表面垂直方向的應(yīng)力，但很小。所以這種情況下，主要激發(fā)出超聲橫波和相對(duì)幅度很小的縱波。熱彈激發(fā)機(jī)理原理如圖23所示71011171822由于固體淺表層的局部升溫并沒(méi)有導(dǎo)致材料的任何相變，所以熱彈激發(fā)效應(yīng)具有嚴(yán)格無(wú)損的特點(diǎn)，它是激發(fā)超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發(fā)超聲過(guò)程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低，為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層如水，油，以增加表面的光吸收系數(shù)23。同樣，采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。激光超聲位移場(chǎng)理論溫度場(chǎng)對(duì)于熱彈問(wèn)題，溫度和位移可分別由熱傳導(dǎo)方程和熱彈性位移方程描述為,2TZYXGTTKCV（23）TTUUT2322（24）式中，K、T、U、為別固體的熱傳導(dǎo)率、溫度、位移、密度、定比VCT熱和線性熱膨脹系數(shù)，為切邊彈性常數(shù)，為L(zhǎng)AME常數(shù)，為密度，,TZYXG,0TFZYFEGTZYXX0X（25）式中，為熱源光強(qiáng)度，為光吸收系數(shù)，為進(jìn)入樣品表ISIRIG1000I面（X0）的激光強(qiáng)度，為入射激光的強(qiáng)度，為材料表面的光反射率函數(shù)ISRFY，Z為激光強(qiáng)度在光束截面中的空間分布函數(shù)，對(duì)子個(gè)半無(wú)限大即X0各激光脈沖應(yīng)力聲源圖23熱彈激發(fā)效應(yīng)示意圖向同性的固體，若激光脈沖垂直入射在XO的自由表面上溫度就只與坐標(biāo)X有關(guān)，可作一維處理，F(xiàn)Y，Z1；FT為激光強(qiáng)度的時(shí)間分布函數(shù)。假設(shè)激光脈沖為梯形脈沖模型，它的強(qiáng)度的時(shí)間分布如圖24所示。FT的函數(shù)表達(dá)式為01TB01TBTF0201TBT（26）01TB02TB或T式中，T0為梯形脈沖下底邊寬度；BOB1為梯形脈沖上下底邊之比，21B。21B由式23和25可得媒質(zhì)中的溫度場(chǎng)分布102TFEKGTTXX（27）式中，為熱擴(kuò)散率，且。CV利用熱傳導(dǎo)的初始條件和邊界條件，對(duì)式270,0,TXT0,TXTTB2T0B1T00T0F（T）1圖24梯形脈沖激光的強(qiáng)度分布示意圖進(jìn)行拉氏變換，可得100201202PTTPBTXEEPTBEKGTPX（28）式中，P為拉氏參數(shù)，為T(mén)的拉氏變換。求解式28，可得10022020XXPTTPBEETKGT（29）式中，。P2用MATLAB進(jìn)行仿真如圖25，設(shè)定以下參數(shù)為光吸收系數(shù)05，入射激光的強(qiáng)度為1CD，為材料表面的光反射率,淺IISR色金屬表面通過(guò)率150,K固體的熱傳導(dǎo)率（鋼45W/MK）,為熱擴(kuò)散率10M2/S，P為拉氏參數(shù)1,，。41B32圖25以X，為自變量，T為應(yīng)變量MATLAB仿真圖T0圖25用MATLAB進(jìn)行仿真式29應(yīng)力場(chǎng)媒質(zhì)中溫度場(chǎng)激發(fā)的熱彈位移和熱彈應(yīng)力可由NAVIERSTOKES方程和本構(gòu)方程及邊界條件得到。一維NAVIERSTOKES方程為XTTUCX0221（210）式中，UU（X，T）為X方向的位移，為材料的212VUCVT10柏松比。對(duì)NAVIERSTOKES方程進(jìn)行拉氏變換。并考慮初始條件U（X，0），可得0,TXUXTCP02（211）式中，為U的拉氏變換。