（测试计量技术及仪器专业论文）声表面波的光激发及光检测.pdf

中义摘葵 y 2 5 6 18 中文摘要 从固体的弹性性质和波动方程出发，阐述了声表面波的基本性质。介绍了激 光超声领域的研究进展，分析了光致超声过程中，能量从光能到声能的转换，归 纳了用激光激发声表面波的机理，讨论了两种主要的模型：热弹模型和融蚀模型。 对于热弹模型，应用了等效力源法和格林函数法。对于融蚀模型，应用了等效力 源法。 本文着重在实验上研究激光产生声表面波的检测。在比较了已有的各种测试 声表面波手段的基础上，提出了基于光偏转技术的单光纤测试法，并设计完成了 一套光纤光声传感器。对n d ：y a g 固体激光器在铝和硅材表面激发的声表面波脉 冲进行了系统的实验测试，结果得n 7 良好的波形，此法相对于其他光学方法具 有频响高，灵敏度高，线性较好的诸多优点。而且装置简单，易于调节，由于引 入了光纤，具有进一一步发展的前景。 关键词：声表面波，激发机理，热弹，融蚀，光偏转法， 单光纤测试技术 英文摘要 a b s t r a c t f r o mt h ee l a s t i cp r o p e r t yo fs o l i da n dw a v ee q u a t i o n ，t h es u r f a c ea c o u s t i c w a v eh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ep r o g r e s so fl a s e ru l t r a s o n i c sh a sb e e nd i s c u s s e d e s p e c i a l l y f o rt h el a s e r g e n e r a t e ds u r f a c ea c o u s t i cw a v e t h et r a n s f o r mp r o c e s so f e n e r g yf r o ml i g h tt o u l t r a s o n i ch a sb e e na n a l y z e d t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f l a s e r - g e n e r a t e d s u r f a c ea c o u s t i cw a v eh a sb e e nd i s c u s s e di n d e t a i l e x c l u d i n g t h e r m o e l a s t i cm o d ea n di l l u m i n a t i o nm o d e t h e e m p h a s i so f t h i sp a p e ri sr e s e a r c ho nt h ed e t e c t i o no f l a s e r g e n e r a t e ds u r f a c e a c o u s t i cw a v e o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gp r e s e n td e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，w ep r o p o s e an e w o p t i c a lb e a md e f l e c t i o nt e c h n i q u ew i t has i n g l ef i b e r t h ec o r r e s p o n df i b e r s e n s o rh a sb e e nc o m p l e t e d w i t hn d ：y a gl a s e r , t h es u r f a c ea c o u s t i cw a v ep u l s e s w e r eg e n e r a t e do nt h es a m p l eo fa l u m i n i u ma n ds i l i c o n w e l l d e f i n e dw a v e f o r m s h a v eb e e na c q u i r e d t h er e s u l t ss h o wt h i st e c h n i q u eh a v ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h f r e q u e n c yr e s p o n d i n g ，h i g i ls i g n a l - t o n o i s e r a t i o t h e s e t u pi ss i m p l ea n de a s yt o a d j u s t f u r t h e r m o r e ，a sf i b e rh a s b e e nu s e dh e r e ，t h et e c h n i q u eh a sap r o m i s i n g p o t e n t i a l k e yw o r d s ：s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，g e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，t h e r m o - e l a s t i cm o d e ， i l l u m i n a t i o n m o d e , o p t i c a lb e a m d e f l e c t i o nt e c h n i q u e ，s i n g l e f i b e rd e t e c t i o nt e c h n i q u e 颅j 论文 声表面波的光激发和光榆测 1 绪论 1 1 研究背景 声学方法是研究物质特性的基本方法之一。由于声波与物质的相互作用，所以通 过对声速及声波的衰减的测量，可以确定物质的一些基本物理参数和特性，并广泛地 用于工业上的探伤检测。 早在十九世纪，b e l l 就发现了光声现象。即当固体，液体，或气体在受到强光辐 照时，吸收光能，能使物质膨胀，如果光强受到调制，即由物质的伸缩而产生声波。 另外，样品同时还有热效应，如图1 1 1 ，一般合称为光声光热效应。 上世纪六十年代激光被发明，并很快引入光声领域，最早是w h i t e 和a s k a y a n 于 1 9 6 3 年各自提出了用脉冲激光激发声波，前者考虑固体，后者考虑气体。而光声效 应也从此才得到长足的研究和发展。无论是在激发手段还是检测手段上都有很大的进 步，在过去的二十多年里，光声已被广泛地应用于物理，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。目前，基于光声效应而发展起来的检 测技术已成为十分重要的无损检测和评价手段。由此发展起来了一门新的分支学科： 激光超声。 样品 ii l 入射激光束 l 红外辐射 !r 表面形变 温府上升 光致声波 图1 1 1 样品受激光辐照后的各种效应 激光超声有不同的分类方式“1 ： 1 连续调制激光超声和脉冲激光超声。 前者是一束强度被射频频率的声光或电光调制器调制的连续激光激发超声、后者 是用单次或重复频率= 1 几k h z 的调o ( q s w i t c h ) 脉冲激光激发超声、光脉冲的持 续时间( 即半高度的全宽度f w h m ) t 为微秒( us = 1 0 击s ) 或纳秒( n s = 1 0 4 s ) 量级， 以及重复频率为7 6 m h z 或8 0 m h z 以至更高的锁模( m o d e 1 0 c k e d ) 或锁模调0 激光 激发超声脉冲。激光的子脉冲宽度t 为几十皮秒( p s = l o - 1 2 s ) 或亚皮秒( 以情况 硕十论文 声表面波的光激发和光检测 对于，斗口r + 庐( r ，0 ，) = 4 a ( 2 a r ) 一”i m n ( v = a r ，) 】+ o ( ，一口r ) f f 7 + ( r ，0 ，f ) = 4 a a 一( 6 2 r 2 一f 加“2 i m p ( r = f f ) k f l r ) “2 + o ( t - t l r ) “2 ( 4 2 2 4 1 ) f jb r 一 妒，( r ，0 ，f ) = 一2 a r c 一。( 2 b r ) 一17 2 r e b ( f = b r ，t ) l o g ( b r f ) ( 4 2 2 4 2 ) t 一6 r + 由波前关系 g 譬= 一口y 。 ( 4 2 2 4 3 ) g 孑= b 2s i n o y 。 ( 4 2 2 4 4 ) 可以得到 g 譬( r ，0 ，f ) = a a r a 6 ( t a r ) + d ( r _ 2 ) ( 4 2 2 4 5 ) g f f ( r ，0 ，f ) = a b r 一r e b 6 ( ，一6 r ) 】+ d ( r 一3 7 2 ) ( 4 2 2 4 6 ) 于是 “r ( r ，0 ，) = d a r a q ( t a r ) + o ( r 。) ( 4 2 2 4 7 ) 我们考虑表面的情况，取z = 0 雪，( r ，d ，s ) = a sf ( ，一2 c 咿) 吼j 。( s 移) 舌3 鸳( 4 2 2 4 8 ) i 烈邶力= 一( 昙) a 昙h n i 妒r 吖一2 m ) 咖( 4 2 2 4 9 ) ( 玎) = 陪3 ( r 一2 c t f l ) 0 t i m ( 4 2 2 5 0 “：( ，o ，) = 一8 a r b 2 s q ( f ) + ( r 2 一c 2 r 2 ) 一1 ”h ( t c r )( 4 2 2 5 1 ) s 为一常数 正如前面所讲，点光源可以近似为两个正交的等量的的力偶极子，以此来描述 有激光脉冲产生的热弹性源，位移的第一个分量是时间的卷积。 “。，矗，= f q ( t ) + g 品f ；f ：；，d ，( 4 2 2 5 2 ) 这里j r 是一个常数，由材料的弹性性质来决定，卵j 为激光脉冲波形， g 品矗，? j ，刨是在矗u 的点m = p ( b ，别处时间上为h e a v i s i d e 阶跃函数，俐= 州叫的源引 顿f 一论文声表面波的光激发和光检测 起的位移，这罩用了e i n s t e i n 求和下标，表面波包含在其中，具有圆对称，在空间 上依赖于探测点到光源的距离r 。所以可以记做s 墨r r ，f ，对于“，= 5 “j ，可以推导 出固体的脉冲响应。 图4 2 2 1 扩展源的格林函数法示意图 点源的近似大部分符合实验结果，但是在实际情况中，对于瑞利波的双极性脉 冲，包含一个不利于定量比较的奇点，会产生理论和实际波形的差异，是因为取源 在空问上的点近似。对源的空间考虑可以消除奇点。源的的扩展而成的体源对表面 波有比较小的效应，但是讨论源的侧面扩展是必需的。一般在1 - 2 n l r n 。对于那样一 个侧面括展源，利用叠加原理有【2 ”： ( r ，r ) = f c o ( p ) u o 。( f ，t ) d a n k r a i n q k s u r l a c e p 为扩展源内某点到源中心的距离，是这一点到观测点的距离，品为s ”对 g “的替代。c o ( p ) 是激光的横向空间分布函数。一般为： c o ( p ) = ( 翮2 ) e x p ( 一p 2 a 2 ) 做近似q ( t ) = 占( f ) ，用数值计算求解以上公式，即可以得到和实验符合很好的波 形。 3 3 融蚀模型的等效力源法 她反 图4 3 1 激光融蚀靶材的示意图 当入射激光功率密度增高，温升接近金属的熔点时，受照射区的样品表面会熔 硕十论文声表面波的光激发和光检测 融，汽化，发生光学击穿，以致于喷射出等离子体。如图4 3 1 所示。烧蚀源的理论 研究目前还很不完善，因为涉及了等离子体的产生和影响。而且融蚀本身可以由激 光功率密度的大d , $ n n 在分为几个不同的范围汹3 。下面介绍等效力源法。 对于线源激发，可以采用等效力源法，即把其物理效应等效为一个垂直于固体 表面的线型力源的瞬态作用。 图4 3 2 融蚀模型的等效法向力源 如图4 3 2 所示。 从波动方程出发 可2 z 1 ) = 币 v 2 吣，z ，f ) = 去旷 半无限空间的表面边界条件 口斟( o ，z ，f ) = 口。占( z ) 占( r ) 盯。( o ，z ，) = 0 用前面介绍的方法进行关于x 和f 的双重f o u r i e r 变换 万= m ( 2 k ：一砰) p 一 矿= m ( 2 i k ：r l a ) e 1 。 有位移和势的关系 磊= v + v r d ，g ，d ， 可得到烧蚀源作用下半空间表面切向和法向位移的解 历( ：，x ，c o ) = i k ：m 【( t ：一2 k ；) e 一“5 + 2 r l d r l e 一】 万( 女：，x ，c o ) = r d m i 七；一2 k ) e 一“+ 2 k e 一“1 】 ( 4 3 1 ) ( 4 3 2 ) ( 4 3 3 ) ( 4 3 4 ) ( 4 3 5 ) ( 4 3 6 ) ( 4 3 7 ) ( 4 3 8 ) ( 4 3 9 ) 2 5 硕士论文 声表面波的光激发和光检测 进行逆傅氏变换可以得到位移解的积分表达式 “( x z , t ) = 嘉m k 删删叮 ( x ，z ，f ) = 上4 7 r 2 ss 万( k ：x , c o ) e g z e , d * 珊：d 口 ( 4 3 1o ) ( 4 3 1 1 ) 上式可直接采用两次逆f f t 数值计算得到声表面波位移场，即在两个方向上的 位移解。 