激光超声无损检测技术研究毕业设计

1、激光超声无损检测技术研究毕业设计 激光超声无损检测技术研究摘 要 激光超声检测技术是利用激光脉冲照射样品外表,激发出超声波,并利用光学方法对超声波进行检测,从而实现对样品进行无损检测的一种方法。它随着现代科技和工业的开展,应用范围也越来越广。传统的无损检测方法有其局限性,在温度、压力较大或者具有放射性或腐蚀性的环境下就不能完全满足要求。而激光超声检测技术由于能够在短时间内不接触物体进行激光鼓励,所以,适合于环境复杂的检测环境,并具有极强的抗干扰能力。所以,激光超声技术在材料缺陷和性能的无损检测中发挥了超声检测的优势,其应用广泛。 本文首先对激光超声技术进行了阐述,并介绍了激光超声检测系统的组成

2、,及各个局部的具体情况。然后,着重介绍了激光鼓励超声波的根本概念,包括波长,横波,纵波,声外表波,超声波,并举例了烧蚀效应作用下纵波、横波、平面波的波形示意图。另外介绍了常用激光器。 在此根底上,本文介绍了激光产生超声波的机理,着重介绍了热弹激发机理和烧蚀激发机理,并通过对热弹激发机理的温度场和应力场的分析,介绍了激光超声位移场理论。 本文进一步讲述了激光超声检测技术,着重讲了光偏转法中常见的刀口法、光干预检测方法中的自差干预以及外差干预的原理和方法,并简要介绍了其他方法。 最后,介绍了激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题。 关键字:激光超声,无损检测,激光超声检测技术 Laser

3、 ultrasonic nondestructive testing technology researchAbstract The laser-induced ultrasonic technique,which is based on the generation of ultrasonic by a laser and detection of stress wave with laser interferometry, and is an ideal combination of laser and ultrasonic for nondestructive testing, has

4、also the advantage of noncontact, and has become very important in the nondestructive testing fields. The traditional nondestructive testing method has its limitations, which cannot completely meet the requirements in the large temperature, large pressure, radioactive or corrosive environment. Becau

5、se the laser ultrasonic testing technology can not contact body for laser incentive in a short time, so it is suitable for complex testing environment, and has a strong anti-interference ability. Therefore, in material defects and properties of the nondestructive testing,laser ultrasound technology

6、play the advantage of ultrasonic testing. This paper first describes the laser ultrasonic technique, and introduces the composition of the laser ultrasonic detection system, and various parts of the specific situation. Then focuses on the basic concept of ultrasonic laser incentive, including wavele

7、ngth, transverse wave, longitudinal wave, surface acoustic wave, ultrasound wave, and an example of a waveform diagram of the ablation effect under longitudinal wave, transverse wave, plane wave. In addition it also introduces the common laser. On this basis, the article describes the mechanism of l

8、aser generated ultrasound, Mainly introduces hot play stimulate mechanism and Ablation stimulate mechanism, and by the temperature and stress field analysis of the hot play stimulate mechanism, introduced the laser ultrasonic displacement field theory. The paper further describes a laser ultrasonic

9、detection technology, mainly about the light deflection method in common blade method,the Principle and method of interference from poor and heterodyne interference in the light of interference detection method, and briefly introduces the other methods. Finally, this paper introduces the specific ap

10、plication and the existing problems ofthe laser ultrasound technology in nondestructive testing.Keywords: laser ultrasound, nondestructive testing, laser ultrasonic detection technology目 录1 绪论11.1本文的研究背景与意义11.2激光超声技术的开展情况21.3激光超声技术的研究现状31.3.1激光鼓励技术31.3.2检测技术31.3.3总体应用31.4本文的主要内容42 激光超声理论52.1激光超声概述52

11、.2激光鼓励超声波的根本概念52.2.1 波长52.2.2 纵波(P波)52.2.3 横波52.2.4波面62.2.5超声波62.2.6 举例62.3 激光器72.4 激光产生超声的机理82.4.1 热弹机制82.4.2烧蚀激发机理162.4.3其他激发机理173激光超声检测技术183.1非干预检测技术183.1.1刀刃检测技术183.1.2外表栅格衍射技术213.1.3反射率检测技术223.2 干预检测技术223.2.1 线性干预检测技术223.2.2非线性干预检测技术284 激光超声技术在无损检测邻域的具体应用及存在的问题294.1应用概况294.1.1 高精度的无损检测294.1.2 恶

