激光超声无损检测技术研究毕业设计

激光超声无损检测技术研究摘要激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品表面，激发出超声波，并利用光学方法对超声波进行检测，从而实现对样品进行无损检测的一种方法。它随着现代科技和工业的发展，应用范围也越来越广。传统的无损检测方法有其局限性，在温度、压力较大或者具有放射性或腐蚀性的环境下就不能完全满足要求。而激光超声检测技术由于能够在短时间内不接触物体进行激光激励，所以，适合于环境复杂的检测环境，并具有极强的抗干扰能力。所以，激光超声技术在材料缺陷和性能的无损检测中发挥了超声检测的优势，其应用广泛。本文首先对激光超声技术进行了阐述，并介绍了激光超声检测系统的组成，及各个部分的具体情况。然后，着重介绍了激光激励超声波的基本概念，包括波长，横波，纵波，声表面波，超声波，并举例了烧蚀效应作用下纵波、横波、平面波的波形示意图。另外介绍了常用激光器。在此基础上，本文介绍了激光产生超声波的机理，着重介绍了热弹激发机理和烧蚀激发机理，并通过对热弹激发机理的温度场和应力场的分析，介绍了激光超声位移场理论。本文进一步讲述了激光超声检测技术，着重讲了光偏转法中常见的刀口法、光干涉检测方法中的自差干涉以及外差干涉的原理和方法，并简要介绍了其他方法。最后，介绍了激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题。关键字激光超声，无损检测，激光超声检测技术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目录1绪论111本文的研究背景与意义112激光超声技术的发展情况213激光超声技术的研究现状3131激光激励技术3132检测技术3133总体应用314本文的主要内容42激光超声理论521激光超声概述522激光激励超声波的基本概念5221波长5222纵波（P波）5223横波5224波面6225超声波6226举例623激光器724激光产生超声的机理8241热弹机制8242烧蚀激发机理16243其他激发机理173激光超声检测技术1831非干涉检测技术18311刀刃检测技术18312表面栅格衍射技术21313反射率检测技术2232干涉检测技术22321线性干涉检测技术22322非线性干涉检测技术284激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题2941应用概况29411高精度的无损检测29412恶劣环境下的材料特性测量29413材料特性的检测29414薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究30415快速超声扫描成像3042存在的问题30421光声能量转换效率低的问题31422激光超声信号检测灵敏度问题31参考文献32致谢351引言11本文的研究背景与意义激光超声是一种新型无损检测方法，早期受激光器件与相关学科发展的限制，自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点后，未达到人们预想的应用效果。20世纪末至今，随着激光、电子、计算机和相关学科的发展，经过近十年的技术积累，激光超声已从方法探索步人技术研究与开发应用阶段，是传统超声检测技术的进一步发展。激光超声利用高能激光脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波穿透波或发射波，具有非接触、远距离探测、频带宽及检测可达性好等优点，尤其适用于一些恶劣环境，如高温、腐蚀、辐射及具有较快运动速度的被检件123456。在工业高度发达的今天，无损检测技术是不可或缺的。如对钢材、铝材、复合材料、工业陶瓷等常常需要做无损检测和评价，对核电站的高压容器、航天飞机的构件必须常期地进行无损监视。由于超声波具有波长短，方向性强，遇障碍物产生衍射和散射等特点，超声检测技术一直是对材料进行无损检测特性研究和结构分析的长盛不衰的方法。此外，在医学诊断、地质勘探、建筑工程等方面，超声检测也有着广泛的应用。目前，在无损检测手段包括射线法、电磁法）中，超声波方法占50以上。激光超声学是超声学与激光技术相结合丽形成的新兴交叉学科，涉及光学、声学、电学、，材料学等学科，近年来已发展成为超声学的一个重要分支7。超声应用技术在近几十年来得到了长足发展，并广泛地应用于物理、化学、微电子学、表面科学、材料科学、环境科学以及生物医学等诸多领域89。激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，在时间上具有与冲击函数T和阶跃函数HT很相似的特性。而且，激光超声的产生不仅与激光脉冲的时间和空间特性有关，还与材料本身的光学、热学、力学等特性有关。