激光超聲無損檢測技術(shù)研究摘要激光超聲檢測技術(shù)是利用激光脈沖照射樣品表面，激發(fā)出超聲波，并利用光學方法對超聲波進行檢測，從而實現(xiàn)對樣品進行無損檢測的一種方法。它隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來越廣。傳統(tǒng)的無損檢測方法有其局限性，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。而激光超聲檢測技術(shù)由于能夠在短時間內(nèi)不接觸物體進行激光激勵，所以，適合于環(huán)境復(fù)雜的檢測環(huán)境，并具有極強的抗干擾能力。所以，激光超聲技術(shù)在材料缺陷和性能的無損檢測中發(fā)揮了超聲檢測的優(yōu)勢，其應(yīng)用廣泛。本文首先對激光超聲技術(shù)進行了闡述，并介紹了激光超聲檢測系統(tǒng)的組成，及各個部分的具體情況。然后，著重介紹了激光激勵超聲波的基本概念，包括波長，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)生超聲波的機理，著重介紹了熱彈激發(fā)機理和燒蝕激發(fā)機理，并通過對熱彈激發(fā)機理的溫度場和應(yīng)力場的分析，介紹了激光超聲位移場理論。本文進一步講述了激光超聲檢測技術(shù)，著重講了光偏轉(zhuǎn)法中常見的刀口法、光干涉檢測方法中的自差干涉以及外差干涉的原理和方法，并簡要介紹了其他方法。最后，介紹了激光超聲技術(shù)在無損檢測鄰域的具體應(yīng)用及存在的問題。關(guān)鍵字激光超聲，無損檢測，激光超聲檢測技術(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激光激勵技術(shù)3132檢測技術(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激光激勵超聲波的基本概念5221波長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)生超聲的機理8241熱彈機制8242燒蝕激發(fā)機理16243其他激發(fā)機理173激光超聲檢測技術(shù)1831非干涉檢測技術(shù)18311刀刃檢測技術(shù)18312表面柵格衍射技術(shù)21313反射率檢測技術(shù)2232干涉檢測技術(shù)22321線性干涉檢測技術(shù)22322非線性干涉檢測技術(shù)284激光超聲技術(shù)在無損檢測鄰域的具體應(yīng)用及存在的問題2941應(yīng)用概況29411高精度的無損檢測29412惡劣環(huán)境下的材料特性測量29413材料特性的檢測29414薄膜、復(fù)合材料檢測，以及材料高溫特性等的研究30415快速超聲掃描成像3042存在的問題30421光聲能量轉(zhuǎn)換效率低的問題31422激光超聲信號檢測靈敏度問題31參考文獻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損檢測方法，早期受激光器件與相關(guān)學科發(fā)展的限制，自20世紀70年代提出到80年代中期成為熱點后，未達到人們預(yù)想的應(yīng)用效果。20世紀末至今，隨著激光、電子、計算機和相關(guān)學科的發(fā)展，經(jīng)過近十年的技術(shù)積累，激光超聲已從方法探索步人技術(shù)研究與開發(fā)應(yīng)用階段，是傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的進一步發(fā)展。激光超聲利用高能激光脈沖來激發(fā)超聲波并用激光來檢測超聲回波穿透波或發(fā)射波，具有非接觸、遠距離探測、頻帶寬及檢測可達性好等優(yōu)點，尤其適用于一些惡劣環(huán)境，如高溫、腐蝕、輻射及具有較快運動速度的被檢件123456。在工業(yè)高度發(fā)達的今天，無損檢測技術(shù)是不可或缺的。如對鋼材、鋁材、復(fù)合材料、工業(yè)陶瓷等常常需要做無損檢測和評價，對核電站的高壓容器、航天飛機的構(gòu)件必須常期地進行無損監(jiān)視。由于超聲波具有波長短，方向性強，遇障礙物產(chǎn)生衍射和散射等特點，超聲檢測技術(shù)一直是對材料進行無損檢測特性研究和結(jié)構(gòu)分析的長盛不衰的方法。此外，在醫(yī)學診斷、地質(zhì)勘探、建筑工程等方面，超聲檢測也有著廣泛的應(yīng)用。目前，在無損檢測手段包括射線法、電磁法）中，超聲波方法占50以上。激光超聲學是超聲學與激光技術(shù)相結(jié)合麗形成的新興交叉學科，涉及光學、聲學、電學、，材料學等學科，近年來已發(fā)展成為超聲學的一個重要分支7。超聲應(yīng)用技術(shù)在近幾十年來得到了長足發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于物理、化學、微電子學、表面科學、材料科學、環(huán)境科學以及生物醫(yī)學等諸多領(lǐng)域89。激光超聲源能同時激發(fā)縱波、橫波、表面波以及各種導波，在時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間和空間特性有關(guān)，還與材料本身的光學、熱學、力學等特性有關(guān)。