（光学工程专业论文）激光源空间分布对激光声表面波影响研究.pdf

摘要 硕j ：论文 摘要 本文从理论方面研究激光空间分布对激发的激光声表面波的影响和线源阵列参 数对激光声表面波频谱的影响。 基于有限长、无限窄线源激发声表面波的理论模型，建立了有限长、有限宽线源 激发声表面波的理论模型，改变激光脉冲宽度和线源半宽度，研究线光源对声表面波 的影响。结果表明：声表面波信号带宽的提高是激光脉冲宽度和线源半宽度共同作用 的结果；在激光脉冲宽度不变的情况下，激光声表面波的频带宽度随着激发光源半宽 度的减小而不断的展宽，幅度逐渐变大，可以激发出更高频的声表面波脉冲信号，但 是每个激光脉冲宽度对应一个极限的线源半宽度，即当线源半宽度到达极限值时，声 表面波的带宽将不会再随着线源半宽度的减小而展宽。 建立了线源阵列激发声表面波的理论模型，分析激光线源阵列所产生声表面波的 波形与频谱，研究结果表明：线源阵列激发声表面波的频谱幅度有明显的增加，同时 由宽带信号变成分立的窄带信号；不同线源间距和线源条数n 对线源阵列所激发激光 声表面波的频谱分布有影响，随着线源间距的变大，波形逐渐分开，同时频谱包络下 降速度也逐渐变缓，线源阵列激发声表面波频谱宽度随着n 的不断增多而逐渐变窄； 基于线源阵列激发声表面波的理论模型，研究掩膜产生的线源阵列对所激发声表 面波的影响，得到以下结果：改变掩膜缝宽，将会影响所激发的声表面波频谱的幅度 和整个频谱包络的大小，而频谱的半宽度变化不大；改变掩膜缝中心间距将会明显的 改变激光声表面波频谱的分立峰之间的频率之差的大小，随着遮光部分的变大，各分 立峰之间的频率间距越来越小，所以通过改变掩膜的相关参数就可以控制所激发声表 面波的频谱分布。 关键词：激光超声，声表面波，线光源，线源阵列 a b s t r a c t 硕j ：论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fl a s e rs p a t i c a ld i s t r i b u t i o na n dl a s e rl i n es o u r c ea r r a yo nt h es p e t r u mo f s u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ( s a w s ) a r es t u d i d e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r - b a s e do nt h e o r e t i c a lm o d e lo fs a w se x c i t e db yl i n es o u r c ew i t hf i n i t el e n g t ha n d i n f i n i t ew i d t h ，t h et h e o r i c a lm o d e lo fs a w se x c i t e db yl i n es o u r c ew i t hf i n i t ew i d t hi s e s t a b l i s h e d b yc h a n g i n gt h el a s e rp u l s ew i d t ha n dl i n es o u r c eh a l f - w i d t h ，t h ee f f e c to fl i n e s o u r c eo ns a w si ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta sar e s u l to ft h el a s e rp u l s ew i d t ha n d l i n es o u r c eh a l f - w i d t h ，t h eb a n d w i d t ho fs a w si n c r e a s e s f o rt h ec a s eo ff i x e dl a s e rp u l s e w i d t h ，b a n d w i d t ho fs a w se x p a n d sa n di t sa m p l i t u d ei n c r e a s e sa st h eh a l f - w i d t ho fl a s e r l i n es o u r c ed e c r e a s e s u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，s a w sw i t hh i g h e rl i m i tf r e q u e n c yc a nb e o b t f i n e d t h el i n es o u r c eh a l f - w i d t hh a sal i m i t ，t h eb a n d w i d t ho fs a w sd o s e n te x p a n da s t h eh a l f - w i d t hd e c r e a s e s t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs a w se x c i t e db yl a s e rl i n es o u r c ea r r a yi se s t a b l i s h e d a tt h e s a m et i m e ，t h ew a v e f o r m sa n ds p e c t r u mo fs a w se x c i t e db yl i n es o u r c ea r r a ya r ea n a l i z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p e c t r u ma m p l i t u d eo fs a w se x c i t e db yl i n es o u r c ea r r a y i n c r e a s e so b v i o u s l ya n db r o a d - b a n ds i g n a lc h a n g e si n t on a r r o wb a n d w i d t h t h ee f f e c to f s p a c i n ga n dn u m b e ro fl i n es o u r c eo nt h es p e c t r u mo ss a w si sd i s c u s s e d t h es a w s g e n e r a t e db yl i n es o u r c ed e t a c hf o r me a c ho t h e ra st h es p a c i n go fl i n es o u r c ei n c r e a s e sa n d t h es p e e do fe n v o l o p es p e c t r u mg r a d u a l l ys l o w sd o w n s p e c t r u mb a n d w i d t ho fs a w s e x c i t e db yl i n es o u r c ea r r a yn a r r o w sg r a d u a l l ya st h en u m b e ro fl i n es o u r c ed e c r e a s e s b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs a w se x c i t e db yl i n es o u r c ea r r a y t h ee f f e c to f l i n es o u r c ea r r a yc a u s e db ym a s ko nt h es u r f a c eo fs a m p l eo nt h es a w si ss t u d i e d c h a n g i n gt h ew i d t ho fs t r i po fm a s k ，i ti n f l u e n c e st h ea m p l i t u d eo fs p e c t r u mo fs a w sa n d t h ew h o l es p e c t r u me n v e l o p ew h i l et h eh a l f - w i d t ho fs p e c t r u md o e s n tc h a n g e c h a n g i n g t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es t r i p ，t h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c eb e t w e e ns e p a r a t ep e a k so b v i o u s l y c h a n g e s t h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c e sb e t w e e ns e p a r a t ep e a k sd e c r e a s ea st h ec e n t r a ld i s t a n c e b e t w e e nt h es t r i p si n c r e a s e s s ot h es p e c t r u md i s t r u b t i o no fs a w sc a nb ec o n t r o l l e db y c h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so f l i n es o u r c ea r r a y k e yw o r d ：l a s e ru l t r a s o n i c ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ，l a s e rl i n es o u r c e ，l i n es o u r c ea r r a y i i 声明户明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 川年月”白 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 1 年6 月矿日 硕。 ：论文激光源空间分布对激光声表面波影响研究 1 绪论 1 1 研究背景 随着科学和工业技术的迅速发展，高温、高压、高速度和高负荷已经成为现代工 业的重要标志，但它的实现是建立在材料、构件高质量的基础之上，为确保这种优异 质量，必须采用不破坏产品原来的形状、不改变其使用性能的检测方法，对产品进行 百分之百的检测，以确保其可靠性和安全性，使用这种技术就是无损检测技术。 无损检测技术是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或者缺陷 的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、 及构件等内部和表面的缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分 布及其变化做出判断和评价。 无损检测技术的应用十分广泛，在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天 和核能等工业中得到了普遍的应用。无损检测的工序在材料和产品的静态和动态检测 以及质量管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。 无损检测不会对构件造成任何损伤，无损检测是在不破坏构件的前提下，利用材 料的物理性质的变化来判断构件内部和表面是否存在缺陷，不会对材料、工件和设备 造成任何损伤。无损检测技术为查找缺陷提供了一种有效的方法，任何部件、设备在 加工和使用过程中，由于其内部、外部各种因素的影响，不可避免的会产生缺陷。使 用人员有时不但要知道其是否有缺陷，还要确定缺陷的位置、大小以及危害程度，并 对其发展进行预测。无损检测技术就为此提供了一种有效的方法。无损检测技术能够 对产品质量实施监控，产品在加工和成形过程中，如何保证质量及可靠性非常关键。 无损检测技术能够在铸、锻、冲压、焊接、切削加工等各种工序中，检查工件是否符 合要求，可避免徒劳无益的加工，从而降低产品的成本，提高产品的质量和可靠性， 实现对产品的监控。无损检测的应用范围广阔，无论是金属材料，还是非金属材料； 无论是锻件、铸件、焊件，还是板材、棒材、管材；无论是内部缺陷，外部缺陷，还 是表面缺陷，都可以应用无损检测技术进行缺陷的检测。 无损检测的目的是定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许负荷、寿命或剩 余寿命；检测设备在制作和使用的过程中产生的构件的不完整性及缺陷情况，以便改 进制作工艺，提高产品质量，及时发现故障、保障设备安全、高效可靠地运行。 无损检测方法很多，常用的是射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流 检测五种常规检测方法。超声检测技术是无损检测技术应用最为广泛的方法之一，超 声检测是使超声波与被检测工件相互作用，根据超声波的反射、透射和散射的行为， 对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征， 1 i 绪论 硕f j 论文 并进而对其应用性进行评价的一种无损检测技术。超声无损检测的优点是应用广泛， 可以对金属，非金属，复合材料进行检测；施加给工件的超声强度低，最大作用应力 远低于弹性极限，不会对工件使用造成任何影响；对确定内部缺陷的大小、位置、取 向、埋深、性质等参量较之其他无损检测方法有综合优势；对人体及环境无害，设备 轻便，可现场操作检测1 1 - 2 。 由于技术、经济、军事、科技等发展过程中提出的许多亟待解决的检测问题，无 损检测技术得到了快速发展并且使得无损检测技术一直是人们关心的热点问题之一 【3 1 。尽管无损检测本身不是一种生产技术，但其技术水平能反映该部门、该行业、该 地区甚至该国家的工业技术水平，且无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。德 国科学家认为，无损检测技术是机械工业的四大支柱之一l 4 1 。由此可见，现代工业对 无损检测技术的发展有很强的依赖性。无损检测涉及面非常宽广，被检测对象往往具 有不同特点，并且当前有许多行业的发展都十分迅猛，致使热点问题和技术涉及很多 的领域，所有这些都决定了无损检测手段的多种多样。 用超声法可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层厚度、晶粒度、液位和流量、残 余应力和胶接强度等等。随着微电子技术的发展和计算机的普及应用，超声检测仪器 的使用和检测方法的迅速发展，使超声检测的应用更为普及。但超声检测仍然有一定 的局限性，如对缺陷进行精确的定性、定量表征仍需作深入研究；为使超声波以常用 的压电换能器为声源进入试件，一般需要耦合剂；对形状复杂的工件检测有一定的局 限性。 激光超声技术正是能够克服传统超声技术的局限性，才成为研究的热点与重点。 