12、劣环境下的材料特性测量294.1.3 材料特性的检测294.1.4薄膜、复合材料检测,以及材料高温特性等的研究304.1.5快速超声扫描成像304.2存在的问题304.2.1 光声能量转换效率低的问题314.2.2激光超声信号检测灵敏度问题31参 考 文 献32致谢351 引言 激光超声是一种新型无损检测方法,早期受激光器件与相关学科开展的限制,自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点后,未到达人们预想的应用效果。20世纪末至今,随着激光、电子、计算机和相关学科的开展,经过近十年的技术积累,激光超声已从方法探索步人技术研究与开发应用阶段,是传统超声检测技术的进一步开展。激光超声利用高能激光

13、脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波穿透波或发射波,具有非接触、远距离探测、频带宽及检测可达性好等优点,尤其适用于一些恶劣环境,如高温、腐蚀、辐射及具有较快运动速度的被检件123456。 在工业高度兴旺的今天,无损检测技术是不可或缺的。如对钢材、铝材、复合材料、工业陶瓷等常常需要做无损检测和评价,对核电站的高压容器、航天飞机的构件必须常期地进行无损监视。由于超声波具有波长短,方向性强,遇障碍物产生衍射和散射等特点,超声检测技术一直是对材料进行无损检测.特性研究和结构分析的长盛不衰的方法。此外,在医学诊断、地质勘探、建筑工程等方面,超声检测也有着广泛的应用。目前,在无损检测手段包括射线法、电磁

14、法)中,超声波方法占50%以上。激光超声学是超声学与激光技术相结合丽形成的新兴交叉学科,涉及光学、声学、电学、,材料学等学科,近年来已开展成为超声学的一个重要分支7。超声应用技术在近几十年来得到了长足开展,并广泛地应用于物理、化学、微电子学、外表科学、材料科学、环境科学以及生物医学等诸多领域89。激光超声源能同时激发纵波、横波、外表波以及各种导波,在时间上具有与冲击函数t和阶跃函数Ht很相似的特性。而且,激光超声的产生不仅与激光脉冲的时间和空间特性有关,还与材料本身的光学、热学、力学等特性有关。因此,激光超声技术在超声传播特性研究和材料无损评估方面有着非常广阔的应用前景。 激光超声技术具体具有

15、以下优点: 1非接触:激光超声信号通过激光脉冲鼓励产生.又通过光学方法检测,实现了完全意义上的非接触。发射源到被测物之间的距离可以到达10m,能够在高温、高压、有毒或放射性等恶劣条件下迸行远距离无损检测。 2宽带:激光超声在时间和空间上都具有极高的分辨率,超声的脉冲宽度可达,频率可达GHz,而相应的波长只有几um,这就大大提高了探测微小缺陷的能力和测量的精度,非常适合超薄材料的检测和物质微结构的研究。 3实时在线:由于激光超声的激发和检测都是在瞬间完成的,能够实现快速实时检测,是工业上定位、在线监测、快速超声扫描成像的极好手段。 4适用面广:激光激发超声现象在固体,液体和气体中均存在,而且对样

16、品的形状根本没有限制,使得激光超声技术有着很广泛的应有领域。目前,激光超声技术已被广泛应用于材料的缺陷探测和定位,内部损伤过程监测,断裂机理研究等工程领域中。特别是对固体材料的力学和热学性质研究,以及对具有生物活性的化学和生物物质的光化学反响动力学和热力学的研究,更显示出激光超声技术具有其它检测技术难以替代的优越性。 可以相信,随着科学技术,尤其是激光技术的开展,激光超声学将在理论、技术和应用研究等各方丽取得新的突破.它的应用前景也会更加广阔。因此,研究激光超声无损检测技术不仅有理论方面的意义,还有实际应用上的意义。 激光超声技术的研究始于1962年。当时.White和Askaryan分别论证

