增大激光激发超声波强度的方法 毕业论文.doc

分类号： o439 本科生毕业论文（设计） 题目： 增大激光激发超声波强度的方法 作 者 单 位 物理学与信息技术学院 作 者 姓 名 专 业 班 级 物理学四班 指导教师（职称） 论文（设计）完成时间 2013年5月 增大激光激发超声波强度的方法研究 摘 要：简单介绍了激光超声产生的主要机理，这项技术在激光致声转换始终效率过低，文中分别从增大激光能量和提高材料对光的吸收俩个方面提出增大产生超声各种方法。其中激光器的腔内锁模技术、激光放大技术、点光源变为线光源到激光阵列、激光的定向位排布还有激光束的相干合成技术是从增大激光能量的出发的，表面修饰技术是从提高材料对光的吸收出发的。关键字：激光超声；声表面波；激光线源；线源列阵1 引言 激光超声学是利用激光来激发和检测超声、并开展超声传播和媒质特性等研究的新兴交叉学科1。与传统的超声检测技术相比,激光超声技术不需要使用耦合剂，容易于实现远距离的遥控控制,还可以应用于如高温高压高湿、有强腐蚀性、有辐射等环境中,并且能实现工件的实时在线检测,具有快速、非接触、不受被检对象结构形状影响等优点，因此，它更有利于材料的无损评估和其他学科的应用，如材料表征，缺陷检测，加工过程检测，以及复杂形貌的工件或高温高压等恶劣环境下设备的检测等。在20世纪90年代形成的这一激光超声学，近年来已发展成超声学中的重要分支之一，并在激光超声信号的激发与接收、传播以及应用等方面都取得很大的进展2。可是目前激光超声学的应用普遍有一个问题，光声转换效率并不高，光声转换效率是激光激发超声技术研究中重点关注的核心问题，光致声波的低强度限制了这项技术的实际应用3，本文就如何增大激光激发超声波强度进行了分析和总结。 2 固体中激光超声产生的机理 激光技术出现于19世纪60年代,它具有高亮度、单色性强和相干性好等优点,在很多领域实现了应用,与其他学科的互相渗透也越来越广,带动其它学科出现新的活力,激光超声技术就是在这种条件下产生的一项新技术4。激光激发超声激发机制主要有三种:热膨胀机制、汽化机制和介电击穿机制,其中热膨胀机制产生的声波具有较好的可重复性和控制性,因此是最普遍采用的一种机制。在固体中激光激发超声波的主要机理是热弹性机制，试样内超声波脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。当试件表面的激光能量不足以使表面熔化，照射到不透明试样表面的脉冲激光，其能量大部分被浅表层吸收，一部分被反射。吸收光能的浅表层部分，温度升高，这部分介质发生膨胀，膨胀后介质发生形变。这种热膨胀形变大小与入射到介质上的光能量成正比，相当于材料的体积增加了。由于入射光波是脉冲的，浅表部分的形变也是周期性的，周期形变在周围介质中激发了超声波5。3 增大激光激发超声波强度的方法 为了要产生更大的超声波，可以从激光源和途径上着手，其中的一个是增大激光源的能量，也是增大超声波强度的最直接的办法，或者是想办法让在同等激光能量的条件下，产生的超声能量变的更大一些，这是在途径上着手，其中表面修饰技术就是途径上着手的一种方法。3.1激光器的选择不同的激光器都有不同的特性，不同机理的激光器它所能产生的激光功率也是不同的，所以要想提高激光器的能量对于激光器的选择尤其重要。现在用于激光激发超声波的激光器有：nd:yag 激光器、二氧化碳激光器、氮激光器和染料激光器等。由于 nd:yag 激光器功率比较大，所以使用最多。另外，虽然连续激光器的平均功率可以比脉冲激光器大，但是其瞬时功率比脉冲激光器小得多，且调制光束时连续激光器的功率损失比较大，因而现在使用脉冲激光器比较多。目前最常用的激光超声激发技术是用脉宽约 10ns 的 nd:yag 脉冲激光束。随着技术的发展激光器也相应的得到了发展，激光脉冲宽度进一步压缩（压缩至 ps 级，或 fs 级），在热弹激发和烧蚀激发机理的基础上，也逐渐形成了一些新的激发超声波的方法。想要得到自己满意的超声波，需要选择比较一个比较合适的激光器。