与传统的超声检测方法相比，激光超声检测具有以下优点：无需耦合剂，避免了传统 超声检测中由于耦合层的变化而带来的对信号的干扰，以及由于耦合剂的使用而对材 料产生的各种污染；激光束的优秀品质使得被测超声波场可以不受任何干扰，或者受 到的干扰很小，具有极强的抗干扰能力；超声波的产生和探测都是通过激光进行的， 因此易于实现远距离的遥控激发和接收，并能实现对工件的在线检测；可以通过玻璃 窗口将激光束导入特定的空间，从而使其能方便地应用于高温、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恶劣的环境；可以 在非压电晶体中直接激发出超声；利用锁模激光器很容易获得与激光脉冲的宽度相近 的超声脉冲，从而使得基于超声衍射方法的缺陷检测技术获得广泛应用成为现实；探 测激光束可被聚焦成非常小的点，因而即使是常用的激光系统，也能实现数微米的空 间分辨率【引。 激光超声检测技术的工业应用，首先介绍l g a p ( 中等幅度的短应力脉冲) 与光 探针相结合所构成的全光学检测系统。用这种全光学检测系统对亚表面缺陷进行检 测，除了可以探知缺陷的存在，确定缺陷的位置外，还可以利用缺陷的脉冲模式转换， 2 硕j ：论文激光源窄问分布对激光声表面波影响研究 进而弄清楚缺陷的详细情况。在高温有辐射等环境下对样品进行检测，德国k e c k l 6 1 等 利用准分子激光作为超声波的激发源，利用n d ：y a g 激光接收，在热轧无缝钢管生 产线上成功的进行了管坯壁厚均匀性的在线检测；美国e g & g 公司1 7 1 利用激光超声 对核反应堆中的石墨特性进行了分析；德国的m p a u l 等【8 】利用激光超声检测系统实 现了对铝、陶瓷和钢在高温下的材料特性测定。对复合材料构件进行评估，在洛克希 德马丁公司的1 0 0 0 万美元的激光超声检验技术中心的检验系统，应用激光超声技术 对复合材料制造的f 一2 2 飞机气道进行检测，l a s e ru t 来检验f 2 2 飞机的复合材料构 件，这种技术可以对形状复杂的复合材料进行低成本、高效益的检验。激光超声检测 系统所需的准备时间很短，检验分辨率高。 激光超声研究脉冲激光在媒质中激发超声的机理，传播过程和检测方法。当脉冲 激光入射到固体表面，会被表面迅速吸收。在脉冲辐照期间，固体吸收激光能量产生 的热量来不及扩散，在表面层附近形成很大的热梯度，从而导致热膨胀；由于周围媒 质的约束将产生一个应力分布，由此产生脉冲超声在固体中传播。这种热膨胀效应产 生超声的过程称为热弹激发超声，适用于检测低强度激光辐照固体表面时的情况，并 得到了广泛的研究1 9 1 。激光超声不仅能够在固体中产生，同样可以在液体、气体中产 生。这种声源比传统声源具有一系列优点：声源就在传播声波的介质中，声波的发射 不存在界面的反射，故无脉冲拖延现象，大大提高了超声波的分辨率；由于热应力的 惯性非常小，使激光超声具有很宽的频带；利用光路的易调节性可以方便地改变声源 的几何大小、指向和衍射特性；激光声源能同时有效地激发出纵波、横波和表面波， 是一种理想的声源。 激光超声能一次同时在体样品中激发出纵波、横波、头波和声表面波( s a w ) 。在 薄板中激发出l a m b 波，这为在无损检测领域提供了有效检测手段和方法。 激光超声技术是现代激光技术( 包括超快速激光) 与高速或超快速及微弱讯号检 测技术相结合而产生并迅速发展起来的，是近年无损检测领域中迅速发展并得到工程 应用的一项十分引人注目的新技术，其相关研究为激光超声应用于无损检测打下了基 础。激光超声应用于无损检测的基本原理是：使激光与被测材料直接作用激发出超声 波，或利用被测材料周围的物质作为中介来产生超声波，然后运用表面栅格衍射、反 射等非干涉技术或差分、光外差等干涉技术，利用激光检测所产生的超声波，从而确 定被测材料的缺陷 i o i 。 激光超声技术不使用耦合剂，有极强的抗干扰能力，易于实现远距离的遥控，可 以在恶劣环境中进行检测，并能实现工件的在线检测，具有快速、非接触、不受被检 对象结构形状影响的特点，这些特点使得这项技术有着非常诱人的科学和应用前景， 目前已在航空领域得到了较好的应用。激光超声的缺点是建立系统的价格比电超声 贵，激发效率比较低，由于强激光对人体具有损害性，在使用强激光要特别注意安全 1 绪论硕士论文 防护。 1 2 研究意义 声表面波由英国物理学家r a y l e i g h 在1 8 8 5 年提出，因此也称瑞利波，由于声表 面波沿着物体表面传播，幅度在表面最大，在垂直物体表面深度方向成指数衰减。声 表面波在材料表面可以传播很远，而传播速度对于确定的介质是固定的。声表面波渗 透的深度和其频率有关，且渗透深度大概为一个波长。频率大的在深度小靠近表面的 地方传播，频率小的在深度大的地方在体内传播。正因为声表面波的这些特殊性质， 它作为材料无损评估的一个有效手段已引起广泛兴趣，可以利用声表面波进行无损检 测( n d e ) 。比如检测材料或工件表面的缺陷和近表面体内的一些性质。当各向同性的 半无限固体上存在各向同性的层状材料时，表面处也将出现表面波，由于薄层的存在， 声表面波是色散的，即相速度依赖于表面波的频率。与薄膜的厚度相比长波长的表面 波能够穿透进入基底，相速度接近基底材料的表面波的速度；短波长的主要在薄膜层 中传播，以薄膜材料的表面波速度传播。对薄膜基底系统中，表面波具有高阶膜态的 多膜态的复合。