因此，激光超声技术在超声传播特性研究和材料无损评估方面有着非常广阔的应用前景。激光超声技术具体具有以下优点1非接触激光超声信号通过激光脉冲激励产生又通过光学方法检测，实现了完全意义上的非接触。发射源到被测物之间的距离可以达到10M，能够在高温、高压、有毒或放射性等恶劣条件下迸行远距离无损检测。2宽带激光超声在时间和空间上都具有极高的分辨率，超声的脉冲宽度可达，频率可达GHZ，而相应的波长只有几UM，这就大大提高了探测微小缺陷的能NS1力和测量的精度，非常适合超薄材料的检测和物质微结构的研究。3实时在线由于激光超声的激发和检测都是在瞬间完成的，能够实现快速实时检测，是工业上定位、在线监测、快速超声扫描成像的极好手段。4适用面广激光激发超声现象在固体，液体和气体中均存在，而且对样品的形状基本没有限制，使得激光超声技术有着很广泛的应有领域。目前，激光超声技术已被广泛应用于材料的缺陷探测和定位，内部损伤过程监测，断裂机理研究等工程领域中。特别是对固体材料的力学和热学性质研究，以及对具有生物活性的化学和生物物质的光化学反应动力学和热力学的研究，更显示出激光超声技术具有其它检测技术难以替代的优越性。可以相信，随着科学技术，尤其是激光技术的发展，激光超声学将在理论、技术和应用研究等各方丽取得新的突破它的应用前景也会更加广阔。因此，研究激光超声无损检测技术不仅有理论方面的意义，还有实际应用上的意义。12激光超声技术的发展情况激光超声技术的研究始于1962年。当时WHITE和ASKARYAN分别论证了用脉冲激光束在固体和液体中激发声波的方法。紧接着，RAMSDEN，BUNKINY和STEGMAN观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的燃烧波，会随时间和距离的增加而衰变成声波。之后，对固体、液体和气体媒质中激光超声激发的研究均有了很大的发展。1976年，BONDARENKO等首先把激光超声用于材料检测。他们用调Q红宝石激光器激发超声，用带宽为5KHZ至150MHZ，位移灵敏度为L09NM的干涉仪检测激光超声，并对不锈钢板的人工缺陷进行了检测。之后，HUTEHINS和NEDEOU等用NDYAG和带宽为45MHZ，位移灵敏度为LNM的干涉仪进行了表面缺陷的实验。1979年，LEDBETTER等最先同时检测到一次激发产生的纵波，横波和表面波。1980和1982年，SERUBY和DEWHURST等对激光在金属中产生的超声波形进行了定量测量，并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象710，为激光超声的应用找术打下了基础。20世纪80年代中期加拿大人JPMONEHALIN提出了用球面共焦FABRYPEROT干涉仪探测超声振动超声测厚技术，首次实现了在1M远处对未抛光的钢板进行激光超声的实验，向实用化迈出了一大步10。20世纪90年代中期，YNAGATA，JHUANG，JDACHENBACH和KRISHNASWAMY等进行了一系列的理论和应用研究工作。近几年，激光超声机理和技术的研究有了更大发展，在激光超声信号的激发、接收、传播理论，以及应用等方面取得很大进展11。13激光超声技术的研究现状131激光激励技术利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。直接式是使用激光与被测材料直接作用，通过热弹性效应或融蚀效应作用等激光发出超声波；间接式则是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。现在用于生成超声波的激光器使用的最多是NDYAG激光器，使用脉冲激光器的比较多，如TEACO2脉冲激光器被用于在液体中产生声脉冲12。近年来又展开了激光超声源在时间和空间分布调制技术的研究，使激光的超声信号成为窄带或线性调频信号，以便采用窄带滤波技术或信号处理技术来提高检测的信噪比13，改善超声波形。光束调制方法有三种，即时间调制、空间调制以及“空间时间”的双重调制。时间调制可采用激光器腔内锁模、激光器阵列的定时激发、BRAGG声光调制技术。空间调制最常用的方法是用柱面镜将激光光点变为线光源，更复杂的空间调制方法可以利用布拉格光栅单线变成多线14。空间和时间的双重调制是在改变光束形状的同时，也让光源或其照射到样品上的光线随时间变化15。132检测技术检测激光超声的技术有常用的方法有如下几种。第一种是压电换能器（PZT）检测法。这是比较经典的方法，灵敏度比较高，其响应频率也比较宽，多在实验室用。常用的换能器有电磁、电容、压电陶瓷换能器、电磁声换能器和电容声换能器。第二种是光学检测器。这是利用连续检测激光照射到样品表面，接收表面的反射光，并从反射光的相位、振幅、频率等的变化中得出光激超声信号的方法15。133总体应用目前在很多领域都已经初步应用了激光超声技术，特别是越来越广泛的应用在无损检测领域。1）恶劣环境下的无损检测。