因此，激光超聲技術(shù)在超聲傳播特性研究和材料無損評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1非接觸激光超聲信號通過激光脈沖激勵產(chǎn)生又通過光學方法檢測，實現(xiàn)了完全意義上的非接觸。發(fā)射源到被測物之間的距離可以達到10M，能夠在高溫、高壓、有毒或放射性等惡劣條件下迸行遠距離無損檢測。2寬帶激光超聲在時間和空間上都具有極高的分辨率，超聲的脈沖寬度可達，頻率可達GHZ，而相應(yīng)的波長只有幾UM，這就大大提高了探測微小缺陷的能NS1力和測量的精度，非常適合超薄材料的檢測和物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的研究。3實時在線由于激光超聲的激發(fā)和檢測都是在瞬間完成的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實時檢測，是工業(yè)上定位、在線監(jiān)測、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，而且對樣品的形狀基本沒有限制，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和定位，內(nèi)部損傷過程監(jiān)測，斷裂機理研究等工程領(lǐng)域中。特別是對固體材料的力學和熱學性質(zhì)研究，以及對具有生物活性的化學和生物物質(zhì)的光化學反應(yīng)動力學和熱力學的研究，更顯示出激光超聲技術(shù)具有其它檢測技術(shù)難以替代的優(yōu)越性?？梢韵嘈?，隨著科學技術(shù)，尤其是激光技術(shù)的發(fā)展，激光超聲學將在理論、技術(shù)和應(yīng)用研究等各方麗取得新的突破它的應(yīng)用前景也會更加廣闊。因此，研究激光超聲無損檢測技術(shù)不僅有理論方面的意義，還有實際應(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。當時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，會隨時間和距離的增加而衰變成聲波。之后，對固體、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。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L09NM的干涉儀檢測激光超聲，并對不銹鋼板的人工缺陷進行了檢測。之后，HUTEHINS和NEDEOU等用NDYAG和帶寬為45MHZ，位移靈敏度為LNM的干涉儀進行了表面缺陷的實驗。1979年，LEDBETTER等最先同時檢測到一次激發(fā)產(chǎn)生的縱波，橫波和表面波。1980和1982年，SERUBY和DEWHURST等對激光在金屬中產(chǎn)生的超聲波形進行了定量測量，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80年代中期加拿大人JPMONEHALIN提出了用球面共焦FABRYPEROT干涉儀探測超聲振動超聲測厚技術(shù)，首次實現(xiàn)了在1M遠處對未拋光的鋼板進行激光超聲的實驗，向?qū)嵱没~出了一大步10。20世紀90年代中期，YNAGATA，JHUANG，JDACHENBACH和KRISHNASWAMY等進行了一系列的理論和應(yīng)用研究工作。近幾年，激光超聲機理和技術(shù)的研究有了更大發(fā)展，在激光超聲信號的激發(fā)、接收、傳播理論，以及應(yīng)用等方面取得很大進展11。13激光超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀131激光激勵技術(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。直接式是使用激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應(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材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(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。近年來又展開了激光超聲源在時間和空間分布調(diào)制技術(shù)的研究，使激光的超聲信號成為窄帶或線性調(diào)頻信號，以便采用窄帶濾波技術(shù)或信號處理技術(shù)來提高檢測的信噪比13，改善超聲波形。光束調(diào)制方法有三種，即時間調(diào)制、空間調(diào)制以及“空間時間”的雙重調(diào)制。時間調(diào)制可采用激光器腔內(nèi)鎖模、激光器陣列的定時激發(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和時間的雙重調(diào)制是在改變光束形狀的同時，也讓光源或其照射到樣品上的光線隨時間變化15。132檢測技術(shù)檢測激光超聲的技術(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，多在實驗室用。