17、了用脉冲激光束在固体和液体中激发声波的方法。紧接着,Ramsden,Bunkiny和Stegman观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的燃烧波,会随时间和距离的增加而衰变成声波。之后,对固体、液体和气体媒质中激光超声激发的研究均有了很大的开展。 1976年,Bondarenko等首先把激光超声用于材料检测。他们用调Q红宝石激光器激发超声,用带宽为5kHz至150MHz,位移灵敏度为l0?9nm的干预仪检测激光超声,并对不锈钢板的人工缺陷进行了检测。之后,Hutehins和Nedeou等用Nd:YAG和带宽为45MHz,位移灵敏度为lnm的干预仪进行了外表缺陷的实验。 1979年,Le

18、dbetter等最先同时检测到一次激发产生的纵波,横波和外表波。 1980和1982年,Seruby和Dewhurst等对激光在金属中产生的超声波形进行了定量测量,并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现象,用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象710,为激光超声的应用找术打下了根底。 20世纪80年代中期.加拿大人J.P.Monehalin提出了用球面共焦Fabry-Perot干预仪探测超声振动?超声测厚技术,首次实现了在1m远处对未抛光的钢板进行激光超声的实验,向实用化迈出了一大步10。等进行了一系列的理论和应用研究工作。 近几年,激光超声机理和技术的研究有了更大开展,在激光超声信号

19、的激发、接收、传播理论,以及应用等方面取得很大进展11。 利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。直接式是使用激光与被测材料直接作用,通过热弹性效应或融蚀效应作用等激光发出超声波;间接式那么是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。现在用于生成超声波的激光器使用的最多是:Nd:YAG激光器,使用脉冲激光器的比较多,如TEA-CO2脉冲激光器被用于在液体中产生声脉冲12。近年来又展开了激光超声源在时间和空间分布调制技术的研究,使激光的超声信号成为窄带或线性调频信号,以便采用窄带滤波技术或信号处理技术来提高检测的信噪比13,改善超声波形。光束调制方法有三种,即时间调制、空间调制

20、以及“空间+时间的双重调制。时间调制可采用激光器腔内锁模、激光器阵列的定时激发、Bragg声光调制技术。空间调制最常用的方法是用柱面镜将激光光点变为线光源,更复杂的空间调制方法可以利用布拉格光栅单线变成多线14。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15。1.3.2检测技术检测激光超声的技术有常用的方法有如下几种。第一种是压电换能器(PZT)检测法。这是比较经典的方法,灵敏度比较高,其响应频率也比较宽,多在实验室用。常用的换能器有电磁、电容、压电陶瓷换能器、电磁声换能器和电容声换能器。第二种是光学检测器。这是利用连续检测激光照射到样品外表,接收外表

21、的反射光,并从反射光的相位、振幅、频率等的变化中得出光激超声信号的方法15。1.3.3总体应用目前在很多领域都已经初步应用了激光超声技术,特别是越来越广泛的应用 在无损检测领域。1)恶劣环境下的无损检测。利用激光超声的非接触式、非人性等特点可以对材料特性在高温辐射等恶劣环境下进行测量,也可以对材料在高温条件下进行检测,特别是可以应用激光无损在高压、高湿、酸、碱或有毒以及检测环境或被测工件存在强腐蚀性、核辐射和化学反响等环境下检测。激光超声技术在高温、核辐射等环境下成为了工业上定位、在线监测的重要手段之一。2)材料性质的高精度无损检测。以激光超声外表波为代表的用于微小缺陷检测的激光技术的研究,是

22、目前国际学术界的一个研究热点,日益成为超声工程和无损检测领域的一个重要内容16。 本文第二章介绍了激光鼓励超声波的的根本概念、根本原理和鼓励方法。第三章给出了利用不同的方法检测样品中超声波的工作原理和方法。第四章介绍了激光超声无损检测技术的具体应用及存在的问题。2 激光超声理论2.1激光超声概述 激光超声是指用脉冲激光在物体中产生的超声波,或利用脉冲激光来产生超声波这?物理过程。作为超声学新近开展起来的一个分支,激光超声学涉及光学、声学、电学、材料学等学科111718。 激光超声检测系统一般由发射系统和接收系统组成。发射系统主要由一台高能脉冲激光器构成,用以在被检测物体上产生高热量,从而产生超