这一章讨论了声表面波的激光激发机制，主要是针对热弹和融蚀这两个主要的 模型来展开的，应用了等效力源法和格林函数法。 2 6 坝十论文声表面波的光激发和光检测 5 激光激发声表面波的探测 5 1 探测方法综述 对于声表面波信号的检测，涉及到的方法很多。常用的检测( 或接收) 脉冲激 光超声的方法有接触式和非接触式两大类口“。 接触式的是采用压电换能器如：用压电陶瓷一p z t ，压电晶体一石英，铌酸锂， 压电薄膜p v d f 和z n o 薄膜等等制成。换能器必须直接紧贴在样品上才能进行检测， 而且要用耦合剂耦合。这类检测器的灵敏度较高，但带宽有限。早期的探测主要是 由这种检测器完成的。 非接触式的有光学法和电学法。电学法包括用电容( 电荷) 、电磁声( e m a t ) 和 空气换能器等，这类换能器有较宽的频带，虽不和试样接触，但必须放的很接近于 试样表面。 光学法分干涉仪法和非干涉仪法。是近二三十年来发展较多的检测方法。采用 光学方法来检测光激发的声脉冲，不仅非接触，试样还可放在距离任何光学元件1 m 以外的地方，因此，非常适合于运动试样的检测。 激发激光超声通常是宽带激发，如要充分反映激光激发超声的技术优点，自然 需要带宽很大的接收系统。非接触式加上大带宽的检测系统，有相当广泛的应用前 景。 参考镜 晶 图5 1 1 零拍干涉仪基本结构图图5 1 2 简单外差干涉仪装置图 干涉法测量是基于声表面波在表面传播或到达表面时声波的位移引起光束的相 位或频率调制来实现，利用光的干涉原理，用干涉条纹来反应被测量，这些光学法 分别可以测量声波引起的表面位移( 垂直于表面或平行于表面的分量) 、表面梯度、 表面曲率和表面速度( 对声表面波而言) 或表面密度( 对体声波而言) 的变化。这 硕t ：论文声表面波的光激发和光检测 种传感器应用较多，发展较早，有迈克尔逊干涉型，双光纤外差干涉型，马赫曾德 干涉型，f - p 干涉型o “，测量灵敏度比较高，但系统复杂，要求有两根光纤：信号光 纤和参考光纤，光路调整麻烦，受光源相干长度的限制，而且成本昂贵。最近发展 起来模间干涉型光纤传感器，光路简单，缺点在于信号处理电路复杂，要求在多种信 号中选出所需的信号。图5 1 1 和5 1 2 给出了两种干涉法测超声的原理图。 2 】 非干涉仪法是利用超声到达样品表面或沿样品表面传播时，样品表面的形状或 反射率的改变，导致反射光的位置或强度变化来实现。有光偏转技术( 又称位置敏 感器技术) ，光反射技术和光衍射( 光栅) 技术等。 f 1 1 表面栅衍射技术 表面栅衍射技术是把声表面波的位移作为电场振幅来检测。简单原理如图5 1 3 。 一束有一定宽度的的光束，通常要求有几个声波长宽，垂直投射到受声扰动的表面 上。声扰动有连续的也有调频脉冲，声扰动使表面形成光栅，出现一级或多级衍射 光分布在零级光的一侧或两侧。衍射光的传播方向与声波长乃和光波长 有关，” 是衍射光的级数，当光束的入射角为玩时，则： s i n 眈= s i n o o n a , 屯( 5 1 1 ) 图5 1 3 表面栅衍射技术原理图 一般在相当高的声频率时，瓯也很小。例如沿铝样品表面传播频率为1 0 m h z 的声表面波，波长为2 8 0 u n ，光束的波长为o 6 3 2 8 ，删，则第一级衍射束角为o 1 。量 级，这达到了能用来测量第一级和零级衍射光的相对强度的量级。当声振幅比光波 长小得多时，第一级和零级衍射光的相对强度为： 争= 阢( 吒“) 】2( 5 1 2 ) 0 ( 吒“) 】是第一类一阶b e s s e l 函数，“是峰值表面位移 硕十论文声表面波的光激发和光检测 用这种方法测量声讯号要求事先知道材料的声波的频率和速度。这个方法己用 于对声表面波器件的测量，其缺点是效率低，且要求光学表面。 ( 2 ) 光反射技术心” 这也是一种非干涉检测方法，又叫压力反射法。当超声在样品中传播时，超声 应力或应力使表面附近的光折射率产生微小的变化，因而会引起光的镜面或弥散反 射率的变化，其反射系数的振幅为： ：掣 ( 5 1 3 ) 式中，”和k 。