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。第二種是光學檢測器。這是利用連續(xù)檢測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)，特別是越來越廣泛的應(yīng)用在無損檢測領(lǐng)域。1）惡劣環(huán)境下的無損檢測。利用激光超聲的非接觸式、非人性等特點可以對材料特性在高溫輻射等惡劣環(huán)境下進行測量，也可以對材料在高溫條件下進行檢測，特別是可以應(yīng)用激光無損在高壓、高濕、酸、堿或有毒以及檢測環(huán)境或被測工件存在強腐蝕性、核輻射和化學反應(yīng)等環(huán)境下檢測。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)測的重要手段之一。2）材料性質(zhì)的高精度無損檢測。以激光超聲表面波為代表的用于微小缺陷檢測的激光技術(shù)的研究，是目前國際學術(shù)界的一個研究熱點，日益成為超聲工程和無損檢測領(lǐng)域的一個重要內(nèi)容16。14本文的主要內(nèi)容本文第二章介紹了激光激勵超聲波的的基本概念、基本原理和激勵方法。第三章給出了利用不同的方法檢測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損檢測技術(shù)的具體應(yīng)用及存在的問題。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，或利用脈沖激光來產(chǎn)生超聲波這物理過程。作為超聲學新近發(fā)展起來的一個分支，激光超聲學涉及光學、聲學、電學、材料學等學科111718。激光超聲檢測系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)主要由一臺高能脈沖激光器構(gòu)成，用以在被檢測物體上產(chǎn)生高熱量，從而產(chǎn)生超聲脈沖信號。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)一般由檢測激光、激光干涉儀、光電探測器、信號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)。當檢測激光照射到樣品表面時，超聲振動會對它的反射光進行調(diào)制，使超聲振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔⒏缮鎯x能夠測量細微的光程或光頻率變化它把光信號攜帶的超聲振動信息解調(diào)出來。光電探測器是由光電二極管構(gòu)成的，它的作用是將光信號中的超聲信號轉(zhuǎn)變成電信號。光電探測器的輸出信號很小，而且有噪聲，所以需要信號放大處理電路對電信號進行放大，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)機理和應(yīng)用。22激光激勵超聲波的基本概念221波長波長沿著波的傳播方向，在波的圖形中相對平衡位置的位移時刻相同的兩個質(zhì)點之間的距離。橫波與縱波的波長在橫波中波長通常是指相鄰兩個波峰或波谷之間的距離。在縱波中波長是指相鄰兩個密部或疏部之間的距離。222縱波（P波）縱波是質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致的波。如敲鑼時，鑼的振動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“凹凸波”。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直，這樣的波稱為“橫波”。橫波的特點是質(zhì)點的振動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。聲表面波是英國物理學家瑞利（RAYLEIGH）在19世紀80年代研究地震波的過程中偶爾發(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)展起來的一門新興科學技術(shù)領(lǐng)域，它是聲學和電子學相結(jié)合的一門邊緣學科。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬倍，而且在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理，因此，用聲表面波去模擬電子學的各種功能，能使電子器件實現(xiàn)超小型化和多功能化。同時，由于聲表面波器件在甚高頻和超高頻波段內(nèi)以十分簡單的方式提供了其它方法不易得到的信號處理功能，因此，聲表面波技術(shù)在雷達、通信和電子對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、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)用已涉及到許多學科領(lǐng)域，如地震學、天文學、雷達通信及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探和無損檢測等。