利用激光超声的非接触式、非人性等特点可以对材料特性在高温辐射等恶劣环境下进行测量，也可以对材料在高温条件下进行检测，特别是可以应用激光无损在高压、高湿、酸、碱或有毒以及检测环境或被测工件存在强腐蚀性、核辐射和化学反应等环境下检测。激光超声技术在高温、核辐射等环境下成为了工业上定位、在线监测的重要手段之一。2）材料性质的高精度无损检测。以激光超声表面波为代表的用于微小缺陷检测的激光技术的研究，是目前国际学术界的一个研究热点，日益成为超声工程和无损检测领域的一个重要内容16。14本文的主要内容本文第二章介绍了激光激励超声波的的基本概念、基本原理和激励方法。第三章给出了利用不同的方法检测样品中超声波的工作原理和方法。第四章介绍了激光超声无损检测技术的具体应用及存在的问题。2激光超声理论21激光超声概述激光超声是指用脉冲激光在物体中产生的超声波，或利用脉冲激光来产生超声波这物理过程。作为超声学新近发展起来的一个分支，激光超声学涉及光学、声学、电学、材料学等学科111718。激光超声检测系统一般由发射系统和接收系统组成。发射系统主要由一台高能脉冲激光器构成，用以在被检测物体上产生高热量，从而产生超声脉冲信号。由于超声波是物体受热激发的，并在物体表面和内部进行传播，所以它携带有物体的厚度、缺陷、应力以及结构等信息。接收系统一般由检测激光、激光干涉仪、光电探测器、信号放大处理电路等组成，它可以根据不同的需要放置在发射系统的同侧或异侧。当检测激光照射到样品表面时，超声振动会对它的反射光进行调制，使超声振动信息转变为光信息干涉仪能够测量细微的光程或光频率变化它把光信号携带的超声振动信息解调出来。光电探测器是由光电二极管构成的，它的作用是将光信号中的超声信号转变成电信号。光电探测器的输出信号很小，而且有噪声，所以需要信号放大处理电路对电信号进行放大，提高信噪比。激光可以在固体中产生超声，也可以在气体和液体中产生超声，本文只讨论固体中激光超声的激发机理和应用。22激光激励超声波的基本概念221波长波长沿着波的传播方向，在波的图形中相对平衡位置的位移时刻相同的两个质点之间的距离。横波与纵波的波长在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。222纵波（P波）纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是一致的，声波是纵波。223横波横波也称“凹凸波”。质点的振动方向与波的传播方向垂直，这样的波称为“横波”。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。224声表面波声表面波（SAW，SURFACEACOUSTICWAVE）是沿物体表面传播的一种弹性波。声表面波是英国物理学家瑞利（RAYLEIGH）在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。又称为表面声波。声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。声表面波的应用最早是在军用雷达、广播、电视领域作频率稳定的滤波器之用。现在声表面波技术的应用已涉及到许多学科领域，如地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。225超声波超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。226举例横波和纵波烧蚀效应产生的纵波，横波波形如图1921所示。其中，H为样品厚度，U为震源背侧中心的超声位移，和H/CL为纵波到达时刻，和H/CS为横波到达时刻。微烧蚀效应作用下，弹性波源的力学模型可等效为在弹性体表面作用一垂直点力P，超声的位移表达式如式21所示0LCHT/UPUBK2T/（21）PUBKCS208SCHT/式中，分别为纵波和横波速度，B为常数。LCSLSCK/0实际上，表面作用的是，则超声的位移为TFPU（22）其中，为卷积符号，与激光脉冲宽度有关，与脉冲能量有关。TFP表面波的波形表面波波形如图22所示20，图21烧蚀效应作用下纵波和横波的波形示意图HUTH/CSUH/CL其中，Y为激励点与接收点间距离，U为表面超声位移，C为表面波速度，YC为表面波到达时刻。23激光器激光激发超声应选择恰当的激光光源。由于工作在热弹性机制下的光声转换效率比压电换能器低得多，所以选择合适的激光器以提高信号强度非常重要。现在用于生成超声波的激光器有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。激光器可分脉冲激光器和连续激光器，现在使用脉冲激光器的比较多，如TEACO2脉冲激光器被用于在液体中产生脉冲12。