對(duì)于弱吸收媒質(zhì)，式29可簡(jiǎn)化為XPTTPBTEEPTBKGT10020120（212）代入211式，得XPTTPBTEEKPTBAGUCX100201202（213）上式的解為11002013201PTTPBTXCPEEAECKTBAGU（214）式中A為常數(shù)。上式做拉氏變換，并代入本構(gòu)方程210TXUVEX（215）其中，為X方向的正壓力，E為楊氏模量，自由界面條件下，把邊界條件代入式（211）中，可得。0,PXCPA用拉氏反變換可得應(yīng)力場(chǎng)為XETFTBFTFTCTB10102101002020122CTFCXTFCXTBFXF（216）其中，為應(yīng)力，H（S）為階躍函數(shù)，函數(shù)2172100VCKEGT2181SHHSF2192C在嵌緊表面條件下，邊界條件為U0,P0，可求出A一1。同樣可得應(yīng)力場(chǎng)為XETFTBFTFTCTB101021010030230133CTFCXTFCXTBFXF（220）式中，函數(shù)3SHCXSHSF（221）同理，對(duì)于強(qiáng)吸收媒質(zhì)，可得自由表面的應(yīng)力場(chǎng)為10402401440CXTFCXTBFCXTBFCXTFBX05025015TFTFTFT（222）式中，函數(shù)224SHCSSF（223）22452SHXERFCSCSFX（224）對(duì)于嵌緊表面，應(yīng)力場(chǎng)為1060260160TFTBFTFTTBX（225）式中，函數(shù)222462SHCSXERFCSCSFX（226）由式216至式226可見(jiàn)1超聲應(yīng)力脈沖寬度比入射激光脈沖寬度大，且自由表面的應(yīng)力脈沖寬度增大較多，嵌緊表面的應(yīng)力脈沖寬度增大很少；2嵌緊表面的應(yīng)力脈沖都是單極性的，自由表面的應(yīng)力脈沖都是雙極性的，如圖26和圖27所示113采用梯形入射脈沖波形，當(dāng)B0和BL時(shí)，可得出與三角形和矩形脈沖完全相同的結(jié)論24。應(yīng)力脈沖寬度和幅度與激光脈沖的形狀有關(guān)，當(dāng)激光脈沖由三角形向矩形變化時(shí)，應(yīng)力脈沖的寬度增量減小而幅度增加。由此可推想，若將入射的激光脈沖改造為矩形脈沖，會(huì)大大增強(qiáng)超聲波的瞬時(shí)作用力。242燒蝕激發(fā)機(jī)理當(dāng)入射激光的功率密度大于樣品表面的損傷閩時(shí)，表面材料汽化，對(duì)樣品產(chǎn)生一法向沖力，從而激發(fā)超聲波，稱(chēng)為燒蝕激發(fā)機(jī)理。燒蝕激發(fā)機(jī)理的原理如圖244所示A表面鉗緊B表面自由圖26弱吸收試樣中超聲應(yīng)力脈沖的理論波形A表面鉗緊B表面自由圖27強(qiáng)吸收試樣中超聲麻力脈沖的理論波形汽化應(yīng)力超聲源激光脈沖圖28燒蝕激發(fā)機(jī)理示意圖對(duì)于金屬，當(dāng)入射激光脈沖功密度大于107/CM2時(shí)，其表面因吸收光能導(dǎo)致溫度急劇升高，當(dāng)溫度超過(guò)材料的熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)有約幾微米深的表層材料發(fā)生燒蝕，部分原子脫離金屬表面，并在表面附近形成等離子體。這一過(guò)程可產(chǎn)生很強(qiáng)的垂直于表面的反F作用力脈沖，相當(dāng)于給表面施加個(gè)時(shí)間為沖擊函數(shù)（T）的法向力。從而激發(fā)出幅值較大的超聲波，這種波源形式也可激發(fā)出所有類(lèi)型的超聲波25。這種機(jī)制的超聲激發(fā)效率比熱彈機(jī)制高4個(gè)數(shù)量級(jí)，可以獲得大幅度的縱波，橫波和表面波。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約O3的損傷。所以只能用于某些場(chǎng)合，且UM通常用來(lái)產(chǎn)生縱波。