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，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、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覺上限而得名。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為縱波到達時刻，和H/CS為橫波到達時刻。微燒蝕效應(yīng)作用下，彈性波源的力學模型可等效為在彈性體表面作用一垂直點力P，超聲的位移表達式如式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實際上，表面作用的是，則超聲的位移為TFPU（22）其中，為卷積符號，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為激勵點與接收點間距離，U為表面超聲位移，C為表面波速度，YC為表面波到達時刻。23激光器激光激發(fā)超聲應(yīng)選擇恰當?shù)募す夤庠?。由于工作在熱彈性機制下的光聲轉(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強度非常重要?，F(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而中心頻率高?？梢愿鶕?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。直接式是使激光與被測材料直接作用，通過熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測材料周圍的其它物質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波。一般認為，固體中激光激勵超聲波的機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)激光光束強度的不同，激勵超聲脈沖有兩種機制熱彈機制和燒蝕機制21。對于表面干凈、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)生超聲過程中，熱彈效應(yīng)激發(fā)起主要作用；當激光功率密度較高時，固體表面溫度上升使局部融化，以至出現(xiàn)燒蝕此時，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，激光脈沖寬度進一步壓縮壓縮至PS量級，或FS量級，在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的基礎(chǔ)上，形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。241熱彈機制基本原理當由具有Q開關(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，如果單個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。這時在照射點附近的表面薄層內(nèi)產(chǎn)生了急劇的熱膨脹，正是這個熱彈效應(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。當脈沖激光投射到不透明固體表面上時，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。對于電導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，則熱擴散效應(yīng)就很小，熱彈源位于很薄的表層內(nèi)約幾。M當金屬表面處于自由狀態(tài)時，淺表層的體積膨脹引起的主要應(yīng)力平行于材料表面，理論上它相當于時間上是階躍函數(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)出超聲橫波和相對幅度很小的縱波。熱彈激發(fā)機理原理如圖23所示71011171822由于固體淺表層的局部升溫并沒有導致材料的任何相變，所以熱彈激發(fā)效應(yīng)具有嚴格無損的特點，它是激發(fā)超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發(fā)超聲過程中，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。激光超聲位移場理論溫度場對于熱彈問題，溫度和位移可分別由熱傳導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LAME常數(shù)，為密度，,TZYXG,0TFZYFEGTZYXX0X（25）式中，為熱源光強度，為光吸收系數(shù)，為進入樣品表ISIRIG1000I面（X0）的激光強度，為入射激光的強度，為材料表面的光反射率函數(shù)ISRFY，Z為激光強度在光束截面中的空間分布函數(shù)，對子個半無限大即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X有關(guān)，可作一維處理，F(xiàn)Y，Z1；FT為激光強度的時間分布函數(shù)。假設(shè)激光脈沖為梯形脈沖模型，它的強度的時間分布如圖24所示。