脉冲激光产生的超声脉冲的宽度与激光脉冲的宽度近似相等，因此不同激光脉冲所产生的声脉冲宽度和频谱不同，一般宽激光脉冲如十几微秒的TEACO2脉冲激光，产生的声脉冲宽且中心频率较低，而窄激光脉冲如纳秒量级而中心频率高。可以根据不同的应用背景选择激光脉冲的宽度获得所需的声脉冲。24激光产生超声的机理利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。直接式是使激光与被测材料直接作用，通过热弹性效应或烧蚀作用等激发出超声波；间接式则是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。一般认为，固体中激光激励超声波的机理随入射激光的功率密度和固体表面条件的不同而改变。根据激光光束强度的不同，激励超声脉冲有两种机制热弹机制和烧蚀机制21。对于表面干净、图22烧蚀效应作用下表面波的波形示意图UYTY/CU无约束的固体，如果入射激光的光功率密度低于固体表面的损伤阈值金属材料般为107WCM2，产生的热能不足以使固体表面熔化，则在产生超声过程中，热弹效应激发起主要作用；当激光功率密度较高时，固体表面温度上升使局部融化，以至出现烧蚀此时，尽管热弹激发效应仍然存在，但是烧蚀激发效应起决定性的作用。随着激光技术的发展，激光脉冲宽度进一步压缩压缩至PS量级，或FS量级，在热弹激发和烧蚀激发机理的基础上，形成了一些新的激发超声波的方法。241热弹机制基本原理当由具有Q开关的脉冲激光器发出的激光束照射到清洁的、自由的金属板表面上时，如果单个脉冲的光功率密度足够低小于107WCM2，照射试样表面的激光光功率密度低于试样表面的损伤阈值，则金属表面不受损伤。这时在照射点附近的表面薄层内产生了急剧的热膨胀，正是这个热弹效应激发了偏振方向与表面平行的应力波，即超声剪切波。当脉冲激光投射到不透明固体表面上时，它的能量一部分被反射，另一部分被吸收，并转化为热能，使样品表面产生几十到几百度的温升。对于电导率很大的固体如金属。光的吸收只发生在表面下数微米的范围内，吸收光能的浅表部分由温度上升而发生膨胀。只要激光脉冲很短100NS，则热扩散效应就很小，热弹源位于很薄的表层内约几。M当金属表面处于自由状态时，浅表层的体积膨胀引起的主要应力平行于材料表面，理论上它相当于时间上是阶跃函数HT的切向力源，可以激发横波、纵波和表面波。在热弹机制下，主要的应力是与表面平行的，虽然也有与表面垂直方向的应力，但很小。所以这种情况下，主要激发出超声横波和相对幅度很小的纵波。热弹激发机理原理如图23所示71011171822由于固体浅表层的局部升温并没有导致材料的任何相变，所以热弹激发效应具有严格无损的特点，它是激发超声使用最广泛的方法。热弹激发超声过程中，光能转化为热能的效率很低，为了提高热弹激发超声的效率，常在固体表面涂各种涂层如水，油，以增加表面的光吸收系数23。同样，采用脉冲宽度极窄的高能量密度光束照射，也可以获得较高的声波能量。激光超声位移场理论温度场对于热弹问题，温度和位移可分别由热传导方程和热弹性位移方程描述为,2TZYXGTTKCV（23）TTUUT2322（24）式中，K、T、U、为别固体的热传导率、温度、位移、密度、定比VCT热和线性热膨胀系数，为切边弹性常数，为LAME常数，为密度，,TZYXG,0TFZYFEGTZYXX0X（25）式中，为热源光强度，为光吸收系数，为进入样品表ISIRIG1000I面（X0）的激光强度，为入射激光的强度，为材料表面的光反射率函数ISRFY，Z为激光强度在光束截面中的空间分布函数，对子个半无限大即X0各激光脉冲应力声源图23热弹激发效应示意图向同性的固体，若激光脉冲垂直入射在XO的自由表面上温度就只与坐标X有关，可作一维处理，FY，Z1；FT为激光强度的时间分布函数。假设激光脉冲为梯形脉冲模型，它的强度的时间分布如图24所示。FT的函数表达式为01TB01TBTF0201TBT（26）01TB02TB或T式中，T0为梯形脉冲下底边宽度；BOB1为梯形脉冲上下底边之比，21B。21B由式23和25可得媒质中的温度场分布102TFEKGTTXX（27）式中，为热扩散率，且。CV利用热传导的初始条件和边界条件，对式270,0,TXT0,TXTTB2T0B1T00T0F（T）1图24梯形脉冲激光的强度分布示意图进行拉氏变换，可得100201202PTTPBTXEEPTBEKGTPX（28）式中，P为拉氏参数，为T的拉氏变换。求解式28，可得10022020XXPTTPBEETKGT（29）式中，。P2用MATLAB进行仿真如图25，设定以下参数为光吸收系数05，入射激光的强度为1CD，为材料表面的光反射率,浅IISR色金属表面通过率150,K固体的热传导率（钢45W/MK）,为热扩散率10M2/S，P为拉氏参数1,，。41B32图25以X，为自变量，T为应变量MATLAB仿真图T0图25用MATLAB进行仿真式29应力场媒质中温度场激发的热弹位移和热弹应力可由NAVIERSTOKES方程和本构方程及边界条件得到。