243其他激發(fā)機(jī)理隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光脈沖寬度進(jìn)一步壓縮壓縮至PS量級(jí)，或FS量級(jí)，在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機(jī)理的基礎(chǔ)上，形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。如熱柵法激發(fā)、熱應(yīng)變激發(fā)、電子應(yīng)變激發(fā)以及非熱機(jī)制反壓電效應(yīng)激發(fā)等方法。用兩束來(lái)自同一激光器的光脈沖，交叉夾角為同時(shí)入射至樣品，在樣品中或表面形成光干涉圖光強(qiáng)峰谷交替，受照射處的樣品吸收此柵狀光能而熱致產(chǎn)生超聲聲子，稱(chēng)為熱柵激發(fā)機(jī)理。熱柵法已能激發(fā)頻率可變3MHZ30GHZ的超聲。熱應(yīng)變激發(fā)是指用一束超短光脈沖照射在基片上的吸收薄膜上，薄膜的受熱升溫部份會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而激發(fā)超聲波，成為熱應(yīng)變激發(fā)。與納秒級(jí)激光相比，皮秒級(jí)或飛秒級(jí)激光的最大不同之處是它可以通過(guò)電子應(yīng)變激發(fā)機(jī)理激發(fā)超聲。當(dāng)高強(qiáng)度、超短光脈沖照射半導(dǎo)體時(shí)，共價(jià)晶體中原子的價(jià)電子脫離原子，但電子來(lái)不及在如此短的時(shí)間內(nèi)把過(guò)剩能量交給晶格，使電子和聲子在非常短暫的期間會(huì)失去熱平衡，從而使電子和聲子各有明確的不同的溫度。其中。電子的溫度可以高達(dá)500600K或更高，電子將以超音速的速度擴(kuò)散，通過(guò)電子聲子的復(fù)合把能量傳給晶格而自身冷卻下來(lái)。而晶格的溫度變化很小，不會(huì)超過(guò)幾度。在電子超音速傳遞期間，電子會(huì)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而會(huì)影響所產(chǎn)生的超聲的波形，稱(chēng)為電子應(yīng)變激發(fā)機(jī)理。電子對(duì)介質(zhì)的應(yīng)力將加寬波形，加寬的程度和電子聲子復(fù)合程度有關(guān)。非熱機(jī)制反壓電效應(yīng)激發(fā)指的是在壓電半導(dǎo)體中光生非平衡態(tài)載流子，當(dāng)有一瞬態(tài)電場(chǎng)作用時(shí)，電子與空穴產(chǎn)生瞬態(tài)分離而產(chǎn)生聲波?，F(xiàn)在,這些技術(shù)已能在頻率為幾百GHZ已達(dá)440GHZ時(shí)成功地以110NM的空間分辨率在室溫測(cè)量超聲衰減和速度，使得激光超聲能測(cè)材料的微結(jié)構(gòu)，并求出微結(jié)構(gòu)中不同組份的力學(xué)性質(zhì)和界面質(zhì)量，這是其他方法不能與之比擬的。3激光超聲檢測(cè)技術(shù)目前，激光超聲的接收主要有傳感器檢測(cè)和光學(xué)法檢測(cè)兩類(lèi)。傳感器檢測(cè)包括壓電陶瓷換能器檢測(cè)，電磁聲換能器檢測(cè)，電容聲換能器檢測(cè)。這些檢測(cè)方法,可以十分簡(jiǎn)便地接收到激光超聲信號(hào)，但傳感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面，才能獲得高的檢測(cè)靈敏度。并且超聲檢測(cè)用壓電換能器接收超聲信號(hào)這種方法需要用耦合劑，對(duì)被測(cè)樣品會(huì)產(chǎn)生影響。利用光學(xué)方法探測(cè)材料表面的超聲振動(dòng)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)需要耦合劑的缺點(diǎn)，是真正意義上的非接觸、寬帶檢測(cè)技術(shù)。