23、声脉冲信号。由于超声波是物体受热激发的,并在物体外表和内部进行传播,所以它携带有物体的厚度、缺陷、应力以及结构等信息。 接收系统一般由检测激光、激光干预仪、光电探测器、信号放大处理电路等组成,它可以根据不同的需要放置在发射系统的同侧或异侧。当检测激光照射到样品外表时,超声振动会对它的反射光进行调制,使超声振动信息转变为光信息-干预仪能够测量细微的光程或光频率变化.它把光信号携带的超声振动信息解调出来。 光电探测器是由光电二极管构成的,它的作用是将光信号中的超声信号转变成电信号。光电探测器的输出信号很小,而且有噪声,所以需要信号放大处理电路对电信号进行放大,提高信噪比。激光可以在固体中产生超声,

24、也可以在气体和液体中产生超声,本文只讨论固体中激光超声的激发机理和应用。2.2.1 波长 波长:沿着波的传播方向,在波的图形中相对平衡位置的位移时刻相同的两个质点之间的距离。横波与纵波的波长:在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。2.2.2纵波(P波) 纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。如敲锣时,锣的振动方向与波的传播方向就是一致的,声波是纵波。2.2.3横波 横波也称“凹凸波。质点的振动方向与波的传播方向垂直,这样的波称为“横波。 横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。 声外表波(SAW,Surface Acoust

25、ic Wave)是沿物体外表传播的一种弹性波。声外表波是英国物理学家瑞利(Rayleigh)在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地外表传播的声波。又称为外表声波。声外表波技术是六十年代末期才开展起来的一门新兴科学技术领域,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声外表波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传播路径上容易取样和进行处理,因此,用声外表波去模拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时,由于声外表波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,因此,声外表波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。

26、声外表波的应用最早是在军用雷达、播送、电视领域作频率稳定的滤波器之用。现在声外表波技术的应用已涉及到许多学科领域,如地震学、天文学、雷达通信及播送电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。 超声波是频率高于20000赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。 横波和纵波 烧蚀效应产生的纵波,横波波形如图192.1所示。其中,h为样品厚度,u为震源背侧中心的超声位移,和h/cl为纵波到达时刻,和h/cs为横波到达时刻。 微

27、烧蚀效应作用下,弹性波源的力学模型可等效为在弹性体外表作用一垂直点力P,超声的位移表达式如式2.1所示: (2.1) 式中,分别为纵波和横波速度,b为常数。实际上,外表作用的是,那么超声的位移为 (2.2)其中,*为卷积符号,与激光脉冲宽度有关,与脉冲能量有关。外表波的波形 外表波波形如图2.2所示20, 其中,y为鼓励点与接收点间距离,u为外表超声位移,c为外表波速度,y/c为外表波到达时刻。2.3 激光器 激光激发超声应选择恰当的激光光源。由于工作在热弹性机制下的光声转换效率比压电换能器低得多,所以选择适宜的激光器以提高信号强度非常重要。现在用于生成超声波的激光器有:Nd:YAG激光器、C

28、O2激光器、氮激光器、染料激光器等,其中Nd:YAG激光器使用得最多。激光器可分脉冲激光器和连续激光器,现在使用脉冲激光器的比较多,如TEA-CO2脉冲激光器被用于在液体中产生脉冲12。脉冲激光产生的超声脉冲的宽度与激光脉冲的宽度近似相等,因此不同激光脉冲所产生的声脉冲宽度和频谱不同,一般宽激光脉冲如十几微秒的TEA-CO2脉冲激光,产生的声脉冲宽且中心频率较低,而窄激光脉冲如纳秒量级而中心频率高。可以根据不同的应用背景选择激光脉冲的宽度获得所需的声脉冲。2.4 激光产生超声的机理 利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。直接式是使激光与被测材料直接作用,通过热弹性效应或烧蚀作用等