是复振幅系数的实部和虚部 品表面的声致反射率变化为： 欲= 驴( z ) 玑，( z ，t ) d z 它们均是样品局部应变的函数。样 ( 5 1 4 ) 他鼹s t n 等一卟羔c o s 等一m p 增 ， 矧地业禚鲁铲 ， t a l l 巾：攀嬲 ( 5 1 7 ) n ( + t ：一1 ) 7 式中，z 是声波的传播方向，r h ，= r 。是在时间，和位置z 处的应变。c 是光速， 孝是光吸收长度。5 = p = _ _ ，国是光角频率。，( z ) 叫敏感函数，决定了在样 品表面下不同深度处的应变对反射率变化的贡献。皮秒激光激发超声，压力反射接 收原理如图514 。 换能* 虞 样品 基片 金 榉晶 坝i 论文声表血坡的光激发和光榆测 压反效应的强度与样品的类型和光学性能密切相关，已经报告的反射率变化为 1 0 “至1 0 一，这技术已经用于皮秒分辨率的p s 光在薄膜中产! 卜的回声的检测。 用这种泵束探针束方法检测透明材料的激光超声时，样品表面要涂上一薄层光吸 收膜。当光在膜中吸收深度小于膜厚时，a 尺与上文所描述的情况相同。如光在膜中 的吸收深度薄膜厚大。或是在样品底部全被吸收时，泵束探针法就变为干涉检测，称 为皮秒干涉仪。是皮秒光干涉技术的示意图，这时检测到的光反射率的变化尺( f ) 是 振荡波形，对某个频率分量的反射率变化为： a r ( t ) = 2 刀i 口r he x p ( 一i c o kt ) e x p ( 一九f j + 。 ( 5 1 8 ) 式中t 。= 2 k c o s 0 ，是声子的波矢大小，k 是光在材料中的波矢大小，口是探针束 的波矢与样品表面间的夹角。a 7 是与应变与相对折射率关系成比例的系数，r k 是波 矢量k 。的应变分量。 这两种方法已经用来检测薄膜样品的声速，声衰减以及微结构。图5 1 4 给出了 超声检测系统的示意图。 5 2 光偏转法 光偏转技术是最近发展较快，应用较多的技术，属于光学检测法中的非干涉法， 由这种技术发展起来的光探针具有很大的灵活性，能响应很高的频率，同时比起干涉 法，装置要简单实用的多。 下面介绍光偏转技术中的刀刃法。 最早由a d l e r 用来再现表面声波，对均匀分布光截面和高斯光束分布都有了计 算表达式。刀口法应用很多，南京大学按此原理设计了多种脉冲光声声谱仪“” 图5 2 1 ( a ) 刀口法测超声技术原理图( a ) 刀口和坐标 刀刃技术的简单原理如图5 2 1 所示。1 。 颤i 论文声表画波的光激发和光榆测 一束直径为d 的激光束被焦距为f l 的透镜l t 聚焦至一受声扰动的表面上。受声 扰动的表面上有因连续波传播引起的波纹，因脉冲波影响而引起的局部倾斜( 隆起) 。 当入射于表面的探测光斑的尺寸比要检测的最短声波长小时，由声扰动导致的表 面倾斜会使反射光偏转。偏转了的反射光束携带着声脉冲的信息，通过焦距为f 2 的 聚焦透镜l 2 ，一半被刀刃挡住，另半被透镜l 3 聚焦至光电二极管上，或者由透镜 l z 聚焦至四象限的位置敏感器上进行检测。 设样品受扰动后的表面倾斜度为q ，波以垂直刀刃的方向传到刀刃，坐标x , y 轴分别垂直和平行于刀刃。设投射到传感器上的光强是高斯分布的。 m ，y ) ：( 粤) 1 犀e x p f 箬f ( 5 2 1 ) 式中a o 是光电磁场的振幅，d 是反射光束直径。d = ( f 2 f ) l d 当偏转0 很小时 光电二极管的输出电流为 s g - - - - - 橱2 吃 式中r l 为光电检测器的转换效率，单位是a w 。 p i = a 0 2 是入射束光束的能量 设频率为q 。的声表面波沿y 轴方向传播，位移为 “= ”oc o s ( f 2 。卜一k o x ) 式中k 。为声传播常数，u o 为声振幅，当表面倾斜度即0 很小时 口= 譬：屯s i n ( f 2 。卜吒x ) t d x 平均角度 = t 。如，压= 压佻，厶， 则光电管输出电流与声波的关系为 妒仍。q 烈詈 铲纪4 石喜等 当声波为宽脉冲波时光偏转技术的信噪比受散粒噪声( s h o tn o i s e ) 所限制 姗= 志( 锁刳2 只 ( 5 2 3 ) ( 5 2 4 ) ( 5 2 5 ) ( 5 2 6 ) ( 5 2 7 ) ( 5 2 8 ) 倾i j 论文声表面波的光激发和光榆测 式中b 是声频带宽，u 是光子频率。令s n r = l 其最小可检测振幅为 ：掣f 辈j(52umin 9 ) 。