最终纳秒激光超声测试系统设计及其应用

第 页 共 页目录1 引言 .11.1 本文的研究的意义 .11.2 国内外研究现状 .12 激光超声理论 .22.1 激光超声概述 .22.2 激光器及产生超声机理 .32.2.1 热弹机制 .32.2.2 烧蚀激发机理 .43 激光测振技术的理论基础 .53.1 几种测振方法 .53.1.1 全息干涉法测量技术 .53.1.2 散斑法测量技术 .73.1.3 激光三角法 .83.1.4 激光多普勒技术 .93.2 小结 .154 激光多普勒测量叶片振动频率 .154.1 多普勒频移效应 .154.2 确定测量叶片振动的方法 .164.2.1 激光干涉法测量叶片振动位移 .164.2.2 激光多普勒测量叶片振动（频率混叠法） .184.2.3 激光多普勒测量叶片振动（直接测量法） .214.3 方案选取 .234.4 器件的选择 .244.4.1 激光器 .244.4.2 光电探测器 .254.4.3 F-P 腔 .274.5 激光多普勒叶片振动频率实验数据 .27第 页 共 页5 激光超声技术在无损检测领域的具体应用及存在的问题 .305.1 应用概况 .305.1.1 高精度的无损检测 .305.1.2 恶劣环境下的材料特性测量 .305.1.3 材料特性的检测 .315.1.4 薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究 .315.1.5 快速超声扫描成像 .315.2 存在的问题 .325.2.1 光声能量转换效率低的问题 .325.2.2 激光超声信号检测灵敏度问题 .325.3 小结 .32参 考 文 献 .33致 谢 .36第 页 共 页第 1 页 共 37 页1 引言1.1 本文的研究的意义激光技术出现于 19 世纪 60 年代，具有高亮度、单色性强和相干性好等优点，在很多领域得到了广泛的应用，与其他学科的互相渗透也越来越广，带动其它学科焕发了新的活力，激光超声技术就是在这种条件下产生的一项新技术。激光超声学是利用激光来产生和检测超声,并开展超声传播研究和材料特性无损评估的新兴交叉学科。与传统的压电换能器技术相比, 激光超声最主要的优点是非接触检测, 它消除了压电换能器技术中的耦合剂的影响 , 可用于各种较复杂形貌试样的特性检测, 加上它又是一种宽带的检测技术, 并能用光波波长为测量标准而精确测量超声位移, 所以是一种极有应用前景的新的无损检测技术。 1振动是外力作用在弹性体后产生周期运动的一种自然现象，振动的研究与测试在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。当代工程中各种机械系统，如大型发电设备，重型机械，汽车，船舶，航空航天设备等，都不断向着高速度、高精度、高准确度方向发展。由于振动载荷加快了机械设备的失效，降低机器设备的使用寿命甚至导致损坏酿成事故，并且振动产生的噪音会污染环境危害健康，因此如何测量振动并采取措施降低成为当前理论研究的热点。目前对振动的测量可以分为两种方式：接触式和非接触式。接触式测量方法是指将传感器（粘贴、螺纹连接等方式）在被测物体表面从而完成测量，但是由于各种因素使得这种测量方法在许多场合无法使用，例如，在对音响扬声器膜片的振动、高温物体的振动以及高速旋转光盘的跳动等的测量中。此外，接触式测量方法的附加质量也会改变实际结构的振动行为，使得测量结果失真。 2目前，几种常用的非接触测量方法都是基于激光技术的。现代测试技术越来越注重测量结果的精度、效率等，非接触测量方法高精度、高效率等特点决定了它在未来的测试技术里面不可取代的地位。本文主要探讨纳秒激光测振系统的组成，并实现由纳秒脉冲激光激发特定材料的样品（比如铝板或 PMMA 板）的超声振动，并由探测激光测出超声振动的频率和强度分布。1.2 国内外研究现状第 2 页 共 37 页近 20 年来，激光测振技术发展很快。目前激光干涉技术已经成为加速度计量的最基本溯源手段之一，激光测振仪、激光全息干涉测振仪、电子散斑干涉测量仪、电子散斑剪切干涉测量仪、激光风速仪等各类仪器的性能不断提高，广泛地应用于科学实验室和工程测量。自 1960 年以来 ,激光多普勒技术由于在测量中具有高的空间和时间分辨率 ,不接触测量物体 ,不扰动测量对象 ,能测量原有测速技术难以测量的对象而引人注目。1964 年 , YEH 和 CUMM IUS 发表了第 1 篇关于激光多普勒技术测速的论文后 ,此项技术立即受到各方面的重视并进行了大量的理论分析和试验研究 ,取得了显著的成果。70 年代后 ,国外厂商已经开始向市场提供比较完备的产品并在不断更新。激光多普勒测振技术现在成为科学技术及许多行业中不可少的检测方法 ,己经从流体和固体的速度测量发展到了振动测量领域。 3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。2 激光超声理论2.1 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。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，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。当检测激光照射到样品表面时， 4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，所以需第 3 页 共 37 页要信号放大处理电路对电信号进行放大，提高信噪比。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。2.2 激光器及产生超声机理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：Nd:YAG 激光器、 CO2激光器、氮激光器、染料激光器等，其中Nd:YAG 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。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。 5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。对于表面干净、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 107Wcm 2)，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 ns 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。2.2.1 热弹机制当由具有 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 107Wcm 2)，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，第 4 页 共 37 页并转化为热能，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 6，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 H(t)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。 7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。2.2.2 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 2.1 所示。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， 8部分原汽化应力超声源激光脉冲图 2.1 烧蚀激发机理示意图第 5 页 共 37 页子脱离金属表面，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 um的损伤。所以只能用于某些场合，且通常用来产生纵波。随着激光技术的发展，激光脉冲宽度进一步压缩(压缩至 ns 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。 9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(3MHz -30G Hz)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 500-600K 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。 10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 G Hz(已达 440GHz) 时成功地以 1-10nm 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 激光测振技术的理论基础第 6 页 共 37 页3.1 几种测振方法3.1.1 全息干涉法测量技术早在 1965 年 R.L.Powell 和 K.A.Stetson 就将全息干涉测量技术应用于振动测试。全息干涉测量技术是将同一光束在不同时刻的波全纪录于同一张全息图上，当用原参考光再现时就会形成两个以上的三维像。如果再现像满足相干条件，这些再现光波叠加后会发生干涉，产生稳定的干涉条纹这些干涉条纹带有振幅的信息，称为振型图。激光具有良好的相干性，全息干涉测量技术不仅记录了物体的振幅变化，而且记录了物体的相位变化，用全息干涉测量技术还可以对物体振动进行非接触的全场同时测量。这使得全息干涉法测量振动时有很多优点。例如叶片振动测量:在叶片的损坏中，有近 90%是由于共振振裂或振断的。 11而现在叶片的形状越来越复杂，以前的测量方法受到越来越多的限制，而全息干涉法克服了原有测量方法的缺陷和局限性，不仅可以测量低阶振型，而且可以测量出高阶复杂振型。图 3.1 激光全息干涉法测量光路图图 3.1 是中国船舶科学研究中心将激光全息干涉法用于大侧斜螺旋桨模型及古乐磐的振型测量光路图。压电晶体使物体做稳定周期运动，对被激振物体进行全息照相，则叶片振动的全部信息都记录在全息干板 H 上;处理干板后，用参考光再现，便可得到叶片在某固有频率下的振型图。图上具有明暗相间的条纹，各点的光强是叶片上各点振幅函数，可用第