29、激发出超声波;间接式那么是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。一般认为,固体中激光鼓励超声波的机理随入射激光的功率密度和固体外表条件的不同而改变。根据激光光束强度的不同,鼓励超声脉冲有两种机制:热弹机制和烧蚀机制21。对于外表干净、无约束的固体,如果入射激光的光功率密度低于固体外表的损伤阈值金属材料?般为107W/cm2,产生的热能缺乏以使固体外表熔化,那么在产生超声过程中,热弹效应激发起主要作用;当激光功率密度较高时,固体外表温度上升使局部融化,以至出现烧蚀.此时,尽管热弹激发效应仍然存在,但是烧蚀激发效应起决定性的作用。 随着激光技术的开展,激光脉冲宽度进一步压缩压缩至ps量级

30、,或fs量级,在热弹激发和烧蚀激发机理的根底上,形成了一些新的激发超声波的方法。2.4.1 热弹机制 根本原理 当由具有Q开关的脉冲激光器发出的激光束照射到清洁的、自由的金属板外表上时,如果单个脉冲的光功率密度足够低小于107W/cm2,照射试样外表的激光光功率密度低于试样外表的损伤阈值,那么金属外表不受损伤。这时在照射点附近的外表薄层内产生了急剧的热膨胀,正是这个热弹效应激发了偏振方向与外表平行的应力波,即超声剪切波。 当脉冲激光投射到不透明固体外表上时,它的能量一局部被反射,另一局部被吸收,并转化为热能,使样品外表产生几十到几百度的温升。对于电导率很大的固体如金属。光的吸收只发生在外表下数

31、微米的范围内,吸收光能的浅表局部由温度上升而发生膨胀。只要激光脉冲很短100ns,那么热扩散效应就很小,热弹源位于很薄的表层内约几。 当金属外表处于自由状态时,浅表层的体积膨胀引起的主要应力平行于材料外表,理论上它相当于时间上是阶跃函数Ht的切向力源,可以激发横波、纵波和外表波。在热弹机制下,主要的应力是与外表平行的,虽然也有与外表垂直方向的应力,但很小。所以这种情况下,主要激发出超声横波和相对幅度很小的纵波。热弹激发机理原理如图2.3所示71011171822: 由于固体浅表层的局部升温并没有导致材料的任何相变,所以热弹激发效应具有严格无损的特点,它是激发超声使用最广泛的方法。热弹激发超声过

32、程中,光能转化为热能的效率很低,为了提高热弹激发超声的效率,常在固体外表涂各种涂层如水,油,以增加外表的光吸收系数23。同样,采用脉冲宽度极窄的高能量密度光束照射,也可以获得较高的声波能量。 激光超声位移场理论 温度场 对于热弹问题,温度和位移可分别由热传导方程和热弹性位移方程描述为 (2.3)(2.4) 式中,k、T、u、为别固体的热传导率、温度、位移、密度、定比热和线性热膨胀系数,为切边弹性常数,为lame常数,为密度,(2.5)式中 ,为热源光强度,为光吸收系数,为进入样品外表(x0)的激光强度,为入射激光的强度,为材料外表的光反射率:函数Fy,z为激光强度在光束截面中的空间分布函数,对

33、子?个半无限大即x?0各向同性的固体,假设激光脉冲垂直入射在xO的自由外表上.温度就只与坐标x有关,可作一维处理,Fy,z1;ft为激光强度的时间分布函数。 假设激光脉冲为梯形脉冲模型,它的强度的时间分布如图2.4所示。Ft的函数表达式为:(2.6) 或式中,t0为梯形脉冲下底边宽度;bob1为梯形脉冲上下底边之比:,。 (2.7)式中,为热扩散率,且 。利用热传导的初始条件和边界条件,对式2.7进行拉氏变换,可得 (2.8)式中,P为拉氏参数,为T的拉氏变换。 求解式2.8,可得 (2.9)式中,。 用Matlab 进行仿真如图2.5,设定以下参数: 为光吸收系数0.5,入射激光的强度为1c

34、d,为材料外表的光反射率,浅色金属外表通过率150%, k固体的热传导率(钢45w/m.k),为热扩散率10 m2/s,p为拉氏参数1,。 应力场 媒质中温度场激发的热弹位移和热弹应力可由Navier-Stokes方程和本构方程及边界条件得到。 一维Navier-Stokes方程为 (2.10)式中,uu(x,t)为x方向的位移, , ,为材料的柏松比。对Navier-Stokes方程进行拉氏变换。并考虑初始条件u(x,0),可得 (2.11)式中,为u的拉氏变换。 对于弱吸收媒质,式2.9可简化为: (2.12)代入2.11式,得(2.13)上式的解为:(2.14)式中A为常数。 上式做拉氏

