激光激发超声赵秋玉

1、激光超声技术 赵秋玉2015.9.30激光激发超声技术激光激发超声波激光接收超声波关键技术激光激发超声波原理是由于脉冲激光直接与介质表面相互作用，一部分光能被物质吸收，另一部分被反射。以固体物质为例，利用吸收的光能量与物体表面能的瞬时热作用，在固体表面产生热应力区，从而在物体内部产生应力波，即超声波。声波与物质相互作用时，声速及声波的能量会变化。通过对声速和声波衰减的测量，可以确定物质的一些基本物理参数，是研究物质结构及特性的方法之一。激光超声的产生超声检测热弹性机制激光激发超声直接式（激光直接与材料相互作用）间接式（利用被测材料周围其他介质作为中介来产生超声波）烧蚀机制热弹性机制当入射光的功

2、率密度较低时，材料表层由于吸收光能导致局部升温，引起膨胀从而产生切向压力，同时激发出横波、纵波、表面波。烧蚀机制当入射光功率密度逐渐升高，材料表面瞬态升温将逐步导致材料熔化、汽化和形成等离子体。一小部分表面物质被喷射出来，从而给样品表面施加一个非常高的反作用力，导致声波的产生。1、无损（激发功率密度低，未导致材料任何相变）1、0.3 微米深度损伤2、激发效率高，比热弹性机制高四个数量级3、通常用来产生超声纵波特点热弹性机制烧蚀机制2、效率低（光能转化为热能的效率低，大部分被反射）脉冲激光激发的超声脉冲的脉宽比激光脉宽略宽些，由于激光脉宽可达ns，ps甚至fs量级，因而所激发的超声也非常窄，也就

3、是频带很宽。这样就具备了很高的时间和空间频率。1、非接触2、波形丰富3、超声波频率宽4、检测次表面缺陷能力强激光超声技术优点：激光接收超声波超声检测方法电学方法（借助换能器如PZT,ESAT,EMAT）（接触或接近试样、灵敏度高） 光学方法（非接触、远距离、适应恶劣环境）干涉法非干涉法线性干涉非线性干涉光偏转光反射零差差分共焦F-P相位共轭二波混频光感生电动势探测光束照射到样品表面，当光束直径小于超声波长时，反射检测光束由于表面的波动而发生偏转。偏转值与超声波振幅及性质有关。（可检测表面波体波传播情况，检测样品内部结构和缺陷，要求试样镜面反射若是漫反射则灵敏度下降。）非干涉法检测（光束偏转法）

4、将试样表面直接作为迈克尔逊干涉仪测量臂中的反射镜，聚焦的激光束照射到试样表面，被表面反射的光束携带了超声振动的信息，与由光源分离出来的参考光束发生干涉，两光束干涉光强与试样表面位移有关，通过检测其相位可确定样品的振动位移，该系统称为零差干涉仪。干涉法检测（线性位移型）若在其一臂中插入Bragg声光调制器，使其一路光束产生频移，即构成光外差干涉仪。主要检测法向位移基于振动表面反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超声波信号的调制，再由共焦球面法布里珀罗干涉仪解调，将频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号干涉法检测（线性速度型）实现试样表面法向和切向位移同时测量由试样表面反射的信号光束与参

5、考光束在一些非线性光学晶体(如BS0等)内相干形成干涉条纹，此干涉条纹因晶体的光折变效应而被以折射率调制的方式记录在晶体中，形成动态光栅结构，参考光束通过该光栅而衍射为波前“畸变”的参考光束，并与“畸变”的信号光束相干涉，则超声波所引起的振动将被以光强度的形式解调出来，从而达到测量试样表面振动的目的干涉法检测（非线性）缺点：在光栅形成和读取等过程，其响应速度不够快。检测激光束入射到一粗糙试样表面，反射光的波前由于表面散射而畸变，畸变的反射波前再经一相位共轭镜反射而成为有共轭相位的畸变波前，当此光束再入射到反射区时，畸变的相位得到补偿而“复原”，这样它与原入射波前相干涉，就可获得试样表面的振动信

6、息。干涉法检测（非线性）光感生电动势干涉仪利用像GaAs这类晶体的非线性，这类晶体能形成和贮存一个内电场，这个内电场的分布与入射光束的空间强度分布相对应。当空间光强分布作横向移动时，贮存的空间电荷场会激发一时变的电流输出，所以，它不需要外加的光电探测器。干涉法检测（非线性）如图它可像普通的半导体器件一样进行集成，有较高的截止频率，且由于省略了光栅形成、读取等过程，其响应速度大大提高，是一种极有应用前景的激光超声干涉检测方法。无损检测，损检测，如热轧钢管壁厚的在线检测，工件的焊缝检测，飞机引擎、机翼等飞机组合部件以及为核设施中的关键零部件的早期失效所产生的微裂纹的实时检测提供有效的检验手段。激光

7、超声检测技术可对材料的力学特性、工件的表面残余应力分布、汽车喷漆的厚度等进行非接触的在线检测，大大地提高了工业生产的效率。对于各向同性材料，利用激光超声技术测量材料的纵波和表面波声速，就町得到材料相应的弹性常数。生物组织光声成像方法是光学与声学技术的结合，既以组织的光学吸收为基础，又取决于组织的声学参数差异，成像兼具高对比度和高分辨率的优点；此外，其穿透距离更深，有望对深层组织成像无损检测无损检测材料评价材料评价生物生物组织组织光光声成像声成像激光超声的典型应用Application of Laser ultrasonic我们的方案光束 a入射 到 表 面 具有 较 高 光 反 射 率 的 平

8、 面结 构 材料 A B 上 的 o点 ，则o点 的反 射 光 束 为 ob方 向。 而 当 A B 面 上有 表面 波传播 时 ，反射 面 变 成了 曲面结构 导致 了 反 射 光 束偏 离 了 原 反 射 方 向 而变 向到 oc方 向 。 表面 波在 固体 表面传 播形 成 了对 该材 料的扰 动 ，且一 般 具有几 十 nm 的 表 面位 移 。我们 从 探 测 表 面波引 起的 表面微位移 出发 ，假设有 一束 光照 射到表面波传 播的材料表面， 由于表面波引起 的扰动是 一个时 间连续 变量 ， 则在特定 方 向上 的反 射光通 量 随时 发生变化 反 过 来该 光通量 变 化刚

9、好对 应表 面波的传播 。 原理 如 图 所 示 。我们的方案基 于 该光 反 射 原 理 。设 计 了 斐 索光纤 干涉 仪 。 光纤1 经过 一个 一分 二光纤 耦 合 器 (3 dB ) 分 为两 路 一路 3 作 为探 头靠 近样 品表 面预探 测点 用 以探测 表面 波 另 一路 2 )则在 端 点 处 连 接 P in 管 进 行 光 电转换 。 由于 光纤 3 在 其光 出射端 同样 品之 问有 一段 空气介 质 则根据 菲 涅耳反 射 定律将 有 一部分 光e 在该 分 界 面上 反 射 回去 同 时 其余 部 分 出射 的光经 样 品反射 后有 一部 分 f 回到光 纤 中 。 两束 反射 光 e 、f在 光纤 内 部发 生 f 涉 ， 该干涉 光 信号 经 过3 dB 耦合 器后 ，经 光纤 2 最终经 过 P in 管进 行 光