一维NAVIERSTOKES方程为XTTUCX0221（210）式中，UU（X，T）为X方向的位移，为材料的212VUCVT10柏松比。对NAVIERSTOKES方程进行拉氏变换。并考虑初始条件U（X，0），可得0,TXUXTCP02（211）式中，为U的拉氏变换。对于弱吸收媒质，式29可简化为XPTTPBTEEPTBKGT10020120（212）代入211式，得XPTTPBTEEKPTBAGUCX100201202（213）上式的解为11002013201PTTPBTXCPEEAECKTBAGU（214）式中A为常数。上式做拉氏变换，并代入本构方程210TXUVEX（215）其中，为X方向的正压力，E为杨氏模量，自由界面条件下，把边界条件代入式（211）中，可得。0,PXCPA用拉氏反变换可得应力场为XETFTBFTFTCTB10102101002020122CTFCXTFCXTBFXF（216）其中，为应力，H（S）为阶跃函数，函数2172100VCKEGT2181SHHSF2192C在嵌紧表面条件下，边界条件为U0,P0，可求出A一1。同样可得应力场为XETFTBFTFTCTB101021010030230133CTFCXTFCXTBFXF（220）式中，函数3SHCXSHSF（221）同理，对于强吸收媒质，可得自由表面的应力场为10402401440CXTFCXTBFCXTBFCXTFBX05025015TFTFTFT（222）式中，函数224SHCSSF（223）22452SHXERFCSCSFX（224）对于嵌紧表面，应力场为1060260160TFTBFTFTTBX（225）式中，函数222462SHCSXERFCSCSFX（226）由式216至式226可见1超声应力脉冲宽度比入射激光脉冲宽度大，且自由表面的应力脉冲宽度增大较多，嵌紧表面的应力脉冲宽度增大很少；2嵌紧表面的应力脉冲都是单极性的，自由表面的应力脉冲都是双极性的，如图26和图27所示113采用梯形入射脉冲波形，当B0和BL时，可得出与三角形和矩形脉冲完全相同的结论24。应力脉冲宽度和幅度与激光脉冲的形状有关，当激光脉冲由三角形向矩形变化时，应力脉冲的宽度增量减小而幅度增加。由此可推想，若将入射的激光脉冲改造为矩形脉冲，会大大增强超声波的瞬时作用力。242烧蚀激发机理当入射激光的功率密度大于样品表面的损伤闽时，表面材料汽化，对样品产生一法向冲力，从而激发超声波，称为烧蚀激发机理。烧蚀激发机理的原理如图244所示A表面钳紧B表面自由图26弱吸收试样中超声应力脉冲的理论波形A表面钳紧B表面自由图27强吸收试样中超声麻力脉冲的理论波形汽化应力超声源激光脉冲图28烧蚀激发机理示意图对于金属，当入射激光脉冲功密度大于107/CM2时，其表面因吸收光能导致温度急剧升高，当温度超过材料的熔点时，会有约几微米深的表层材料发生烧蚀，部分原子脱离金属表面，并在表面附近形成等离子体。这一过程可产生很强的垂直于表面的反F作用力脉冲，相当于给表面施加个时间为冲击函数（T）的法向力。从而激发出幅值较大的超声波，这种波源形式也可激发出所有类型的超声波25。这种机制的超声激发效率比热弹机制高4个数量级，可以获得大幅度的纵波，横波和表面波。但由于它每次对表面产生约O3的损伤。所以只能用于某些场合，且UM通常用来产生纵波。243其他激发机理随着激光技术的发展，激光脉冲宽度进一步压缩压缩至PS量级，或FS量级，在热弹激发和烧蚀激发机理的基础上，形成了一些新的激发超声波的方法。如热栅法激发、热应变激发、电子应变激发以及非热机制反压电效应激发等方法。用两束来自同一激光器的光脉冲，交叉夹角为同时入射至样品，在样品中或表面形成光干涉图光强峰谷交替，受照射处的样品吸收此栅状光能而热致产生超声声子，称为热栅激发机理。热栅法已能激发频率可变3MHZ30GHZ的超声。热应变激发是指用一束超短光脉冲照射在基片上的吸收薄膜上，薄膜的受热升温部份会产生热应力，从而激发超声波，成为热应变激发。与纳秒级激光相比，皮秒级或飞秒级激光的最大不同之处是它可以通过电子应变激发机理激发超声。当高强度、超短光脉冲照射半导体时，共价晶体中原子的价电子脱离原子，但电子来不及在如此短的时间内把过剩能量交给晶格，使电子和声子在非常短暂的期间会失去热平衡，从而使电子和声子各有明确的不同的温度。其中。电子的温度可以高达500600K或更高，电子将以超音速的速度扩散，通过电子声子的复合把能量传给晶格而自身冷却下来。而晶格的温度变化很小，不会超过几度。在电子超音速传递期间，电子会对介质产生应力，从而会影响所产生的超声的波形，称为电子应变激发机理。电子对介质的应力将加宽波形，加宽的程度和电子声子复合程度有关。非热机制反压电效应激发指的是在压电半导体中光生非平衡态载流子，当有一瞬态电场作用时，电子与空穴产生瞬态分离而产生声波。