35、变换,并代入本构方程 (2.15)其中,为x方向的正压力,E为杨氏模量, 自由界面条件下,把边界条件代入式(2.11)中,可得。 用拉氏反变换可得应力场为 (2.16) 在嵌紧外表条件下,边界条件为u0,p0,可求出A一1。 同样可得应力场为 (2.20)式中,函数 (2.21)同理,对于强吸收媒质,可得自由外表的应力场为(2.22)式中,函数 (2.23) (2.24) 对于嵌紧外表,应力场为 (2.25)式中,函数 (2.26)由式2.16至式2.26可见:1超声应力脉冲宽度比入射激光脉冲宽度大,且自由外表的应力脉冲宽度增大较多,嵌紧外表的应力脉冲宽度增大很少;2嵌紧外表的应力脉冲都是单极

36、性的,自由外表的应力脉冲都是双极性的,如图2.6和图2.7所示11:3采用梯形入射脉冲波形,当b0和bl时,可得出与三角形和矩形脉冲完全相同的结论24 。 应力脉冲宽度和幅度与激光脉冲的形状有关,当激光脉冲由三角形向矩形变化时,应力脉冲的宽度增量减小.而幅度增加。由此可推想,假设将入射的激光脉冲改造为矩形脉冲,会大大增强超声波的瞬时作用力。 当入射激光的功率密度大于样品外表的损伤闽时,外表材料汽化,对样品产生所示: 对于金属,当入射激光脉冲功密度大于107/cm2时,其外表因吸收光能导致温度急剧升高,当温度超过材料的熔点时,会有约几微米深的表层材料发生烧蚀,局部原子脱离金属外表,并在外表附近形

37、成等离子体。这一过程可产生很强的垂直于外表的反f作用力脉冲,相当于给外表施加?个时间为冲击函数(t)的法向力。从而激发出幅值较大的超声波,这种波源形式也可激发出所有类型的超声波25。这种机制的超声激发效率比热弹机制高4个数量级,可以获得大幅度的纵波,横波和外表波。但由于它每次对外表产生约O.3的损伤。所以只能用于某些场合,且通常用来产生纵波。2.4.3其他激发机理 随着激光技术的开展,激光脉冲宽度进一步压缩压缩至ps 量级,或fs 量级,在热弹激发和烧蚀激发机理的根底上,形成了一些新的激发超声波的方法。如热栅法激发、热应变激发、电子应变激发以及非热机制- 反压电效应激发等方法。 用两束来自同一

38、激光器的光脉冲,交叉夹角为 同时入射至样品,在样品中或外表形成光干预图光强峰- 谷交替,受照射处的样品吸收此栅状光能而热致产生超声声子 ,称为热栅激发机理。热栅法已能激发频率可变3MHz -30G Hz的超声。 热应变激发是指用一束超短光脉冲照射在基片上的吸收薄膜上,薄膜的受热升温部份会产生热应力,从而激发超声波,成为热应变激发。与纳秒级激光相比,皮秒级或飞秒级激光的最大不同之处是它可以通过电子应变激发机理激发超声。当高强度、超短光脉冲照射半导体时,共价晶体中原子的价电子脱离原子,但电子来不及在如此短的时间内把过剩能量交给晶格,使电子和声子在非常短暂的期间会失去热平衡,从而使电子和声子各有明确

39、的不同的温度。其中。电子的温度可以高达 500-600K或更高,电子将以超音速的速度扩散,通过电子- 声子的复合把能量传给晶格而自身冷却下来。而晶格的温度变化很小,不会超过几度。在电子超音速传递期间,电子会对介质产生应力,从而会影响所产生的超声的波形,称为电子应变激发机理。电子对介质的应力将加宽波形,加宽的程度和电子- 声子复合程度有关。 非热机制-反压电效应激发 指的是在压电半导体中光生非平衡态载流子,当有一瞬态电场作用时,电子与空穴产生瞬态别离而产生声波。现在,这些技术已能在频率为几百 G Hz已达440GHz 时.成功地以 1-10nm的空间分辨率在室温测量超声衰减和速度,使得激光超声能

