【《激光超声的激发与检测技术概述》1500字】

激光超声的激发与检测技术概述1.1激光超声的激发机理激光激发超声波的机理主要是待测结构表面与脉冲激光相互作用，材料表面局部吸收热能导致膨胀，产生挤压的应力波作用，即产生超声纵波。当高能脉冲激光照射到待测结构表面上，一部分激光能量经结构表面被反射出去，另一部分激光能量被结构表面吸收而转换成热能，固体表面因吸收光能量后导致局部温度瞬时升高而产生热膨胀，从而在结构中形成应力波，将热能转换成机械能，应力脉冲同时以纵波、横波和表面波的方式向材料结构内部或表面传播，即形成超声波。激光激发超声机理一般分为热弹机制和烧蚀机制。在热弹机制下，发出的激光不会损伤材料，其功率密度低于材料的损伤阈值。被激光照射的表面会产生瞬态热效应，这会使材料的表面快速膨胀，产生应变和应力场，从而激励出超声波。热弹机制不会对材料造成损伤，很适合无损检测领域使用，但是热弹机制的光声转换效率较低，使得激发超声波变得较为困难，能量太低不容易激发出超声波，提高能量很容易超过材料的损伤阈值，对材料造成损坏，失去无损检测的优势。在烧蚀机制下，发出的激光的能量远超材料的损伤阈值，较高的激光能量会烧烛气化被测材料的表面，在烧烛的同时，激光照射点会喷射出小部分物质，由于力的相互作用，被测材料的表面会出现一个瞬间反作用力激发出超声波。烧蚀机制在较强的激发能量下，会激发出远强于热弹机制的横波、纵波及表面波等，使得有用信号不被淹没在噪声中，更容易被找到。为了减少烧蚀机制对被测材料的损伤，可以选择在激光照射区域涂一层水或油，这样既可以使用烧蚀机制激发出明显的超声波，也可以减少对材料表面产生损伤。1.2激光超声的检测方法作为激光技术与超声学相结合形成的新兴学科，激光超声技术从诞生以来就得到了各领域的广泛关注。目前接收激光超声信号的常见方法主要分接触式与非接触式两种。接触式检测主要使用压电换能器，该方法快速简便，但因是接触式检测，需要与样品紧密接触才能获得较灵敏的信号，这种方法并不适合尺寸较小的被测材料或者涂层性材料，也不适合检测流动的样品。该方法需要与被检测材料接触的条件限制了其实际使用场景。非接触式有电学式和光学式两种。电学式主要使用电磁声换能器、空气耦合换能器和电荷（电容）换能器。该方法虽然可以实现非接触式测量，但需要近距离靠近检测样品，其灵敏度较低，空间分辨率也不足，在实际使用中受到很大制约。光学式通过利用连续的激光辐照检测材料表面的指定位置，通过接收其表面反射的激光来检测信号。光学式根据原理的不同分为非干涉和干涉两类，是近年来发展和使用最多的方法。光学原理探测大多采用光学干涉原理进行超声波探测，使用高能量激光照射测试材料的某个固定点位，同时使用激光接收该点位附近产生的超声波，无需接触，灵敏度高。根据课题要求，本实验借助光学干涉法原理，使用迈克尔逊干涉仪来探测超声波。1.3激光超声监测系统根据课题要求，实验使用热弹机制来激发超声波，使用光学干涉原理进行激光超声信号的接收，该系统的示意图如图2.1所示。实验系统分为三部分：高能脉冲激光发射系统、激光接收系统和数据采集系统。激光通过高能脉冲Nd:YAG固体激光器CFR200来产生脉冲激光在测试件上激发超声波，激发的脉冲激光波长为1064nm，脉冲宽度为8ns；超声波接收使用型号为QUARTET-500MV的激光超声接收仪接收激励出的超声波信号，该接收仪基于迈克尔逊干涉原理设计，接收仪同时发射两束激光信号，一束作为基准信号，另一束通过传回振动信号探测超声波，然后将信号进行光电转换；数字信号通过数据采集卡进行采集，利用计算机软件显示采集到的超声波形。这一套系统完成了激光超声的激发、接收和采集，