薄膜或涂层基底系统表面波的色散振荡波形式提供了涂层或薄膜和 基底材料的力学和弹性性质，在距离作用源不同两点测量表面波，得到传播速度与频 率的关系，所以可以利用声表面波来测量和评价涂层或薄膜以及复合材料的声学和力 学性质i l l - 1 3 j 。 激光超声的激发研究主要是为了加强所激发超声信号的幅度与频谱宽度两个方 面的工作。激光超声从激发机制上讲主要包括热弹机制和融蚀机制两种，热弹机制是 在激光能量比较低，激光能量没有破坏激发材料表面的情况下所激发的超声，只有在 热弹机制下所激发的超声用于检测才能称之为无损检测。当入射激光的能量密度低于 1 0 7 w c m 2 时，固体表面所吸收部分激光的能量，即电磁能转化为热能，可以使样品 的局部表面产生温度升高，引起样品材料的热膨胀，进而产生平行与样品表面的一组 双极性的应力，形成弹性的波源。这个模型就等效于直接在材料表面突然插入了一个 1 ，o 大小为a v = 兰( 1 一r ) e 的体积元，使得在表层中产生瞬态的热弹性应力。这种产生 s p 超声的机制叫做热弹机制。这种机制可以产生纵波、横波、以及表面波，并且产生这 些波的幅度会随着功率密度的增加而增加，纵波和横波是呈现阶跃函数式的，而其指 向性呈现中空对称的1 1 4 1 。在这方面的工作主要是求解相关的波动方程。在求解波动 方程中，首先是要求解热弹耦合方程，即热传导方程和弹性应力应变方程，求得合理 的边界条件【1 5 i ，在有了合理的边界条件的情况下，利用格林函数法1 1 6 】或者是积分变 换法1 1 7 - 1 8 1 ，求解典型的某点位移表达式。在此期间，有大量的工作进行了实验研究【1 9 i ， 给予的相应的验证。基于传统的光声光热理论，是基于经典的热弹耦合方程，这种理 4 硕上论文激光源空间分布对激光声表面波影响研究 论假设热扩散的速度是无限大的，热传导方程是抛物线方程。这样求得的解没有足够 的理由来解释实验中观察到首先到达的是纵波脉冲的现象。而在f a m c d o n a l d ，采用 了比较全面的一种激光超声理论 2 0 - 2 1 ，主要是基于广义的热弹理论，该理论模型主 要是考虑了热波的传播速度为有限的这种情况，引入了热波的相速度，将热传导方程 改写成一个双曲线性方程。然后通过结合位移势的波动方程，在给定边界条件的情况 下，应用h a n k e l l a p l a c e 积分变换，解出超声波在变换域的位移场，再利用数值反演 技术将位移场反演到时空域当中。这样就对首先到达的是纵波做出了合理的解释。但 在热弹机制下所激发的超声幅度比较低，不利于检测。融蚀机制是入射激光能量增高， 温升接近金属的熔点时，受照射区的样品表面会融蚀，当激光的功率密度继续增加， 样品表面温升超过材料的熔点，受照射区表面就会融蚀、汽化以至于有电子、离子从 样品中飞出形成等离子体。于是就形成了一个垂直于表面的反作用力，所以，这种超 声源就可以认为是弹性体( 半空间或者是厚板) 对作用在表面的垂直集中力的响应。 l k n o p o f f t 2 2 l 在5 0 年代对厚板对表面作用的一垂直阶跃力响应，给出了力的作用点的 反面对称点的位移表示式。在融蚀机制下的理论模型相当复杂，c b s c r u b y1 2 3 等都 将其等效为一种作用在表面的瞬时力，其大小与激光功率密度有关，而与时间呈8 ( t ) 关系，这样就相当于给出了不同于热弹机制情况下的边界条件，从而可以得到方程的 解，进而得到波动方程，或者直接将l k n o p o f f 的模型解微分之后，即可以得到相应 的位移表达式 2 4 - 2 5 。在融蚀机制情况下，激光超声的指向性，纵波呈中强对称，横 波呈中空对称1 2 6 ；纵波的幅度增强了，而横波的幅度在开始产生等离子体是达到最 大，之后，随功率密度增加而减小。其大小与激光的功率密度有关，而与时间成融蚀 机制所激发的激光超声幅度比较大，能够有利于提高检测的信噪比。 除了以上阐述的两种主要的激发机制的以外，还有热栅激发( 简称l i p s ) ，就是 应用两束来源于同一个激光器的光脉冲，交叉同时入射到样品的表面，在样品的表面 会形成光干涉图，受到照射出的样品吸收此栅状光能而产生热，由热又产生超声，就 称为热栅激发机制。热应变激发机制，就是用一束超短光脉冲照射在基片上的吸收薄 膜上，薄膜的受热温升部分会导致热应力的产生，从而得到超声波，这种就是热应变 机制。电子应变激发1 2 7 i ，当高强度、超短脉冲照着到半导体时，共价晶体中的原子 的价电子脱离原子，但是电子还来不及把剩余的能量给品格，使得电子、声子在很短 的时间中会失去热平衡，从而使电子和声子各有明确的不同的温度。电子以超声速的 速度扩散，在电子超声传递期间，电子会对介质产生应力，从而影响产生超声波形， 这种机制是电子应变激发机制。 鉴于声表面波与材料微结构相互作用的复杂性，导致了接收到的反射及其投射信 号都是一种非平稳的合成信号，他们都具有比较丰富的频谱成分。通过w i g n e r - v i l l e 变换，可以得到激光声表面波随着缺陷深度的变深，反射波的频谱变宽，低频成分含 1 绪论硕士论文 量增加，而透射波中频谱变窄，而且不断向低频漂移【2 8 1 。在薄膜基底的系统中，可 以通过声表面波的色散曲线得出薄膜的弹性模量，密度，样品厚度等力学和弹性参量 【2 9 1 ，而由于实际激发出的声表面波在低频部分的幅度比较低，其色散曲线低频部分 出现了异常，使得在这部分的频谱无法应用。