40、测材料的微结构,并求出微结构中不同组份的力学性质和界面质量,这是其他方法不能与之比较的。 3激光超声检测技术 目前,激光超声的接收主要有传感器检测和光学法检测两类。 传感器检测包括压电陶瓷换能器检测,电磁声换能器检测,电容声换能器检测。这些检测方法,可以十分简便地接收到激光超声信号,但传感器必须与样品接触,或者非常接近样品外表,才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合剂,对被测样品会产生影响。 利用光学方法探测材料外表的超声振动是一种新型的无损检测手段,该方法具有非接触、灵敏度高等特点,能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点,是真正意义上的非接触、宽带检测

41、技术。光学法检测技术又可细分为非干预检测技术和干预检测技术两种。目前广泛使用的是外插干预仪、共焦 F - P 干预仪是线性干预仪,而相位共轭干预仪,双波混合干预仪以及光感生电动势干预仪那么属于非线性光学的。 非干预检测技术包括刀刃检测技术,外表栅格衍射技术和反射率检测技术等。 当照射到样品外表的检测光束直径小于激光超声波长时,检测光的反射光由于样品外表超声振动而发生偏转,偏转大小由刀刃割截的光通量或位移检测器测定。反射光的偏转值与声波的幅值及性质有关,它反映了外表波和体波的传播情况,以及样品的内部缺陷和微结构。该方法具有结构简单,频带宽,环境振动影响小等优点,是对抛光外表样品进行超声检测的有效

42、工具,其装置如下列图3.1所示: 光偏转技术是一种结构简单、对环境振动不敏感的探测方法,其中最常见的形式是刀口法。如下图,一束直径为D的探测激光束被焦距为F1的透镜L1聚焦至样品外表,样品外表因为超声波传播引起的局部倾斜,当入射于外表的探测光斑的尺寸比检测的最短声波长小时,由声扰动导致的外表倾斜会使反射光发生偏转,偏转了的反射光束就携带了超声信息,通过焦距为F2的透镜L2准直,光束在透镜L2上的光斑直径为d,利用刀口挡住出射光的一半,另一半被透镜L3聚焦至光电探测器上进行测定,通过光强的变化探测声波。 设反射光束以垂直于刀刃的方向入射,投射到传感器上的激光强度是高斯分布,是入射光电场强度的振幅

43、,是反射光束直径,样品受超声扰动后外表的倾斜度为,当偏转很小时,光电二极管的输出光电流为式中:是光电管的灵敏系数,单位是,是入射光束的光强,。同样假设超声引起的外表位,式中为声传播常数,是声振幅,当外表倾斜角很小时 (3.2)平均角度 ,其中为声波波长,那么光电管输出电流与声波的关系为 (3.3)当声波为宽频脉冲波时,可以将脉冲声波看成简谐波的叠加 (3.4)和,分别是各频率分量声波的振幅和波长。光偏转技术的信噪比同样受量子噪声限制,信噪比为 (3.5) 光偏转技术可以用来检测激光超声波的位移梯度,并且已成熟地应用在诸如原子力显微镜、激光扫描显微镜等仪器中。这种方法结构简单,因此造价不高,它的

44、缺点在于探测低频超声时灵敏度低,并且对样品外表的要求也比较高。,是光电管的灵敏系数,单位是2.2150.047,是入射光束的光强为(高亮LED), 为声波波长0.01m,是声频带宽14khz ,是光子频率6.339470(26)××10-34 J?s ,声波的振幅为 当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时,由于Bragg效应或Raman-Nath效应,会产生一级或多级衍射光,通过测量衍射光的强度和偏转角,可测定超声波的特性。 外表衍射技术是把声外表波的位移作为电场振幅来检测,其简单原理如图3.3所示: 外表栅衍射技术是令一束有一定宽度的光束,通常要求宽度为几个声波长,垂直投