光學(xué)法檢測(cè)技術(shù)又可細(xì)分為非干涉檢測(cè)技術(shù)和干涉檢測(cè)技術(shù)兩種。目前廣泛使用的是外插干涉儀、共焦FP干涉儀是線性干涉儀，而相位共軛干涉儀，雙波混合干涉儀以及光感生電動(dòng)勢(shì)干涉儀則屬于非線性光學(xué)的。31非干涉檢測(cè)技術(shù)非干涉檢測(cè)技術(shù)包括刀刃檢測(cè)技術(shù)，表面柵格衍射技術(shù)和反射率檢測(cè)技術(shù)等。311刀刃檢測(cè)技術(shù)當(dāng)照射到樣品表面的檢測(cè)光束直徑小于激光超聲波長(zhǎng)時(shí)，檢測(cè)光的反射光由于樣品表面超聲振動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)大小由刀刃割截的光通量或位移檢測(cè)器測(cè)定。反射光的偏轉(zhuǎn)值與聲波的幅值及性質(zhì)有關(guān)，它反映了表面波和體波的傳播情況，以及樣品的內(nèi)部缺陷和微結(jié)構(gòu)。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬，環(huán)境振動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)拋光表面樣品進(jìn)行超聲檢測(cè)的有效工具，其裝置如下圖31所示具體如圖32檢測(cè)光探測(cè)器刀刃圖31刀刃檢測(cè)技術(shù)示意圖光電探測(cè)器探測(cè)激光L2L1刀口L3圖32刀口法探測(cè)超聲波具體圖光偏轉(zhuǎn)技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境振動(dòng)不敏感的探測(cè)方法，其中最常見(jiàn)的形式是刀口法。如圖所示，一束直徑為D的探測(cè)激光束被焦距為F1的透鏡L1聚焦至樣品表面，樣品表面因?yàn)槌暡▊鞑ヒ鸬木植績(jī)A斜，當(dāng)入射于表面的探測(cè)光斑的尺寸比檢測(cè)的最短聲波長(zhǎng)小時(shí)，由聲擾動(dòng)導(dǎo)致的表面傾斜會(huì)使反射光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)了的反射光束就攜帶了超聲信息，通過(guò)焦距為F2的透鏡L2準(zhǔn)直，光束在透鏡L2上的光斑直徑為D，利用刀口擋住出射光的一半，另一半被透鏡L3聚焦至光電探測(cè)器上進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)光強(qiáng)的變化探測(cè)聲波。設(shè)反射光束以垂直于刀刃的方向入射，投射到傳感器上的激光強(qiáng)度是高斯分布，是入射光電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅，是反射光束直徑，樣品受超聲擾動(dòng)后0AD32/FDD表面的傾斜度為，當(dāng)偏轉(zhuǎn)很小時(shí)，光電二極管的輸出光電流為31FIIISG12式中是光電管的靈敏系數(shù),單位是，是入射光束的光強(qiáng)，。同樣假WA/II20AII設(shè)超聲引起的表面位，式中為聲傳播常數(shù)，U是聲振幅，當(dāng)SINXKWUTAAK表面傾斜角很小時(shí)COSTXUAA（32）平均角度,其中為聲波波長(zhǎng)，則光電管輸出電流與聲AARMUK/2/A波的關(guān)系為41AISIGUDFI（33）當(dāng)聲波為寬頻脈沖波時(shí)，可以將脈沖聲波看成簡(jiǎn)諧波的疊加NIAIISIGUDFI14（34）和，分別是各頻率分量聲波的振幅和波長(zhǎng)。IUAI光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的信噪比同樣受量子噪聲限制，信噪比為IIAUDFHVBSNR216（35）式中是聲頻帶寬，是光子頻率。