百【雨j v 叫 当b = i m h z , r = o 4 a w , d = i 5 m m ，e l = 1 0 0 m m ，毋= l m w , 以= 2 8 m m 时，“。i 。= 1 3 n m ，其它 条件相同，b = 1 0 0 k h z 时，l t m i n = 1 3 0 n m 可以看出毋， ，口增加，”。i 。下降，而如下降， s n r 增加。 另一种光偏转技术是1 9 9 5 年由b a w i l l i a m s 和r j d e w h u r s t 提出的差分光纤束 探测器。“ 其原理如图5 2 2 所示。用一个调q n d y a g 激光器作为激发源，输出波长为1 0 6 um ，功率为5 2 m j ，脉宽为2 5 n s 的激光脉冲。用一个焦距为2 0 0 m m 的柱面透镜将 此脉冲聚焦成线光源，通过改变透镜与样品之间的距离，产生超声的机制也会在热弹 性或是熔融之间变化。 h e - n e 激光器输出功率为5 m w 的探测光束经过一个光束耦合系统耦合进一根单 模光纤。用一个校直镜将光束导入一个口径为2 0 m m 的显微镜物镜，再进入光纤的一 端。通过调节精确的x ，y ，z 三维位移平台，可以改变耦合进光纤的光的强度，在这 个平台上用磁夹子央住光纤。为了聚焦从光纤出来的光束，用由焦距为3 5 c m 的平凸 透镜组成的栅距为九4 的透镜组调整输出光束，并将其聚焦到样品表面。 p 图5 2 2 光纤束测超声实验装置简图 在此用反射信号的差分光探测方案。这种方案能降低共模噪声，同时提高探测光 束的强度起伏。反射光束被耦合进由3 2 根光纤组成的光纤包。这些光纤分为两束， 每束1 6 根，将光导入两个高速p i n 光探测器p d l 和p d 2 。任何一个通道中的探测光 束的移动，都会导致光强的变化，可以在光纤束顶端用差分光探测器探测这种变化。 光纤束的使用能避免刀口法严格的几何限制，同时保留差分光探测的优点。用一个 硕 ：论文声表面波的光激发和光榆测 4 0 d b 有3 0 m h z 带宽的模拟前置放大器放大来自两个光探测器的不同信号。用一个有 5 0 m h z 带宽的t e k t r o n i x 数字示波器记录信号。并将获得的波形数据输入计算机。 5 3 单光纤探测法 在此提出一种新的光学检测手段基于光纤耦合的反射式光束偏转法。具有光 束偏转法的共同特点，都是利用探测光束的偏转来反应声表面波信息，和前两种光偏 转法一样，也是利用在固体表面的反射光，但敏感元件和接收原理完全不同。 实验装置如图所示 图5 3 1光致超声的单光纤探测实验装置简图 瑞利波是由n d ：y a g 激光器脉冲来激发，波长1 0 6 l lm ，脉宽3 0 n s ，单脉冲的 能量可以达到7 0 m j ，激光脉冲被一个柱面镜( 焦距5 0 m m ) ，聚焦在一个长1 0 m m 宽 l oum 的狭带上此时激光的功率密度达到了1 0 8 w e m 2 量级。瑞利波和体波都被激发 出来。瑞利波在垂直于狭带的方向上传播占绝对优势。”。 实验触发信号由光电二极管( 上升时间1 0 0 p s ) 获取激光反射光来实现。探测光 束由半导体激光器( 波长0 6 7 l a i n 功率5 m w ) 发出。 探测光束由一个透镜聚焦到靶材表面。其反射光再由一个显微物镜会聚。在其焦 平面附近放置五维光纤微调架( 精度0 1um ) ，以便调节单模光纤对反射光进行耦合。 从光纤输出的光进入光电倍增管( 上升时间2 n s ) ，转化为电信号，再输入数字式双通道 示波器( t e k t r o n i xt h s 7 3 0 a 1 g s s ) 。信号被采样点并存入计算机。 当瑞利波脉冲在靶材表面传播时，会产生微小的表面形变，如图3 4 3 1 ( a ) 所示因 为靶材的反射率很高，所以可以认为光束发生镜面反射。如果设表面形变的倾斜角为 0 ，那麽光束反射时，偏移原路径的角度即为2 0 。 坝i 。论文声表面被的光激发和光榆测 ( a ) i 1 k 叫、 i 、 一 古纠一 图5 3 2 单光纤法测超声原理图 ( a ) 光束的入射及反射 ( b ) 耦合横截面图 ( b ) 相应的，反射光束经显微物镜聚焦后所成的光斑。偏移的距离可以用下式表示 万= 2 2 目 探测光束的聚焦光斑的半径，可以由下式给出 r = ( 荆 ( 5 3 1 ) ( 5 3 2 ) 是光束束腰的半径，_ ，f 2 分别是三，：的焦距。