FT的函數(shù)表達式為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)中的溫度場分布102TFEKGTTXX（27）式中，為熱擴散率，且。CV利用熱傳導的初始條件和邊界條件，對式270,0,TXT0,TXTTB2T0B1T00T0F（T）1圖24梯形脈沖激光的強度分布示意圖進行拉氏變換，可得100201202PTTPBTXEEPTBEKGTPX（28）式中，P為拉氏參數(shù)，為T的拉氏變換。求解式28，可得10022020XXPTTPBEETKGT（29）式中，。P2用MATLAB進行仿真如圖25，設(shè)定以下參數(shù)為光吸收系數(shù)05，入射激光的強度為1CD，為材料表面的光反射率,淺IISR色金屬表面通過率150,K固體的熱傳導率（鋼45W/MK）,為熱擴散率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進行仿真式29應(yīng)力場媒質(zhì)中溫度場激發(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NAVIERSTOKES方程進行拉氏變換。并考慮初始條件U（X，0），可得0,TXUXTCP02（211）式中，為U的拉氏變換。對于弱吸收媒質(zhì)，式29可簡化為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)力場為XETFTBFTFTCTB101021010030230133CTFCXTFCXTBFXF（220）式中，函數(shù)3SHCXSHSF（221）同理，對于強吸收媒質(zhì)，可得自由表面的應(yīng)力場為10402401440CXTFCXTBFCXTBFCXTFBX05025015TFTFTFT（222）式中，函數(shù)224SHCSSF（223）22452SHXERFCSCSFX（224）對于嵌緊表面，應(yīng)力場為1060260160TFTBFTFTTBX（225）式中，函數(shù)222462SHCSXERFCSCSFX（226）由式216至式226可見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B0和BL時，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)，當激光脈沖由三角形向矩形變化時，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，會大大增強超聲波的瞬時作用力。242燒蝕激發(fā)機理當入射激光的功率密度大于樣品表面的損傷閩時，表面材料汽化，對樣品產(chǎn)生一法向沖力，從而激發(fā)超聲波，稱為燒蝕激發(fā)機理。燒蝕激發(fā)機理的原理如圖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)機理示意圖對于金屬，當入射激光脈沖功密度大于107/CM2時，其表面因吸收光能導致溫度急劇升高，當溫度超過材料的熔點時，會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。這一過程可產(chǎn)生很強的垂直于表面的反F作用力脈沖，相當于給表面施加個時間為沖擊函數(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)出所有類型的超聲波25。這種機制的超聲激發(fā)效率比熱彈機制高4個數(shù)量級，可以獲得大幅度的縱波，橫波和表面波。但由于它每次對表面產(chǎn)生約O3的損傷。所以只能用于某些場合，且UM通常用來產(chǎn)生縱波。243其他激發(fā)機理隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光脈沖寬度進一步壓縮壓縮至PS量級，或FS量級，在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的基礎(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)以及非熱機制反壓電效應(yīng)激發(fā)等方法。用兩束來自同一激光器的光脈沖，交叉夾角為同時入射至樣品，在樣品中或表面形成光干涉圖光強峰谷交替，受照射處的樣品吸收此柵狀光能而熱致產(chǎn)生超聲聲子，稱為熱柵激發(fā)機理。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)。與納秒級激光相比，皮秒級或飛秒級激光的最大不同之處是它可以通過電子應(yīng)變激發(fā)機理激發(fā)超聲。當高強度、超短光脈沖照射半導體時，共價晶體中原子的價電子脫離原子，但電子來不及在如此短的時間內(nèi)把過剩能量交給晶格，使電子和聲子在非常短暫的期間會失去熱平衡，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500600K或更高，電子將以超音速的速度擴散，通過電子聲子的復(fù)合把能量傳給晶格而自身冷卻下來。而晶格的溫度變化很小，不會超過幾度。在電子超音速傳遞期間，電子會對介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而會影響所產(chǎn)生的超聲的波形，稱為電子應(yīng)變激發(fā)機理。