其最小可檢測(cè)振幅時(shí)為B1SNR362110MIN4IAIHVFU光偏轉(zhuǎn)技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)激光超聲波的位移梯度，并且已成熟地應(yīng)用在諸如原子力顯微鏡、激光掃描顯微鏡等儀器中。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此造價(jià)不高，它的缺點(diǎn)在于探測(cè)低頻超聲時(shí)靈敏度低，并且對(duì)樣品表面的要求也比較高。對(duì)于公式35用MATLAB進(jìn)行仿真，是光電管的靈敏系數(shù),單位是22150047，是入射光束的MF10WA/II光強(qiáng)為（高亮LED），為聲波波長(zhǎng)001M，是聲頻帶寬14KHZ，是光子CD5ABV頻率6339470（26）1014，H66261961034JS，聲波的振幅為HZU1312表面柵格衍射技術(shù)當(dāng)入射光斑的尺寸相當(dāng)于幾個(gè)聲波的波長(zhǎng)時(shí)，由于BRAGG效應(yīng)或RAMANNATH效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一級(jí)或多級(jí)衍射光，通過(guò)測(cè)量衍射光的強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)角，可測(cè)定超聲波的特性。表面衍射技術(shù)是把聲表面波的位移作為電場(chǎng)振幅來(lái)檢測(cè)，其簡(jiǎn)單原理如圖33所示表面柵衍射技術(shù)是令一束有一定寬度的光束，通常要求寬度為幾個(gè)聲波長(zhǎng)，垂直投射到受超聲擾動(dòng)的表面上，超聲擾動(dòng)使表面形成光柵，由于BRAGG效應(yīng)或11負(fù)一級(jí)衍射入射光一級(jí)衍射聲波圖34表面柵衍射原理圖圖33以D為自變量，SNR為應(yīng)變量的MATLAB仿真圖RAMAN一NATH效應(yīng)，光束發(fā)生衍射，出現(xiàn)一級(jí)或多級(jí)衍射光分布在鏡式反射的零級(jí)光的一側(cè)或兩側(cè)。衍射光的傳播方向由下式?jīng)Q定00/SINI（37）其中、分別為聲波長(zhǎng)和光波長(zhǎng)，是衍射光的級(jí)數(shù)。當(dāng)超聲波的振幅比光波長(zhǎng)A小得多時(shí)，第一級(jí)和零級(jí)衍射光的相對(duì)強(qiáng)度為210UKJIA（38）是第一類(lèi)一階BESSEL函數(shù)，是峰值表面位移。1UKJAU313反射率檢測(cè)技術(shù)脈沖激光照射到樣品的表面上所產(chǎn)生的超聲應(yīng)力能引起樣品光折射率的微小改變，這種微小改變又能引起樣品鏡式或彌散式反射率的變化，通過(guò)檢測(cè)這種變化，即可得到脈沖激光在薄膜中產(chǎn)生的超聲回波。32干涉檢測(cè)技術(shù)根據(jù)是否使用非線性晶體，干涉檢測(cè)技術(shù)又可分為線性干涉檢測(cè)技術(shù)和非線性干涉檢測(cè)技術(shù)。321線性干涉檢測(cè)技術(shù)線性干涉檢測(cè)技術(shù)包括自差、外差和共焦FABRYPEROT干涉檢測(cè)技術(shù)等，它們使用的干涉儀分別為自差干涉儀、外差干涉儀和共焦FABRYPEROT干涉儀。自差干涉檢測(cè)自差干涉檢測(cè)是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測(cè)量臂中的反射鏡，其原理如圖34所示。激光器發(fā)射的脈沖激光被分束鏡分成兩路，一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品表面，反射光再經(jīng)分束鏡后進(jìn)入探測(cè)器；另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進(jìn)探測(cè)器，二者發(fā)生干涉。