现在,这些技术已能在频率为几百GHZ已达440GHZ时成功地以110NM的空间分辨率在室温测量超声衰减和速度，使得激光超声能测材料的微结构，并求出微结构中不同组份的力学性质和界面质量，这是其他方法不能与之比拟的。3激光超声检测技术目前，激光超声的接收主要有传感器检测和光学法检测两类。传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常接近样品表面，才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合剂，对被测样品会产生影响。利用光学方法探测材料表面的超声振动是一种新型的无损检测手段，该方法具有非接触、灵敏度高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点，是真正意义上的非接触、宽带检测技术。光学法检测技术又可细分为非干涉检测技术和干涉检测技术两种。目前广泛使用的是外插干涉仪、共焦FP干涉仪是线性干涉仪，而相位共轭干涉仪，双波混合干涉仪以及光感生电动势干涉仪则属于非线性光学的。31非干涉检测技术非干涉检测技术包括刀刃检测技术，表面栅格衍射技术和反射率检测技术等。311刀刃检测技术当照射到样品表面的检测光束直径小于激光超声波长时，检测光的反射光由于样品表面超声振动而发生偏转，偏转大小由刀刃割截的光通量或位移检测器测定。反射光的偏转值与声波的幅值及性质有关，它反映了表面波和体波的传播情况，以及样品的内部缺陷和微结构。该方法具有结构简单，频带宽，环境振动影响小等优点，是对抛光表面样品进行超声检测的有效工具，其装置如下图31所示具体如图32检测光探测器刀刃图31刀刃检测技术示意图光电探测器探测激光L2L1刀口L3图32刀口法探测超声波具体图光偏转技术是一种结构简单、对环境振动不敏感的探测方法，其中最常见的形式是刀口法。如图所示，一束直径为D的探测激光束被焦距为F1的透镜L1聚焦至样品表面，样品表面因为超声波传播引起的局部倾斜，当入射于表面的探测光斑的尺寸比检测的最短声波长小时，由声扰动导致的表面倾斜会使反射光发生偏转，偏转了的反射光束就携带了超声信息，通过焦距为F2的透镜L2准直，光束在透镜L2上的光斑直径为D，利用刀口挡住出射光的一半，另一半被透镜L3聚焦至光电探测器上进行测定，通过光强的变化探测声波。设反射光束以垂直于刀刃的方向入射，投射到传感器上的激光强度是高斯分布，是入射光电场强度的振幅，是反射光束直径，样品受超声扰动后0AD32/FDD表面的倾斜度为，当偏转很小时，光电二极管的输出光电流为31FIIISG12式中是光电管的灵敏系数,单位是，是入射光束的光强，。同样假WA/II20AII设超声引起的表面位，式中为声传播常数，U是声振幅，当SINXKWUTAAK表面倾斜角很小时COSTXUAA（32）平均角度,其中为声波波长，则光电管输出电流与声AARMUK/2/A波的关系为41AISIGUDFI（33）当声波为宽频脉冲波时，可以将脉冲声波看成简谐波的叠加NIAIISIGUDFI14（34）和，分别是各频率分量声波的振幅和波长。IUAI光偏转技术的信噪比同样受量子噪声限制，信噪比为IIAUDFHVBSNR216（35）式中是声频带宽，是光子频率。其最小可检测振幅时为B1SNR362110MIN4IAIHVFU光偏转技术可以用来检测激光超声波的位移梯度，并且已成熟地应用在诸如原子力显微镜、激光扫描显微镜等仪器中。这种方法结构简单，因此造价不高，它的缺点在于探测低频超声时灵敏度低，并且对样品表面的要求也比较高。对于公式35用MATLAB进行仿真，是光电管的灵敏系数,单位是22150047，是入射光束的MF10WA/II光强为（高亮LED），为声波波长001M，是声频带宽14KHZ，是光子CD5ABV频率6339470（26）1014，H66261961034JS，声波的振幅为HZU1312表面栅格衍射技术当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时，由于BRAGG效应或RAMANNATH效应，会产生一级或多级衍射光，通过测量衍射光的强度和偏转角，可测定超声波的特性。表面衍射技术是把声表面波的位移作为电场振幅来检测，其简单原理如图33所示表面栅衍射技术是令一束有一定宽度的光束，通常要求宽度为几个声波长，垂直投射到受超声扰动的表面上，超声扰动使表面形成光栅，由于BRAGG效应或11负一级衍射入射光一级衍射声波图34表面栅衍射原理图图33以D为自变量，SNR为应变量的MATLAB仿真图RAMAN一NATH效应，光束发生衍射，出现一级或多级衍射光分布在镜式反射的零级光的一侧或两侧。衍射光的传播方向由下式决定00/SINI（37）其中、分别为声波长和光波长，是衍射光的级数。当超声波的振幅比光波长A小得多时，第一级和零级衍射光的相对强度为210UKJIA（38）是第一类一阶BESSEL函数，是峰值表面位移。