3.2激光器的腔内锁模技术为了增大激光激发超声波强度，提高激光源的输出激光能量，有一种新的脉冲压缩技术，激光器锁模技术就能够获得极高的峰值功率（109-1012w），其峰值功率之所以大，是由于把能量压缩在极短的时间内释放出来的缘故。由此知激光器的锁模技术也可提高激光能量，进一步增大激光激发超声波强度。自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。假设模振幅相等eq=e0, 光强相等iq= iq-1=i0，则激光器输出的总光波场是2n1个纵模相干的结果.则输出光强： （1） 光强随时间而变化。输出脉冲的峰值(最大光强)： （2）由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2n+1)倍。可以通过激光器的腔内锁模技术来提高输出激光能量，以增大激光激发超声波的强度。3.3激光放大技术激光放大器和激光(振荡)器都是同一物理过程（受激辐射的光放大），但激光放大器（行波）没有谐振腔。工作物质在共泵浦作用下，处于粒子束反转状态，当从激光（振荡）器产生的光脉冲信号通过他时，由于入射光频率与放大介质的增益谱线相重合，故激发态上的离子在外来光信号的作用下产生强烈的受激辐射。这种辐射叠加到外来光信号上而得到放大，因而放大器能输出一束比原来激光亮度高的多的出射光束6。激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子束，以保证光脉冲信号通过它时得到的增益大于介质内部各种损耗。另外，为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信号相匹配的能级结构。采用行波放大技术有如下优点：其一，由于激光束一次通过放大介质，因此介质的破坏阀值可以大大提高，即在相同的输出功率密度下，放大器的工作介质不易被破坏；其二，当需要大能量激光时，可以根据需要采用多级行波放大，放大器逐级扩大激光束的孔径，而每级的工作物质长度可以缩短，这样有利于防止超辐射和自聚焦的破坏；其三，振荡器-放大器系统，可由振荡器决定其脉冲宽度、谱线宽度和光束发散角等，而由放大器决定其脉冲的能量和功率，所以二者结合起来，既可以得到优良的特性，又能够大大提高其输出激光的亮度。图1. 激光放大器工作示意图 图1为激光器与放大器串接工作的示意图。当第一级输出的激光进入放大器时，放大器的激活介质恰好被激励而处于最大粒子数反转状态，既产生共振跃迁而得到放大。为了获得性能优良的高能量激光，应用激光放大技术是一种最佳方法，通过此方法也可以实现提高激光激发超声的波的强度。3.4将点光源变为线光源1980 年，k.aki 和 richard7对超声波热膨胀体积源进行研究，得到热弹位移表达式：u n( x,t)= (vcijklklt,t)*gmi (x,t)/jdv()dv() （3）图2.有限长线光源的坐标系如图2，设定坐标系统（x，y，z），（x，y）为工件表面平面，z 为指向工件表面的方向。假设 y 方向长度为 2d，宽度很窄的激光线光源聚焦于工件表面（x-y平面），线光源的中点位于坐标原点。根据叠加原理，对于此光源，x 轴上垂直表面的位移u03(x,t)可写作线积分式 u03(x,t)= 0dw(y) u03(l,t)dy （4）最终x 轴上垂直表面的位移u03(x,t)= exp(-/) h () （5）从式（5）中，我们可以看出:由高斯分布的脉冲激光形成的有限长细线光源产生的近场区表面波具有单极性、振幅不随距离而改变的特性，其幅值大小主要与线光源中心的能量分布密度有关，而且表面波的波形与脉冲激光的时域波形相映射。由点光源变成线光源可以明显改善所产生的表面波的质量：因为是线光源，所以在保持相同的功率密度的前提下，可以将比点光源更多的激光能量投射至物体表面，以产生更强的表面波，又不会破坏物体表面。 (a). 线光源产生的表面波信号波形 (b). 点光源产生的表面波信号波形图3. 激光光源产生的超声信号波形图 3(a)，(b)所示为在相同能量的前提下，利用线光源和点光源产生的超声信号。可以看出：线光源产生的信号要比点光源产生的信号幅度强的多（大约 5-10倍）。