電子對介質(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)。非熱機制反壓電效應(yīng)激發(fā)指的是在壓電半導體中光生非平衡態(tài)載流子，當有一瞬態(tài)電場作用時，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440GHZ時成功地以110NM的空間分辨率在室溫測量超聲衰減和速度，使得激光超聲能測材料的微結(jié)構(gòu)，并求出微結(jié)構(gòu)中不同組份的力學性質(zhì)和界面質(zhì)量，這是其他方法不能與之比擬的。3激光超聲檢測技術(shù)目前，激光超聲的接收主要有傳感器檢測和光學法檢測兩類。傳感器檢測包括壓電陶瓷換能器檢測，電磁聲換能器檢測，電容聲換能器檢測。這些檢測方法,可以十分簡便地接收到激光超聲信號，但傳感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面，才能獲得高的檢測靈敏度。并且超聲檢測用壓電換能器接收超聲信號這種方法需要用耦合劑，對被測樣品會產(chǎn)生影響。利用光學方法探測材料表面的超聲振動是一種新型的無損檢測手段，該方法具有非接觸、靈敏度高等特點，能夠克服傳統(tǒng)超聲波檢測需要耦合劑的缺點，是真正意義上的非接觸、寬帶檢測技術(shù)。光學法檢測技術(shù)又可細分為非干涉檢測技術(shù)和干涉檢測技術(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勢干涉儀則屬于非線性光學的。31非干涉檢測技術(shù)非干涉檢測技術(shù)包括刀刃檢測技術(shù)，表面柵格衍射技術(shù)和反射率檢測技術(shù)等。311刀刃檢測技術(shù)當照射到樣品表面的檢測光束直徑小于激光超聲波長時，檢測光的反射光由于樣品表面超聲振動而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)大小由刀刃割截的光通量或位移檢測器測定。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)簡單，頻帶寬，環(huán)境振動影響小等優(yōu)點，是對拋光表面樣品進行超聲檢測的有效工具，其裝置如下圖31所示具體如圖32檢測光探測器刀刃圖31刀刃檢測技術(shù)示意圖光電探測器探測激光L2L1刀口L3圖32刀口法探測超聲波具體圖光偏轉(zhuǎn)技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡單、對環(huán)境振動不敏感的探測方法，其中最常見的形式是刀口法。如圖所示，一束直徑為D的探測激光束被焦距為F1的透鏡L1聚焦至樣品表面，樣品表面因為超聲波傳播引起的局部傾斜，當入射于表面的探測光斑的尺寸比檢測的最短聲波長小時，由聲擾動導致的表面傾斜會使反射光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)了的反射光束就攜帶了超聲信息，通過焦距為F2的透鏡L2準直，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聚焦至光電探測器上進行測定，通過光強的變化探測聲波。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度是高斯分布，是入射光電場強度的振幅，是反射光束直徑，樣品受超聲擾動后0AD32/FDD表面的傾斜度為，當偏轉(zhuǎn)很小時，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，。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SINXKWUTAAK表面傾斜角很小時COSTXUAA（32）平均角度,其中為聲波波長，則光電管輸出電流與聲AARMUK/2/A波的關(guān)系為41AISIGUDFI（33）當聲波為寬頻脈沖波時，可以將脈沖聲波看成簡諧波的疊加NIAIISIGUDFI14（34）和，分別是各頻率分量聲波的振幅和波長。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。其最小可檢測振幅時為B1SNR362110MIN4IAIHVFU光偏轉(zhuǎn)技術(shù)可以用來檢測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)簡單，因此造價不高，它的缺點在于探測低頻超聲時靈敏度低，并且對樣品表面的要求也比較高。對于公式35用MATLAB進行仿真，是光電管的靈敏系數(shù),單位是22150047，是入射光束的MF10WA/II光強為（高亮LED），為聲波波長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)當入射光斑的尺寸相當于幾個聲波的波長時，由于BRAGG效應(yīng)或RAMANNATH效應(yīng)，會產(chǎn)生一級或多級衍射光，通過測量衍射光的強度和偏轉(zhuǎn)角，可測定超聲波的特性。