設(shè)樣品表面的超聲振動(dòng)為，激光脈沖被樣品表面反射的相移為，則TU4TU兩光束干涉后的光強(qiáng)表達(dá)|式為4COS20TSQI（39）式中S為參考光束有效強(qiáng)度透過(guò)系數(shù)，Q樣品表面反射的檢測(cè)光束的有效強(qiáng)度透過(guò)系數(shù)，為相位，T為時(shí)間。其中，相位由干涉儀的光程差決定，并受外界振動(dòng)T影響。實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀的參考鏡，使光程差K為整數(shù)），當(dāng)遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)時(shí)，干涉光強(qiáng)為2/KTTU424SIN00TUSQISQI（310）假設(shè)光波波長(zhǎng)，用MATLAB仿真式UM350SCDI10310，得到圖36樣品探測(cè)器超聲波激光器圖35自差干涉檢測(cè)原理圖外差干涉檢測(cè)如果在邁克爾遜干涉儀的參考臂中引入頻移系統(tǒng)，使參考光產(chǎn)生射頻范圍內(nèi)的頻移，即構(gòu)成外差干涉檢測(cè)儀，其示意圖見(jiàn)圖35。脈沖激光器發(fā)出的光束，經(jīng)分束鏡分成兩束，其中的一束經(jīng)移頻裝置后有的頻移，經(jīng)反射鏡反射后與樣品表面BF反射的信號(hào)光發(fā)生干涉。由探測(cè)器檢測(cè)出頻移和干涉光強(qiáng)度，從而得到樣品超聲振動(dòng)的位移信息樣品超聲波探測(cè)器圖37外差干涉檢測(cè)原理圖激光器頻移系統(tǒng)圖36以T為自變量，I為應(yīng)變量的MATLAB仿真圖設(shè)信號(hào)光的頻率為，參考光的頻率為，則參考光、信號(hào)光的電場(chǎng)SFBSRFF矢量，分別為T(mén)ERTS2COSRRFET（311）SSSSSFT（312）其中，和為信號(hào)光和考光的相位，和分別為信號(hào)光和參考光場(chǎng)的振SRSER幅。信號(hào)光和參考光完全準(zhǔn)直時(shí)，假設(shè)二者的偏振方向和傳播方向相同，并且垂直射到光探測(cè)器上。由于光電探測(cè)器的輸出正比于合場(chǎng)強(qiáng)的平方，則光電流為T(mén)I2COS2COSRRSSTFETFETI24COS1411RSRTFECSTFBRRSS（313）式中三、四、五項(xiàng)是光頻項(xiàng)，光電探測(cè)器無(wú)法響應(yīng)，實(shí)際輸出的光電流為2COSTFIITIBRSRS（314）式中，分別為信號(hào)光、參考光的直流分量，射頻發(fā)生器的SIRSFSR頻率，兩光束的相位差。式（314）是未加超聲信號(hào)時(shí)的光電探測(cè)器的輸出，如果樣品表面的超聲位移為。則來(lái)自樣品表面反射的信號(hào)光發(fā)生的相移，這時(shí)光電流的表達(dá)式為T(mén)U4TU2COSFIITIBRSRS（315）由式（315）可以看出，光電探測(cè)器的輸出電流由直流成份和相位調(diào)制的交流成份組成，其中直流項(xiàng)可以從測(cè)量中去除，而相位調(diào)制信號(hào)可經(jīng)過(guò)調(diào)相解調(diào)后得到所探測(cè)的超聲位移U（T），這就是激光外差干涉法探測(cè)超聲微振動(dòng)的原理。用MATLAB仿真如圖38，設(shè)定以下參數(shù)，CDIRS50MHZFB0UM3TFATB2COS0210A如果信號(hào)光和參考光之問(wèn)存在一定的夾角空間準(zhǔn)直角，則探測(cè)器的輸出光電流為272SINCOS11DWTEKTIRSRS（316）式中，為比例系數(shù)，為光電探測(cè)器光量子效率，為光敏面的直徑，1KD。