这罩，。= 2 m m i ，z = 5 0m m ， 五= 4 m m ，那麽尺= 0 1 6 m m ，而光纤芯径的半径r = 4 朋，所以有r l 探测激光光束的光强服从g a u s s i a n 分布 h o e x ( - 挈) 厶是光束光强的最大值，a 为常数 如图所示，光纤耦合的光通量由下给出 。_ ：- - ( h - o 2 ( _ 竿卜孝 ( 5 3 3 ) ( 5 3 4 ) 堡! ! 笙苎主查堕丝竺堂堂丝塑垄堡型 这早，口是聚焦光斑的中心到光纤中心的距离，光纤的耦合通量随表面形变而发生 改变，因为r r ，所以可做下面的近似： o e x 一 _ s , , = 中o e x p 一呜叫 s s ， jl r a l e 图5 3 3 偏转角0 对光纤耦合光通量的影响 所以和0 之间的相应关系可看作服从高斯函数，如图3 4 3 2 所示，为了有最佳 的近似线性效果，首先应调节光纤使耦合光通量初值为最大值的一半( 这可以通过观 察示波器直流信号的输出实现) 。如图3 4 3 2 ，把工作点取在曲线上的a 点。工作区 在点a 附近很小的区域。取a 点的导数作为线性系数。这样，方程可以简化为： 中：! ：婴1 2 尘! 笪22 f5 3 6 ) a 于是，这样通过对光通量变化的测量，很容易的确定倾斜角。而光通量的变化转 化为交流电信号 u = 玎4 妒= 叩二学 n 是转化因子( 单位v w ) 5 4 实验结果 实验中使用了抛光铝材作为靶材。在不同的探测距离处测得了表面波波形。 图5 4 1 是在d = 1 1 5 m m ( d 为探测距离，也就是激发源中心到信号光束反射点之 间的距离) 时所测得的声表面波波形，减小探测距离，得到图5 4 2 - 5 4 5 。从图中可 以看出，第一个脉冲为触发脉冲，第二个脉冲即为双极性声表面波波形，在有些图中 还存在第三个脉冲，第三个脉冲为铝靶表面产生的等离子体激波脉冲。瑞利波出现的 时间符合它在铝靶中的速度( 2 9 4 0 m s ) 。 硕i 论史 声表面波的光激发和光榆测 之 出 御 时问s 图5 4 1 探测距离d = 1 1 5 r a m 处的声表面波波形图 时删s 图5 4 2 探测距离d = l o 5 r a m 处的声表面波波形图 坝i 论史声表由波的光激发和光榆测 时间s 图5 4 3 探测距离d = 9 o m m 处的声表面波波形图 时间s 图5 4 4 探测距离d = 7 5 m m 处的声表面波波形图 a ，出卸 硕i 。论立 声表面波的光激发和光榆测 州 ；0 0 0 5 00 1 0 - 00 1 5 - 00 2 0 0 1 3 0 0 1 ) 0 00 删l00 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 30 0 0 0 0 0 400 c 0 0 0 5 时间i s 图5 4 5 探测距离d = 6 0 m m 处的声表面波波形图 从上面获得的波形可以看出，随着探测距离的缩小，瑞利波的信噪比有增大的趋 势，并且激发光源的强度改变，对于超声的产生来说，影响不是很大。瑞利波的激发 机制前面已经讨论过。这里我们没有使用吸收涂覆层，而且激发源的功率密度已达到 了1 0 8 w c m 2 。其激发方式可以用融蚀模型来解释。波形的幅度和倾斜角成f 比，也 即和靶材表面的位移梯度成j 下比。在别的情况下，例如，别人用换能器测的是表面质 点的速度。我们测得的波形和s c a l a 的工作符合的很好。” 此外，在实验中还采用了硅片作为靶材由于其厚度适合于产生板波，所以在实验 中探测到其相应的波形。如图所示。 00 20 、10 。 图5 4 6 5 5 与其他方法的比较 将单光纤测试法和前面给出的两种光偏转法：刀口法和光纤束法进行比较。 吣 叫 u口j=口g日 堡! ! 堡苎主查堡丝竺垄堂丝塑堂笪型一 三种方法都是光学检测方法，都是利用探测光的强度变化来反映超声波。它们有 着光学检测方法的共同优点，那就是可以实现非接触测量，并且相对于干涉等方法来 说，结构简单，易于调节，可以应用于瑞利波的测量和观察可以得到很好的波形。 而两种光纤探测法相对于刀口法来说，光信号在转换为电信号前，是由光纤进行 传输，在某些场合，可实现遥测。而刀1 3 法则不可，因为探测光束实际上是发散光束， 而不是平行光束，距离太远会导致探测光强迅速下降而影响探测。并且刀v i 法在刀1 5 1 边缘会产生衍射，也会影响检测。