同时由于线光源将能量分布在线长的范围内，这样既降低了能量密度，而且不会烧蚀表面8。因此将点光源变为线光源可以提高激光激发超声的超声脉冲。3.5激光源的阵列激发超声mckie等9提出了应用激光阵列作为激发源的方法,可以增大检测点处的位移信号幅值。 激光阵列源是由多个相同的脉冲线源按一定方式排列后作用于材料表面上的,对于阵列中的每个线源均符合royer等人提出的有限长、有限宽激光线源。激光激发超声表面波的理论模型，激光阵列源可以在热弹性机制下激发出有足够功率的窄频带且方向性可调的窄带声脉冲,它不但可以通过增大激发出声波信号的幅值达到改善系统的信噪比的目的,设置合理的时间延迟(timedelays)还可以控制波束能量的传播方向,从而应用超声波束对整个区域进行扇形扫描(sectorialscanning)。图4.激光阵列激发超声波束在检测点处发生干涉叠加原理图图5.激光列阵激发的超声波发生干涉叠加等效计算模型 如图4所示,通过对激光阵列中各线源的激发时间进行设置,可使得阵列中各线源激发出的超声波在检测点处发生干涉叠加,于是检测点处声波的位移幅值将明显增大,激光阵列源激发出的超声波发生干涉叠加的等效计算模型如图5所示,d为阵列元的间距,p为接收点,是波阵面传播方向与激光入射方向的夹角，当阵列源中各线源同时激发时,到达p点的声信号是由各元激发出的声波(最右边阵列元激发出的声波最先到达,直至最左边的线源激发的声波最后到达)的组合，如果对阵列源设置时间延迟，当来自前一个激发源的声波到达时，来自后一个相邻激发源的声波紧随到达，波束将会在空间中发生干涉叠加，设其等效波阵面沿方向,这时就得到了窄带的声调频脉冲。激光阵列是采用增大检测位置处的值，等间距排列的激光脉冲投射到样品表面上时,经过时间调制后的脉冲同时到达检测点处，对于n个激发源在检测点处所激发出的位移相叠加后为: total=1n1rnmdn()a(t,t+rnc)in （6）其中,r为光束传播时而引起几何损失的球形传播系数,m是与rayleigh波在二维空间和横波与纵波在三维空间中几何传播相同的一个值。d是与激发源和声波类型(横波、纵波和rayleigh波)相关的方向性函数,为阵列中单元激发的超声波方向角,a是阵列因子(是关于相邻脉冲的时间间隔t、源到探测点距离r和声波速c的函数),i是激光脉冲源特征激发函数10。由于激光阵列中的各激发元都是相同的线源,相互间距均相等,设定适当时间延迟,使得各元激发出的超声波同时到达检测点,则有： totaln1rnmd()a(t)i nsingle （7）对于在固体表面传播的rayleigh波,为了得到干涉叠加后的巨表面波11,源先后的激发时间间隔,即时间延迟设为: =dcr （8）其中，cr为材料中rayleigh波传播的速度。激光器阵列产生的表面位移为所有线光源的叠加总和，则知道激光器阵列可以提高激光在固体表面的位移，要比点光源与线光源有更好的效果。由文献9知道,随着阵列元线半宽a值的减小,激光阵列源激发出声表面波的位移信号幅值增大,脉宽减小,频宽变大. 随着激光阵列中相邻阵列元间距的增大,幅值发生叠加的声表面波在到达检测点的时间出现不同的延迟,而接收到声表面波信号的位移幅值出现了减弱. 随着激光阵列源中的阵列元数目的增多,其所激发出声表面波的位移幅值成线性增加,十元阵列激发出的声表面波位移幅值约为单脉冲线源激发时的十倍数值模拟的结果与wagne等人11,12,13的实验结果相吻合。3.6激光的定向位排布激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很多14。激光的定相位排列是指一些有时间相位延迟的脉冲激光源按某一方式排列照到物质表面,可产生某一方向加强的超声波方式，节脉冲源的时间和空间分布,得到超声场内的某一方向超声干涉加强。图 6. 激光的定相位排列产生超声波因此,定相位产生的超声波方向模式u(,)由单一源产生的超声波方向模式ue(,)和排列因素ia(, )共同决定。表达式为u(,)=ue()ia(, ) （9）u(, )表示在固定间隔下超声波模式的强度分布,为超声波长, 为选择的超声波加强方向与表面方向的夹角,d为相邻脉冲源中心的间距,为相邻脉冲源间的时间延迟,c为超声波速。