1UKJAU313反射率检测技术脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力能引起样品光折射率的微小改变，这种微小改变又能引起样品镜式或弥散式反射率的变化，通过检测这种变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。32干涉检测技术根据是否使用非线性晶体，干涉检测技术又可分为线性干涉检测技术和非线性干涉检测技术。321线性干涉检测技术线性干涉检测技术包括自差、外差和共焦FABRYPEROT干涉检测技术等，它们使用的干涉仪分别为自差干涉仪、外差干涉仪和共焦FABRYPEROT干涉仪。自差干涉检测自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜，其原理如图34所示。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品表面，反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜和分束镜后也进探测器，二者发生干涉。设样品表面的超声振动为，激光脉冲被样品表面反射的相移为，则TU4TU两光束干涉后的光强表达|式为4COS20TSQI（39）式中S为参考光束有效强度透过系数，Q样品表面反射的检测光束的有效强度透过系数，为相位，T为时间。其中，相位由干涉仪的光程差决定，并受外界振动T影响。实际应用中可通过调节迈克尔逊干涉仪的参考镜，使光程差K为整数），当远小于光波波长时，干涉光强为2/KTTU424SIN00TUSQISQI（310）假设光波波长，用MATLAB仿真式UM350SCDI10310，得到图36样品探测器超声波激光器图35自差干涉检测原理图外差干涉检测如果在迈克尔逊干涉仪的参考臂中引入频移系统，使参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干涉检测仪，其示意图见图35。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两束，其中的一束经移频装置后有的频移，经反射镜反射后与样品表面BF反射的信号光发生干涉。由探测器检测出频移和干涉光强度，从而得到样品超声振动的位移信息样品超声波探测器图37外差干涉检测原理图激光器频移系统图36以T为自变量，I为应变量的MATLAB仿真图设信号光的频率为，参考光的频率为，则参考光、信号光的电场SFBSRFF矢量，分别为TERTS2COSRRFET（311）SSSSSFT（312）其中，和为信号光和考光的相位，和分别为信号光和参考光场的振SRSER幅。信号光和参考光完全准直时，假设二者的偏振方向和传播方向相同，并且垂直射到光探测器上。由于光电探测器的输出正比于合场强的平方，则光电流为TI2COS2COSRRSSTFETFETI24COS1411RSRTFECSTFBRRSS（313）式中三、四、五项是光频项，光电探测器无法响应，实际输出的光电流为2COSTFIITIBRSRS（314）式中，分别为信号光、参考光的直流分量，射频发生器的SIRSFSR频率，两光束的相位差。式（314）是未加超声信号时的光电探测器的输出，如果样品表面的超声位移为。则来自样品表面反射的信号光发生的相移，这时光电流的表达式为TU4TU2COSFIITIBRSRS（315）由式（315）可以看出，光电探测器的输出电流由直流成份和相位调制的交流成份组成，其中直流项可以从测量中去除，而相位调制信号可经过调相解调后得到所探测的超声位移U（T），这就是激光外差干涉法探测超声微振动的原理。用MATLAB仿真如图38，设定以下参数，CDIRS50MHZFB0UM3TFATB2COS0210A如果信号光和参考光之问存在一定的夹角空间准直角，则探测器的输出光电流为272SINCOS11DWTEKTIRSRS（316）式中，为比例系数，为光电探测器光量子效率，为光敏面的直径，1KD。/SIN2当光电器件的量子噪声很小时，可以只考虑参考光的散粒噪声，光外差系统的图38对式315进行的MATLAB仿真信噪比为25221SINCODKSNR（317）由式317可得系统信噪比与检测光束空间准直角的关系曲线如图39由式（316），式（317）和图38可以看出，信号光与参考光的空间准直性和在分束器上的入射角对外差信号的强度和信噪比有极大的影响。当时，光12SIND电流及信噪比达到最大，当，即D/SIN时，光电流，为了保证有一2D0I定的光电流和足够的信噪比，两束光间的空间准直角必须满足，/ARCSIN且愈小愈好。外差干涉检测的优点是用调制信号去控制载波相位将激光超声加载到高频范围内处理，使载波振荡的瞬时相位按调制信号的规律变化，有效地抑制低频噪声的干扰，能对粗糙表面进行检测，并对环境振动有较强的抗干扰能力。