光纤探测法因为光纤具有可绕性，所以不受空间限 制；而刀口法则受空间的限制。采用光纤做传输介质，受电磁干扰小，与刀1 3 法相比， 受环境的影响较小。 差分光纤法和刀1 2 1 法的优点是采用了差分结构，能消除共模噪声，因此有较高的 分辨率，这是另两种方法所不具备的；而单光纤法相对于另两种方法来说，灵敏度最 高，可以达到很高的频响：刀1 3 法和单光纤法的线性度较好，这一点可以从( 5 2 2 ) 式 和式( 5 3 7 ) 0 0 可以看出，虽然这是经近似到的式子。而光纤束法的耦合情况复杂含糊， 难以定量表述。 这三种方法的共同缺点是对低频超声的灵敏度低。如果所激发的超声频率太低， 则超声波的波长就较长，当波长远大于探测光斑的尺寸时，超声所引起的样品表面起 伏就对探测光斑影响较小，因此就很难探测到超声。并且这三种方法都对样品的要求 较高，样品表面必须是镜面反射，如果散射太严重，则无法探测。三种方法都抗振动 较差，这也是光学方法的不足之一。归纳如表5 5 1 表5 5 1 三种光偏转超声探测方法的比较 刀口法光纤束法单光纤法 信噪比较高 较高很高 线性度较好较差较好 分辨率较高 较高稍差 结构最简单 其他非光纤传感器 结构简单 易于集成化 改进单光纤法还有很多工作可以做： 首先如果作为光源的半导体激光功率能够更大( 实验中只有5 r o w ) ，并且保持其 稳定度，那信噪比将有大幅提高； 改善信号光在固体表面的聚焦，如采用发散角更小的信号光以及调整聚焦用透 镜，得到更小的聚焦光点，可以提高测试的分辨率； 在超声探测领域，越来越多的采用光纤传感器作为检测手段。”，这也超声探 倾 。论文声表面波的光激发和光榆测 测的一个发展方向，因为光纤传感器具有诸多优点： ( 1 ) 光纤是无源器件，对被测对象没有影响： ( 2 ) 光波束在光纤中传播，抗电磁，化学干扰能力强； ( 3 1 适用于远距离，恶劣，内窥条件下的传输； ( 4 ) 频带范围很宽，动念范围很大； ( 5 ) 利于实现整体集成的优点，是现代传感器的发展方向； 光纤传感器在以后的发展方向是全光纤小型化，使传感头全由光纤构成且只用t + 根光纤已成为发展趋势，体积小，工作可靠。所以这罩的单光纤法具有进一步发展的 潜力。 硕l j 论立 声表面波的光激发和光榆测 6 结论 1 本文概述了激光超声的发展，以及它相对于传统方法的优点和缺点，在其中 重点讨论了声表面波的激发； 2 从固体的弹性性质出发，给出了适用于各向同性体的波动方程，并以此为基础， 针对声表面波的性质进行了讨论，可以看出它是在固体表面成椭圆偏振的传播， 并且振幅随离表面的距离而迅速衰减； 3 讨论了声表面波的激光激发模型，针对激发的光功率密度有两种最重要的两种模 型：热弹模型和融蚀模型，目前不同的理论发展了很多，对于热弹，讨论了从力 源等效而发展出来的线源解法，另外还有比较重要的格林函数法，是从点源进行 讨论的，进一步可以考虑源的空间分布。事实上还有本征函数法等的应用，因为 牵扯到的领域较多，实验条件的复杂，导致这些理论会一直发展下去；对于融蚀 模型，目前只有等效力源发法用的较多，从物理过程出发的完备的解法还是在探 索中，只有不够成熟的理论，相信以后会有相应的突破； 4 介绍了声表面波的各种检测手段，包括声电换能器和近年发展起来的光学方法， 并且提出了一种新的光偏转检测法，是基于光纤的光耦合原理，实验中得到了比 较好的脉冲波形，具有高的信噪比，因为其基本原理同刀口法，所以响应频率可 以很高，但是由于实验中激发条件的限制，不能给出更高的频响结果。 以后的工作展望： 1 理论上主要是融蚀模型的不成熟，如果能考虑光学击穿的过程，包括等离子 体的产生和发展，给出基于物理过程的解析方法，才是比较完善的； 2 实验上最好能增强实验装置的稳定性 表面做更小的聚焦，可以提高信噪比 低共模噪声，也需要完善。 通过提高信号光的功率和稳定性，在固体 另外，由于本装置没有实现差动，不能降 硕i ：论文声表面波的光激发和光榆测 致谢 在就读研究生的三年期阳j ，我得到了导师陆建教授，倪晓武教授的诸多关怀和指 导。两位老师深厚的学术背景，宽广的知识视野，敏锐的观察力给我留下了深刻的印 象，得益于老师之处很多。同课题组的陈建平博士，沈中华博士后在课题的实验和理 论方面给予了很大的帮助，如果没有他们的帮助，这篇论文的完成是不可能的。在平 时的探讨中，本系的卞保民老师，李振华老师给予了我很多启发和指导。非常感谢他 们的热心。 周围的同学给我了一个好的探讨和学习气氛，他们给了我很多帮助，和他们在 一起是幸运的。特别是邵华，焦方祥，纪运景，冯刚