需要注意,由于纵波和剪切波在同一种媒质中有不同的传播速度,所以,它们的排列因素是不同的。通过模拟计算可得到定相排列激发与传统单一源激发产生超声波的强度如图7。图7. 定相排列激发与单一脉冲源激发超声波的强度比较由图7可看出激光源经过定相位排列后,相同的激光脉冲强度下,在某一方向上产生的超声波幅度比单一激光源产生的超声波幅度要强很多,采用此种方法可有效地加强脉冲激光对超声波的激发,相比传统的激发方法有大幅度的信号加强。通常,激光定相位排列可通过长度不同的光纤排列传输激光来实现,也可通过移动激光源来实现.在这里提供一种通过光纤法实现激光定相位排列激发超声波：把km (k、m为正整数)根光纤做成光纤束,其中有k种长度的光纤,分别为l、l+l、l+2l,每一种有m根。与激光器耦合的输入端用光纤卡盘固定在一圆内,使得光纤能够自由受力而又不松散;输出端光纤也由光纤卡盘固定,并按种类直线排列为k排(激光线光源比点光源有更好的超声激发15).由光纤出射的脉冲激光是发散的,其照射面积是光纤出口与样品表面距离的函数,为了得到好的照射强度,在光纤出口处放置一个聚焦透镜。3.7激光束相干合成技术随着光纤激光应用领域的不断拓展，对其功率的要求也越来越高，目前1070nm 单模光纤激光器的最高输出功率可达10kw16，多模激光器最高输出功率已超出50kw17。但是受到掺杂光纤非线性效应、热损伤以及光学损伤等物理机制的限制，单纤输出功率的提升空间受限18。为了进一步提高光纤激光器输出功率，业界采用相干合成等光束叠加合成技术，将相干合成引入相位控制机制，各光束间的相位差锁定为一个恒定值，从而提高了合成光束的相干性和光束质量，其峰值光强比非相干合成时提高了 n 倍( n 为参与合成的光束数目) ，因此相干合成受到格外重视。多光束激光相干合成是一种能在保持激光光束质量的同时,又成倍提高激光输出功率的有效手段19,其核心就是通过精密相位控制,使多台激光器的输出相位保持一致,这些光束就因相互干涉实现多光束激光的相干迭加20,从而在特定空间高效集中多路激光的输出能量或功率。在波动光学中,激光的光场可用定态标量波来描述. 对于一束波长为的激光,其复振幅u在空间的分布满足高斯光束的形式,即: u(x,y,z)=aw(z)exp-x2+y22(z)exp-k(x2+y22r(z)+z)+i(z)+i0 (10)光强i则为复振幅的模的平方,即: i=|u|2根据波的迭加原理,多列波同时存在时,在它们的交迭的区域内每点的振动是各列波单独在该点产生的振动的合成,其数学表达式为：u(p)=u1(p)+u2(p)+u3(p)+而总光强为 itotal=|u|2=|u1(p)+u2(p)+u3(p)+|2 (11)产生干涉的必要条件为:频率相同,相位差恒定,有平行分量。将复振幅的表达式(10)代入式(11)就可以得到相干迭加后的光强。由此可知，多路激光相干叠加后能使总光强变大。通过计算机软件可以模拟了相干合成效果，模拟出了光源不同排布对光束相干合成效果的影响，假设一多光束激光相干合成系统由16个相干光源组成，每个相干光源的性能完全相同,如工作波长为1064nm,工作模式为tem00模,则当激光束腰直径为2mm时,发散角为0. 677mrad。模拟结果表明,相干光源呈圆形排布时所获得的合成功率密度最高,矩形排布次之,十字形排布再次之,一字形排布最差,在上述四种情况下,主峰的功率密度比约为5. 81. 61. 11。相干合成系统中光源相位变化对相干合成效果也有很大的影响。让相干合成系统中各光源在输出端相位保持一致时,模拟发现,当相干光源间间距加大时, 相干合成的效果将急剧变差。产生这种现象的根本原因是这些相干光在目标上的相位不一致。因此,只要通过某种方法使这些相干光在目标上保持完全相同的相位,则在目标处所有的光源相干迭加将会产生一个极大值，那么这时候产生的效果就会好一些。由此,逐路的进行调整相干合成系统中各光源输出端的相位,让它们在目标位置处的相位完全相同,从而在目标位置处相干迭加产生一个极大值，获得最高的激光功率密度,即获得最佳的相干合成效果。