由此可知，在激光所激发的宽频带的激 光声表面波的低频部分对于检测材料表面缺陷有着极其重要的意义。本课题希望通过 激光超声的激发研究，来改变激发光源的能量分布，研究声表面波频谱的变化，得到 理想中声表面波的频谱分布。 1 3 国内外研究进展 激光超声技术是研究激光激发超声机理、方法和技术，激光超声在介质中传播特 性，激光超声的接收原理、方法及激光超声检测技术的应用，是目前无损检测新技术 以及材料特性评价研究领域中的热门课题之一。自上世纪8 0 年代以来，这方面的工 作一直没有停息过，围绕着激光超声的产生与传播过程，进行了大量的实验和理论研 究，借助多种解析及数值方法对理论模型进行不断的修正和完善，采用不同检测方法 对激光激发的超声与材料的相互作用过程以及所获得超声信号的分析，也有了很大的 发展。国内外众多学者主要从三个方面做了大量的研究工作，即激光超声的激发机理 ( 包括数学模型、理论分析、数值模拟及实验验证等) ；激光超声接收方法的研究； 以及激光超声技术的应用研究。 1 3 1 国内外激光超声激发理论研究进展 r o s e t 3 0 1 ( 1 9 8 3 ) 运用表面点源表象，求得热弹条件下聚焦激光束在金属表面激发超 声波的解析表达式。这些研究奠定了热弹机制下激发弹性波的实验和理论基础。 p a d o y l e t 3 1 1 ( 1 9 9 6 ) 等研究了热弹机制下激光线源激发声表面波的模型，得出了近场 的线源激发声表面波的近似表达式，并与实验得到比较好的验证。d r o y e r t 3 2 1 ( 2 0 0 0 ) 用解析方法研究了激光线源热弹产生的近场和远场声表面波，并且得出近场声表面波 和远场声表面波的区别，近场声表面波为单极性，远场声表面波表现出双极性的特点， 与实验结果比对有较好的一致性；胡文祥【3 3 1 ( 2 0 0 0 ) 采用f o u r i e r 变换的方法求解激光 脉冲线源作用下弹性介质中的波动方程，获得了位移解的积分表达式，直接采用两次 f f t 方法数值计算位移波形。所计算的情况包括铝介质半无限大空间表面位移、铝板 的背中心及偏中心表面位移。并采用脉冲n d ：y a g 激光器进行了激发使用激光干涉仪 进行了检测，理论与试验一致性较好。孟振庭【3 4 1 ( 2 0 0 1 ) 采用更接近于激光脉冲实际的 梯形脉冲模型，应用热传导方程和n a v i e r - s t o k e s 方程，对半无限大介质所激发的超 声脉冲特性进行理论计算研究。a c h e n g ，t w m u r r a y 和j d a c h e n b a c h i a s ( 2 0 0 1 ) 给出 一种在各向同性的板材当中的脉冲激光激发超声的模型，在h a n k e l 和l a p l a c e 变换域 6 硕上论文激光源空间分布对激光声表面波影响研究 用t h o m p s o n 转换矩阵得到了板中的应力和位移，时域的已经由数值的方法获得，并 给出了在半无限基底上单层膜，半无限大基底上双层膜，半无限大基底上三层膜中的 数值计算的表面位移，这个模型可以决定在层状系统中激光源产生超声的模式，以及 帮助决定如何选取相关的实验参数等等。i r e n e a r i a s 和j a n d a c h e n b a c h l 3 6 1 ( 2 0 0 2 ) 在各 向同性，半无限大线性的材料中，用激光线源在热弹机制下激发超声的一个二维理论 模型，这个模型说明了热扩散和光学击穿效应的影响，还有激光光源有限宽度与脉冲 持续时间的影响。c t a n d r e w a n t o n e l l i ( 2 0 0 2 ) t 3 7 1 等主要研究了一种可以产生高频声表 面波的技术，通过在透明的薄膜晶片表面上放一个透射衍射光栅，这样光脉冲通过光 栅就会改变其光能量在表面上的空间分布，在样品表面就产生有规律的热应力，以致 产生声表面波。这种声表面波的波长等于光栅的刻线间隔。这种激发技术激发的声表 面波的频率范围可以被所在的光栅控制在很窄的频谱范围内；高会栋1 3 8 ) ( 2 0 0 2 ) 运用本 征函数展开的方法对固体材料中的脉冲激光激发的声表面波进行相关的理论研究，考 虑在热弹激发的条件下，利用三维的轴对称模型，得到了脉冲激光光源的脉冲宽度以 及聚焦半径对固体材料中声表面波信号的时域及频域的影响。苏琨【3 9 1 ( 2 0 0 2 ) 比较了 线光源与点光源所产生超声信号的差异，在相同能量的前提下，利用线光源产生的信 号比点光源产生的信号幅度强得多，同时由于线光源的能量分布在线长的范围内，这 样既降低了能量密度，又不会烧灼损伤表面。孟振庭1 4 0 ( 2 0 0 2 ) 应用热传导方程和斯托 克斯方程，采用简化的梯形脉冲波形模型对激光超声进行了研究，得到激光波形与所 产生的超声脉冲波形间关系。耿森林1 4 1 1 ( 2 0 0 4 ) 对梯形激光脉冲入射到半无限强吸收固 体媒质中热弹激发的超声应力脉冲进行了研究，给出了介质表面束缚和自由情况下的 超声应力脉冲表达式以及理论曲线，理论和实验都表明，表面束缚时应力脉冲是单极 性的，自由时是双极性的，应力脉冲增宽不大，其特性还受激光脉冲形状的影响。 