表面衍射技術(shù)是把聲表面波的位移作為電場振幅來檢測，其簡單原理如圖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聲波長，垂直投射到受超聲擾動的表面上，超聲擾動使表面形成光柵，由于BRAGG效應(yīng)或11負一級衍射入射光一級衍射聲波圖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)一級或多級衍射光分布在鏡式反射的零級光的一側(cè)或兩側(cè)。衍射光的傳播方向由下式?jīng)Q定00/SINI（37）其中、分別為聲波長和光波長，是衍射光的級數(shù)。當超聲波的振幅比光波長A小得多時，第一級和零級衍射光的相對強度為210UKJIA（38）是第一類一階BESSEL函數(shù)，是峰值表面位移。1UKJAU313反射率檢測技術(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，通過檢測這種變化，即可得到脈沖激光在薄膜中產(chǎn)生的超聲回波。32干涉檢測技術(shù)根據(jù)是否使用非線性晶體，干涉檢測技術(shù)又可分為線性干涉檢測技術(shù)和非線性干涉檢測技術(shù)。321線性干涉檢測技術(shù)線性干涉檢測技術(shù)包括自差、外差和共焦FABRYPEROT干涉檢測技術(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。自差干涉檢測自差干涉檢測是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測量臂中的反射鏡，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)分束鏡后進入探測器；另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進探測器，二者發(fā)生干涉。設(shè)樣品表面的超聲振動為，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表達|式為4COS20TSQI（39）式中S為參考光束有效強度透過系數(shù)，Q樣品表面反射的檢測光束的有效強度透過系數(shù)，為相位，T為時間。其中，相位由干涉儀的光程差決定，并受外界振動T影響。實際應(yīng)用中可通過調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀的參考鏡，使光程差K為整數(shù)），當遠小于光波波長時，干涉光強為2/KTTU424SIN00TUSQISQI（310）假設(shè)光波波長，用MATLAB仿真式UM350SCDI10310，得到圖36樣品探測器超聲波激光器圖35自差干涉檢測原理圖外差干涉檢測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)成外差干涉檢測儀，其示意圖見圖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反射的信號光發(fā)生干涉。由探測器檢測出頻移和干涉光強度，從而得到樣品超聲振動的位移信息樣品超聲波探測器圖37外差干涉檢測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)信號光的頻率為，參考光的頻率為，則參考光、信號光的電場SFBSRFF矢量，分別為TERTS2COSRRFET（311）SSSSSFT（312）其中，和為信號光和考光的相位，和分別為信號光和參考光場的振SRSER幅。信號光和參考光完全準直時，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器上。由于光電探測器的輸出正比于合場強的平方，則光電流為TI2COS2COSRRSSTFETFETI24COS1411RSRTFECSTFBRRSS（313）式中三、四、五項是光頻項，光電探測器無法響應(yīng)，實際輸出的光電流為2COSTFIITIBRSRS（314）式中，分別為信號光、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）是未加超聲信號時的光電探測器的輸出，如果樣品表面的超聲位移為。則來自樣品表面反射的信號光發(fā)生的相移，這時光電流的表達式為TU4TU2COSFIITIBRSRS（315）由式（315）可以看出，光電探測器的輸出電流由直流成份和相位調(diào)制的交流成份組成，其中直流項可以從測量中去除，而相位調(diào)制信號可經(jīng)過調(diào)相解調(diào)后得到所探測的超聲位移U（T），這就是激光外差干涉法探測超聲微振動的原理。用MATLAB仿真如圖38，設(shè)定以下參數(shù)，CDIRS50MHZFB0UM3TFATB2COS0210A如果信號光和參考光之問存在一定的夾角空間準直角，則探測器的輸出光電流為272SINCOS11DWTEKTIRSRS（316）式中，為比例系數(shù)，為光電探測器光量子效率，為光敏面的直徑，1KD。/SIN2當光電器件的量子噪聲很小時，可以只考慮參考光的散粒噪聲，光外差系統(tǒng)的圖38對式315進行的MATLAB仿真信噪比為25221SINCODKSNR（317）由式317可得系統(tǒng)信噪比與檢測光束空間準直角的關(guān)系曲線如圖39由式（316），式（317）和圖38可以看出，信號光與參考光的空間準直性和在分束器上的入射角對外差信號的強度和信噪比有極大的影響。