/SIN2當(dāng)光電器件的量子噪聲很小時(shí)，可以只考慮參考光的散粒噪聲，光外差系統(tǒng)的圖38對(duì)式315進(jìn)行的MATLAB仿真信噪比為25221SINCODKSNR（317）由式317可得系統(tǒng)信噪比與檢測(cè)光束空間準(zhǔn)直角的關(guān)系曲線如圖39由式（316），式（317）和圖38可以看出，信號(hào)光與參考光的空間準(zhǔn)直性和在分束器上的入射角對(duì)外差信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比有極大的影響。當(dāng)時(shí)，光12SIND電流及信噪比達(dá)到最大，當(dāng)，即D/SIN時(shí)，光電流，為了保證有一2D0I定的光電流和足夠的信噪比，兩束光間的空間準(zhǔn)直角必須滿足，/ARCSIN且愈小愈好。外差干涉檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是用調(diào)制信號(hào)去控制載波相位將激光超聲加載到高頻范圍內(nèi)處理，使載波振蕩的瞬時(shí)相位按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，有效地抑制低頻噪聲的干擾，能對(duì)粗糙表面進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)環(huán)境振動(dòng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。與自差干涉檢測(cè)相比，外差干涉檢測(cè)大大提高了系統(tǒng)的信噪比28。自差法和外差法的共同特點(diǎn)是對(duì)表面位移靈敏29，但它無(wú)法消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種振動(dòng)對(duì)探測(cè)的干擾而且這兩種方法只有接收一個(gè)光斑時(shí)才有最佳的探測(cè)效果，因SNR24夾角0080060040020000圖39信噪比與信號(hào)光和參考光的準(zhǔn)直角的關(guān)系此通常只適用于實(shí)驗(yàn)室條件下的光滑表面的超聲振動(dòng)的探測(cè)。共焦FP干涉檢測(cè)共焦法布里一珀羅干涉儀屬于速度型干涉儀，基于振動(dòng)表面反射光和散射光的多普勒頻移，使光的頻率受到超聲波信號(hào)的調(diào)制，再由共焦球面法布里珀羅干涉儀解調(diào)，將頻率調(diào)制變?yōu)楣鈴?qiáng)調(diào)制，從而檢測(cè)超聲振動(dòng)信號(hào)，如圖310所示。這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點(diǎn)，只對(duì)固體表面的振動(dòng)速度靈敏，對(duì)周?chē)h(huán)境振動(dòng)較不敏感，有很強(qiáng)的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對(duì)光學(xué)粗糙表面的檢測(cè)，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精密測(cè)量超聲波形的場(chǎng)合這將引入一定的誤差。322非線性干涉檢測(cè)技術(shù)非線性干涉檢測(cè)包括相位共軛干涉檢測(cè)雙波混合干涉檢測(cè)；光感生電動(dòng)勢(shì)干涉檢測(cè)等。當(dāng)檢測(cè)激光束入射到一粗糙樣品表面時(shí)，反射光的波前由于表面散射而畸變，相位共軛干涉儀將這畸變的反射波前再經(jīng)一相位共軛鏡如BATIO3晶體反射而變成有共軛相位的畸變波前。當(dāng)這光束再入射到反射區(qū)時(shí)，畸變的相位得到了補(bǔ)償而“復(fù)原”。這樣，它與原入射波前干涉，就可獲得樣品表面的運(yùn)動(dòng)信息。這就是相位共軛干涉檢測(cè)30。雙波混合干涉是將由樣品表面反射的信號(hào)光束與參考光束在非線性光學(xué)晶體像BATIO3等中相干涉，而形成動(dòng)態(tài)光柵，再讓參考光束通過(guò)這光柵形成波前“畸變”的參考光束，它與“畸變”的信號(hào)光束再相干涉，以達(dá)到測(cè)量樣品表面的目的。