y p a n l 4 2 1 ( 2 0 0 6 ) 等研究了在各向同性材料的中空铝的圆柱体中由激光线源激发的声表 面波的理论模型，获得了一些在不同厚度的圆柱体中激光超声表面位移的理论解，并 与实验结果做了对比，有很好的一致性；孔令剑【4 3 1 ( 2 0 0 6 ) 给出了热弹机制和融蚀机制 下的纵波和剪切波的理论波形；基于排列因子作用，提出一种新型的激光激发超声波 的方法，激光定相位排列激发超声波，激光光源经过定相位排列后，在某一方向上产 生的超声波幅度比传统单一源产生的超声波幅度要强得多，采用此种方法，可以实现 对超声信号方向和强度进行有效激发控制。 1 3 2 国内外激光超声激发实验研究进展 在激光超声激发的实验研究过程中，主要在于光源的选择和光束的调制。由于工 作在热弹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是用以 提高信号强度就显得格外重要。现在用于产生超声波的激光器主要有以下几种：二氧 7 1 绪论 硕i ：论文 化碳激光器、n d ：y a g 激光器、氮激光器和染料激光器等。由于n d ：y a g 激光器功率 比较大，所以使用最多。激光器又分为脉冲激光器和连续激光器，虽然连续激光器的 平均功率可以比脉冲激光器大，但其瞬时功率缈比脉冲激光器小的多，而且调制光束 时连续激光器的功率损失比较大，在实验中大多用脉冲激光器。 d r o y e r 和e d i e u l e s a i n t t 4 4 1 ( 19 8 4 ) 激光超声检测系统在激发超声，检测超声都 可以做到完全的非接触式，并且可以实现遥测。因此这种方法可以实现在恶劣环境中 检测样品，特别是压电换能器所不能应用的场合，并且超声无需耦合剂耦合到样品当 中。尽管有这么多的优点，但是激光超声检测系统仍然有很多的缺点，例如激光超声 检测技术相对于传统的超声技术，主要是由于光学检测不如压电换能器的信噪比高。 因此改善激光超声检测系统的信噪比就成为能够广泛应用的关键。目前主要通过研究 空间和时间调制激发激光，来减小激发超声的带宽，减小超声的带宽可以减小干涉仪 所接受到的噪声的带宽，因此可以提高整个激光超声监测系统的信噪比。d e a t o nj b t 4 5 i f l 9 9 0 ) 等利用长腔被动锁模对n d ：y a g 脉冲激光器产生重复频率为1 3 4 m h z 的激 光脉冲，研究这种调制的光源所激发的窄带声波。j i nh u a n g t 删( 1 9 9 2 ) 等主要研究利用 线源激光阵列照射到样品的表面，在热弹区域内产生窄带的声表面波。这种激光线源 阵列主要由棱镜，光学衍射光栅等方式产生。这个激发窄带声表面波可以通过调节线 源阵列参数，例如线源激光阵列的个数，单条线源的宽度，以及线源与线源之间的间 距等等；h i d e o n i s h i n o t 4 7 1 ( 1 9 9 3 ) 等主要研究了一种全新的激发超声的方法，通过用扫 描干涉条纹的方法激发出1 0 0 m h z 的宽带声表面波，这个条纹的获得是应用不同频率 的光束获得，在条纹扫描速度可以与表面波速比拟时就可以增强激发出声表面波的幅 度；j i nh u a n g t 4 8 i ( 1 9 9 4 ) 等在研究中认为主要的调制方式包括：空间调制，时间调制 以及空间与时间的双重调制。空间调制最基本的方法是用柱面镜将激光器投射出的光 点变成线光源。这样，一方面可以在不破坏表面的前提下输入更多的能量，从而可以 提高信号的信噪比；另一方面，也可以改善超声的波形，将点光源比较平缓的双极性 波形变为陡峭的单极性波形，提高了超声波的方向性，更复杂的空间调制方法是进一 步将单线变成多线。h i d e on i s h i n o t 4 9 1 ( 19 9 4 ) 等用w h i t ec e l l 对n d ：y a g 激光器进行调 制。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。把连续激光经分光器分成两束，生成条纹。当两激光束的相位差随 时间线性变化时，这些条纹以s a w 的相速度扫描，在样品表面生成li o m h z 的超声表 面波，得到的信噪比优于3 0 d b 。用1 w 的氩离子连续激光器经两条长度不等的光纤引 入样品表面，用正弦信号驱动b r a g gc e l l 调制幅度并控制频宽，长光纤用工作台控制 位置，以产生要求的相差。只要空间上适当的分开两个光纤，时间上通过改变光纤的 相对长度产生延迟，就可以提高信噪比。用1 0 个y a g 激光器，按定的空间位置排 列并在不同时刻触发，得到窄带且相移后的阵列脉冲，使每个脉冲得到测量点的时间 硕： ：论文激光源宅间分布对激光声表面波影响研究 差出一定，产生出超声波。p i e r c er i 5 0 i ( 1 9 9 5 ) 等在实验研究中利用声光调制器对 n d y a g 脉冲激光器产生持续l o o m s 得到长脉冲进行调制，进而激发超声。t o d dw i l l i a m m u r r a y l 5 1 j ( 1 9 9 7 ) 研究了通过在材料表面加一个吸收掩膜，用脉冲激光激发线性的频率 调制的声信号已经可以实现了。激光的能量不是通过聚焦在一点或者一条线上，而是 激光能量分布在一定的区域内，这样激光能量的峰值就不会超过材料的融蚀阈值，光 束调制的目的在于提高信噪比、改善所激发超声的波形。