當時，光12SIND電流及信噪比達到最大，當，即D/SIN時，光電流，為了保證有一2D0I定的光電流和足夠的信噪比，兩束光間的空間準直角必須滿足，/ARCSIN且愈小愈好。外差干涉檢測的優(yōu)點是用調(diào)制信號去控制載波相位將激光超聲加載到高頻范圍內(nèi)處理，使載波振蕩的瞬時相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化，有效地抑制低頻噪聲的干擾，能對粗糙表面進行檢測，并對環(huán)境振動有較強的抗干擾能力。與自差干涉檢測相比，外差干涉檢測大大提高了系統(tǒng)的信噪比28。自差法和外差法的共同特點是對表面位移靈敏29，但它無法消除工業(yè)現(xiàn)場各種振動對探測的干擾而且這兩種方法只有接收一個光斑時才有最佳的探測效果，因SNR24夾角0080060040020000圖39信噪比與信號光和參考光的準直角的關(guān)系此通常只適用于實驗室條件下的光滑表面的超聲振動的探測。共焦FP干涉檢測共焦法布里一珀羅干涉儀屬于速度型干涉儀，基于振動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)楣鈴娬{(diào)制，從而檢測超聲振動信號，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，只對固體表面的振動速度靈敏，對周圍環(huán)境振動較不敏感，有很強的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對光學粗糙表面的檢測，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精密測量超聲波形的場合這將引入一定的誤差。322非線性干涉檢測技術(shù)非線性干涉檢測包括相位共軛干涉檢測雙波混合干涉檢測；光感生電動勢干涉檢測等。當檢測激光束入射到一粗糙樣品表面時，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。當這光束再入射到反射區(qū)時，畸變的相位得到了補償而“復(fù)原”。這樣，它與原入射波前干涉，就可獲得樣品表面的運動信息。這就是相位共軛干涉檢測30。雙波混合干涉是將由樣品表面反射的信號光束與參考光束在非線性光學晶體像BATIO3等中相干涉，而形成動態(tài)光柵，再讓參考光束通過這光柵形成波前“畸變”的參考光束，它與“畸變”的信號光束再相干涉，以達到測量樣品表面的目的。光感生電動勢干涉檢測利用了像GAAS這類晶體，這類晶體能生成和貯存?zhèn)€內(nèi)電場，而這內(nèi)電場的分布與入射光束的空問強度分布相對應(yīng)。當這空問光強分布作激光器腔長控制被測試樣探測器圖310共焦FP干涉儀測量系統(tǒng)橫向移動時，貯存的空間電荷場會產(chǎn)生一時變的電流輸出。所以，它不需要額外的光電撿測器，就可以通過晶體上干涉條紋圖像的移動而測量樣品的法向位移。PHOTOEMF器件像普通的半導體器件樣可以集成，而且有較高的截止頻率，像GAAS的PHOTOEMF器件的截止頻率可高達80MHZ。4激光超聲技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的具體應(yīng)用及存在的問題41應(yīng)用概況411高精度的無損檢測極短的激光脈沖可以激發(fā)出極短的超聲脈沖。通過對衍射超聲波渡越時間差的分析，可以非常準確地確定各種缺陷、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)成的全光學檢測系統(tǒng)。實驗表明，用這種全光學系統(tǒng)對亞表面缺陷進行檢測，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，進而可弄清缺陷的詳細情況。412惡劣環(huán)境下的材料特性測量激光超聲的非接觸式激發(fā)與接收、以及無損、非侵入性等特點，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、堿及檢測環(huán)境或被測工件存在核輻射、強腐蝕性和化學反應(yīng)等），對工件進行在線檢測。現(xiàn)在，激光超聲技術(shù)酬疊成功地盔熱軋無縫鋼管（管長5512M，溫度1230攝氏度，延伸速度2M/S）生產(chǎn)線上進行管坯壁厚均勻性的在線檢測；對核反應(yīng)堆中的石墨特性進行分析對鋁、陶瓷和鋼在高溫下溫度達1400攝氏度）的材料特性進行測定在線監(jiān)測陶瓷的燒結(jié)過程溫度7001100攝氏度）和金屬澆鑄過程中的固化等。413材料特性的檢測由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測量的材料特性參數(shù)不是影響超聲速度，就是影響超聲衰減，或者對二者都有影響。再加上激光超聲的特點，它就能夠測量材料的以下各項特性尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超聲可提高測量薄片的能力，幾微米厚的金屬片,測量誤差約2，并且可以進行高溫在線測厚。力學特性，如測量殘余應(yīng)力、彈性模量等。缺陷檢測。因為激光超聲檢測技術(shù)對包括縱波、橫波和表面波在內(nèi)的整個超聲波都是靈敏的，所以它可以通過選擇不同的波形，來探測體內(nèi)，表面和