光感生電動(dòng)勢(shì)干涉檢測(cè)利用了像GAAS這類(lèi)晶體，這類(lèi)晶體能生成和貯存?zhèn)€內(nèi)電場(chǎng)，而這內(nèi)電場(chǎng)的分布與入射光束的空問(wèn)強(qiáng)度分布相對(duì)應(yīng)。當(dāng)這空問(wèn)光強(qiáng)分布作激光器腔長(zhǎng)控制被測(cè)試樣探測(cè)器圖310共焦FP干涉儀測(cè)量系統(tǒng)橫向移動(dòng)時(shí)，貯存的空間電荷場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一時(shí)變的電流輸出。所以，它不需要額外的光電撿測(cè)器，就可以通過(guò)晶體上干涉條紋圖像的移動(dòng)而測(cè)量樣品的法向位移。PHOTOEMF器件像普通的半導(dǎo)體器件樣可以集成，而且有較高的截止頻率，像GAAS的PHOTOEMF器件的截止頻率可高達(dá)80MHZ。4激光超聲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用及存在的問(wèn)題41應(yīng)用概況411高精度的無(wú)損檢測(cè)極短的激光脈沖可以激發(fā)出極短的超聲脈沖。通過(guò)對(duì)衍射超聲波渡越時(shí)間差的分析，可以非常準(zhǔn)確地確定各種缺陷、包括各種體缺陷和表面缺陷的位置，其精度可優(yōu)于01MM。在這種檢測(cè)系統(tǒng)中，最引人注目的系統(tǒng)之一，就是LGAP與光探針相結(jié)合，所構(gòu)成的全光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種全光學(xué)系統(tǒng)對(duì)亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，除可探知缺陷的存在，確定缺陷的位置外，還可探知缺陷附近的脈沖模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可弄清缺陷的詳細(xì)情況。412惡劣環(huán)境下的材料特性測(cè)量激光超聲的非接觸式激發(fā)與接收、以及無(wú)損、非侵入性等特點(diǎn)，使得其特別適合于在惡劣的環(huán)境下（如高溫高壓、高濕、有毒、酸、堿及檢測(cè)環(huán)境或被測(cè)工件存在核輻射、強(qiáng)腐蝕性和化學(xué)反應(yīng)等），對(duì)工件進(jìn)行在線檢測(cè)。現(xiàn)在，激光超聲技術(shù)酬疊成功地盔熱軋無(wú)縫鋼管（管長(zhǎng)5512M，溫度1230攝氏度，延伸速度2M/S）生產(chǎn)線上進(jìn)行管坯壁厚均勻性的在線檢測(cè)；對(duì)核反應(yīng)堆中的石墨特性進(jìn)行分析對(duì)鋁、陶瓷和鋼在高溫下溫度達(dá)1400攝氏度）的材料特性進(jìn)行測(cè)定在線監(jiān)測(cè)陶瓷的燒結(jié)過(guò)程溫度7001100攝氏度）和金屬澆鑄過(guò)程中的固化等。413材料特性的檢測(cè)由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測(cè)量的材料特性參數(shù)不是影響超聲速度，就是影響超聲衰減，或者對(duì)二者都有影響。再加上激光超聲的特點(diǎn)，它就能夠測(cè)量材料的以下各項(xiàng)特性尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超聲可提高測(cè)量薄片的能力，幾微米厚的金屬片,測(cè)量誤差約2，并且可以進(jìn)行高溫在線測(cè)厚。力學(xué)特性，如測(cè)量殘余應(yīng)力、彈性模量等。缺陷檢測(cè)。因?yàn)榧す獬暀z測(cè)技術(shù)對(duì)包括縱波、橫波和表面波在內(nèi)的整個(gè)超聲波都是靈敏的，所以它可以通過(guò)選擇不同的波形，來(lái)探測(cè)體內(nèi)，表面和