由于光学检测灵敏度比压电 譬2n 换能器差，而通常的信噪比s n r 正比于兰 ，式中：万为待测表面的位移；p 为入射 丘 光功率：b 为待测信号的带宽。因此，可以围绕提高万和p ，降低b 以对光束进行调 制；t e r r ys a n d e r s o n 【5 2 1 ( 19 9 8 ) 等主要研究工作是通过实验对理论模型进行验证，10 0 u s 的长脉冲激光能量用b r a g gc e l l 调制过，所激发出的声波，进行实验和理论结果比对。 这种时间调制激光光源所产生的窄带声信号可以很好的提高检测信噪比。 f r a n c e s c ol a n z ad is c a l e a t 5 3 】( 1 9 9 9 ) 等主要研究了应用光纤束传输高能激光，实现 远距离在材料表面激发声表面波，同时验证了激光线源的数目决定了所激发出的声波 的带宽。杜丽婷1 5 4 l ( 2 0 0 5 ) 等在表面未处理的不同厚度的复合材料和几何形状复杂的 零部件中进行了激光超声激励实验，表明该方法可以在以上构件中产生有效超声波信 号。严刚【5 5 l ( 2 0 0 6 ) 等利用激光声表面波及光差分技术研究激光源对声表面波的影响。 实验中利用了n d ：y a g 脉冲激光器激发超声，采用6 3 2 n m 的h e - n e 激光器基于光束偏 转发的光差分检测系统，测量了铝样品表面的声表面波，获得很好的信号。在此基础 上研究了激发源的形状和能量对于激发的声表面波幅度的影响，随着激光能量密度的 增加，声表面波变化转换为非线性的变化。 1 4 本文的主要研究工作 通过阅读国内外文献，了解国内外工作者们对激光超声激发方面的理论和实验研 究；确定本文的研究方向，从理论上对不同能量分布的激发光源所产生的声表面波在 各向同性材料表面传播的波形和频谱进行数值分析，本学位论文主要包括以下几个方 面的研究内容： ( 1 ) 在理论上，通过线激发光源得到激光声表面波，建立宽光源所激发的激光声表 面波的理论模型。 ( 2 ) 在固定线源半宽度的情况下，改变激发激光脉冲的上升时间的大小，来研究对 所激发声表面波的波形和频谱分布的影响。 ( 3 ) 在激光脉冲宽度不变的情况下，改变线源半宽度的大小， 光声表面波的波形和频谱分布的影响。 ( 4 ) 建立线源阵列激发模型，得到所激发表面波的频谱分布， 研究线源半宽度对激 然后改变线源间距， 9 1 绪论硕i 二论文 l o 以及改变线源个数n ，来研究不同线源阵列所激发表面波的频谱影响；研究掩 膜产生的线源阵列所激发声表面波，通过改变掩膜参数分析比较所激发声表面 波的影响。 硕j ：论文激光源窄问分布对激光声表面波影响研究 2 激光激发超声理论 激光超声技术作为一种新型的无损检测技术，在近十几年中得到了长足地发展， 为了实现工业化的在线激光超声激发和检测，建立真正的激光超声检测系统，就要提 高激光激发效率。本章着重介绍在热弹机制下点源激发和线源激发超声的理论模型， 并比较两种激发的优缺点。 2 1 激光激发超声机制 激光超声被激发，激光脉冲打到样品上，能量被部分吸收，光能量在材料表面转 化成热能，导致局部区域内的快速温升。这样就会在局部产生热膨胀，就在材料中产 生超声。若激光能量足够低( 激光功率密度处于1 0 6 1 0 7 m w c m 2 ) ，没有产生材料 的融蚀，则这种机制称为热弹机制；若光能量足够高以至于产生材料的融蚀和等离子 体的飞溅，这种激发机制成为融蚀机制，如图2 1 所示。 g e n e r a t i n gl a s e r g e n e r a t i n gl a s e r l l，+ + l = j f 5 = ，竺摹 t h e r m o e l a s t i ce x p a n s i o n a b l a t i o n 图2 1 激光激发超声( a ) 热弹机制和( b ) 融蚀机制 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，分为热弹效应和烧蚀效应两种。热弹效应【5 6 - 5 7 1 发生时，如图2 1 ( a ) 所示，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，假设入射 激光功率密度较低，照射到材料表面的激光能量不足以使其表面熔化，材料吸收光能 发生急剧的热膨胀，正是这个热弹性效应激发了偏振方向与表面平行的应力波即超声 剪切波。在热弹机制下，如果金属表面为自由表面，则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与 相对幅度很小的纵波。此外，还激发出瑞利波。烧蚀效应 s s l 发生时，如图2 1 ( b ) 所示， 入射激光功率密度较高( 1 0 7w c m 2 ) ，激光能量足以使材料表面温度急剧升高到材料 的熔点，导致表面小部分材料气化，形成等离子体，于是有一垂直于表面的反作用应 力作用在表面，激发出幅值较大的超声波，即为超声纵波。烧蚀效应虽然效率较高， 2 激光激发超声理论硕1 二论文 但由于其每次约对表面产生约0 3 z m 的损伤，所以只能用于某些场合，而且通常用来 产生超声纵波。热弹性效应对表面无损伤，且能产生各种波形