与自差干涉检测相比，外差干涉检测大大提高了系统的信噪比28。自差法和外差法的共同特点是对表面位移灵敏29，但它无法消除工业现场各种振动对探测的干扰而且这两种方法只有接收一个光斑时才有最佳的探测效果，因SNR24夹角0080060040020000图39信噪比与信号光和参考光的准直角的关系此通常只适用于实验室条件下的光滑表面的超声振动的探测。共焦FP干涉检测共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，基于振动表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超声波信号的调制，再由共焦球面法布里珀罗干涉仪解调，将频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号，如图310所示。这种干涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只对固体表面的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感，有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表面的检测，但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精密测量超声波形的场合这将引入一定的误差。322非线性干涉检测技术非线性干涉检测包括相位共轭干涉检测双波混合干涉检测；光感生电动势干涉检测等。当检测激光束入射到一粗糙样品表面时，反射光的波前由于表面散射而畸变，相位共轭干涉仪将这畸变的反射波前再经一相位共轭镜如BATIO3晶体反射而变成有共轭相位的畸变波前。当这光束再入射到反射区时，畸变的相位得到了补偿而“复原”。这样，它与原入射波前干涉，就可获得样品表面的运动信息。这就是相位共轭干涉检测30。双波混合干涉是将由样品表面反射的信号光束与参考光束在非线性光学晶体像BATIO3等中相干涉，而形成动态光栅，再让参考光束通过这光栅形成波前“畸变”的参考光束，它与“畸变”的信号光束再相干涉，以达到测量样品表面的目的。光感生电动势干涉检测利用了像GAAS这类晶体，这类晶体能生成和贮存个内电场，而这内电场的分布与入射光束的空问强度分布相对应。当这空问光强分布作激光器腔长控制被测试样探测器图310共焦FP干涉仪测量系统横向移动时，贮存的空间电荷场会产生一时变的电流输出。所以，它不需要额外的光电捡测器，就可以通过晶体上干涉条纹图像的移动而测量样品的法向位移。PHOTOEMF器件像普通的半导体器件样可以集成，而且有较高的截止频率，像GAAS的PHOTOEMF器件的截止频率可高达80MHZ。4激光超声技术在无损检测领域的具体应用及存在的问题41应用概况411高精度的无损检测极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置，其精度可优于01MM。在这种检测系统中，最引人注目的系统之一，就是LGAP与光探针相结合，所构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光学系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存在，确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲模式转换，进而可弄清缺陷的详细情况。412恶劣环境下的材料特性测量激光超声的非接触式激发与接收、以及无损、非侵入性等特点，使得其特别适合于在恶劣的环境下（如高温高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应等），对工件进行在线检测。现在，激光超声技术酬叠成功地盔热轧无缝钢管（管长5512M，温度1230摄氏度，延伸速度2M/S）生产线上进行管坯壁厚均匀性的在线检测；对核反应堆中的石墨特性进行分析对铝、陶瓷和钢在高温下温度达1400摄氏度）的材料特性进行测定在线监测陶瓷的烧结过程温度7001100摄氏度）和金属浇铸过程中的固化等。413材料特性的检测由于超声能透入金属内部，大多数需要测量的材料特性参数不是影响超声速度，就是影响超声衰减，或者对二者都有影响。再加上激光超声的特点，它就能够测量材料的以下各项特性尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超声可提高测量薄片的能力，几微米厚的金属片,测量误差约2，并且可以进行高温在线测厚。力学特性，如测量残余应力、弹性模量等。缺陷检测。因为激光超声检测技术对包括纵波、横波和表面波在内的整个超声波都是灵敏的，所以它可以通过选择不同的波形，来探测体内，表面和