45、射到受超声扰动的外表上,超声扰动使外表形成光栅,由于Bragg效应或Raman一Nath效应,光束发生衍射,出现一级或多级衍射光分布在镜式反射的零级光的一侧或两侧。衍射光的传播方向由下式决定: (3.7)其中、分别为声波长和光波长,是衍射光的级数。当超声波的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 (3.8)是第一类一阶Bessel函数,是峰值外表位移。 脉冲激光照射到样品的外表上所产生的超声应力能引起样品光折射率的微小改变,这种微小改变又能引起样品镜式或弥散式反射率的变化,通过检测这种变化,即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。3.2 干预检测技术 根据是否使用非线性晶体,干预

46、检测技术又可分为线性干预检测技术和非线性干预检测技术。3.2.1 线性干预检测技术 线性干预检测技术包括自差、外差和共焦Fabry-Perot干预检测技术等,它们使用的干预仪分别为自差干预仪、外差干预仪和共焦Fabry-Perot干预仪。 自差干预检测 自差干预检测是将样品外表直接作为迈克尔逊干预仪测量臂中的反射镜,其原理如图3.4所示。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路,一路经透镜聚焦后入射到样品外表,反射光再经分束镜后进入探测器;另一路经反射镜和分束镜后也进探测器,二者发生干预。 设样品外表的超声振动为,激光脉冲被样品外表反射的相移为,那么两光束干预后的光强表达|式为(3.9)式中S为参

47、考光束有效强度透过系数,Q样品外表反射的检测光束的有效强度透过系数,为相位,t为时间。其中,相位由干预仪的光程差决定,并受外界振动影响。 如果在迈克尔逊干预仪的参考臂中引入频移系统,使参考光产生射频范围内的频移,即构成外差干预检测仪,其示意图见图3.5。脉冲激光器发出的光束,经分束镜分成两束,其中的一束经移频装置后有的频移,经反射镜反射后与样品外表反射的信号光发生干预。由探测器检测出频移和干预光强度,从而得到样品超声振动的位移信息 设信号光的频率为,参考光的频率为,那么参考光、信号光的电场矢量,分别为 (3.11)(3.12)其中, 和为信号光和考光的相位, 和 分别为信号光和参考光场的振幅。

48、 信号光和参考光完全准直时,假设二者的偏振方向和传播方向相同,并且垂直射到光探测器上。由于光电探测器的输出正比于合场强的平方,那么光电流为 (3.13)式中三、四、五项是光频项,光电探测器无法响应,实际输出的光电流为 (3.14)式中, 分别为信号光、参考光的直流分量,射频发生器的频率,两光束的相位差。 式(3.14)是未加超声信号时的光电探测器的输出,如果样品外表的超声位移为。那么来自样品外表反射的信号光发生的相移,这时光电流的表达式为(3.15)由式(3.15)可以看出,光电探测器的输出电流由直流成份和相位调制的交流成份组成,其中直流项可以从测量中去除,而相位调制信号可经过调相解调后得到所

49、探测的超声位移u(t),这就是激光外差干预法探测超声微振动的原理。用matlab仿真如图3.8,设定以下参数, , , 如果信号光和参考光之问存在一定的夹角空间准直角,那么探测器的输出光电流为27: (3.16)式中,为比例系数,为光电探测器光量子效率,为光敏面的直径,。 当光电器件的量子噪声很小时,可以只考虑参考光的散粒噪声,光外差系统的信噪比为25 (3.17) 由式(3.16),式(3.17)和图3.8可以看出,信号光与参考光的空间准直性和在分束器上的入射角对外差信号的强度和信噪比有极大的影响。当时,光电流及信噪比到达最大,当,即时,光电流,为了保证有一定的光电流和足够的信噪比,两束光间的空间准直角必须满足,且愈小愈好。 外差干预检测的优点是用调制信号去控制载波相位.将激光超声加载到高频范围内处理,使载波振荡的瞬时相位按调制信号的规律变化,有效地抑制低频噪声的干扰,能对粗糙外表进行检测,并对环境振动有较强的抗干扰能力。与自差干预检测相比,外差干预检测大大提高了系统的信噪比28。 自差法和外差法的共同特点是对外表位移灵敏29,但它无法消除工业现场各种振动对探测的干扰.而且这两种方法只有接收一个光斑时才有最正