这种情况下,目标位置处主峰的峰值功率密度是只让各光源在输出端相位保持一致时主峰峰值功率密度的3倍。可见,在多光束激光相干合成系统中,当各相干光源相位能保证在目标位置处相位相同时,其主峰处功率密度最强 21。需要指出的是,上述为了使理论表述清楚,讨论的多光束激光相干合成理论均是建立在系统中每路激光都以单纵模方式工作这一假设条件的基础上。通过简单的推导,这一理论就可扩展到多纵模方式工作的多光束激光器相干合成系统中。高功率激光的相干合成由于技术难度大,到目前为止,还并未取得实质性的突破。虽然多光束激光相干合成技术难度大，但是这也为我们提供了一种理论方法提高激光能量，进而增大激光激发超声波。由此知对激光束进行相干合成能够提高激光的功率，因此这也是一种提高激光激发超声波的方法。3.8表面修饰技术光声转换效率太低是阻碍激光超声开发利用的主要原因之一，加大激光辐射能量是提高超声强度的主要途径.可是加大激光辐射能量是有限度的，如果能量过大会损害样品表面，那么研究学者想出了既能最大限度的利用激光能量又不会对样品造成损害，对于不透明介质,在脉冲光照下,部分光能被浅表层吸收,一部分被反射.由此一些学者开始研究如何来提高光的吸收效率，减少光的散射，以提高光声转换效率. 表面修饰技术22就可以达到目的，表面修饰众多技术中湿表面技术是最简单而有效的。在试样表面涂一层油,放一滴水,或喷涂一层吸光膜,不仅可以在较低的光功率密度下产生满意的超声脉冲,而且又可防止表面损伤。在样品表面涂上各种不同的液体涂料，能够很有效的提高对光的吸收效率，不同种类的涂料会对光能量的吸收起到不同的增强效应.有些研究学者对部分表面涂料进行了实验，得到了相同入射光下不同涂层对产生纵波幅度的影响的具体数值，见表123。表1. 样品表面涂层对纵波幅度的影响表面涂层与未涂层表面相比纵波幅度增加的db数铝铜低碳钢轻油252726硅脂212426水212324丙酮252432无光黑漆223638无光白漆252922表1中说明了样品表面涂层会对纵波幅度产生不同程度的影响.如果材料对光能量吸收强，就降低了对光源辐射功率的要求。采用这种方法可充分利用光源功率,增强了光声信号,在较弱的光照下也可进行测量;较好地消除了散射光.由表知道通过表面修饰技术只能适当的提高激光激发超声波的强度， 但这类方法重复性较差,且只适用于很少的场合中。4 总结 上述的能够提高激光激发超声的声波的方法有选择合适的激光器，激光器的腔内锁模技术、激光放大技术、点光源变为线光源、激光的定向位排布、激光束的相干合成技术，还有表面修饰技术。其中前几种办法其目的都是如何去增大激光的能量，最后的表面修饰技术是在相同的激光能量下如何去提高材料对光的吸收效率，让在同等的激光能量下获得更大的超声。但是增大激光能量是获得更大超声的最直接的办法，也是效果最为明显办法，而表面修饰技术只能适当的增大产生的超声波，因此在今后的激光激发超声实际应用中应当致力于想办法增大激光能量上。但是在实际的应用中激光能量并不是可以无限的大的，当需要激光激发超声的时候，需要依据条件来进行合理的选择，综合起来进行选择，也可以多项技术综合利用，达到最终的实验目的。参考文献1 c.b.scruby,l.e.drain. laser ultrasonics: techniques and applications m. hilger, briston,u.k,1990.2钱梦碌.激光超声学的若干进展.a 同济大学声学研究所, 1000-3630(2002)01 02-0019-06:19.3 sv egerev. in search of a noncontact underwater acoustic source j. acoustic alphysics,2003,49(1):51-61.4 mahoney s. m. laskey k. b. wright e.et al. measuring performance for situation assessmentz.ada400023,2001,6.5 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