激光超声

3 激光超声技术在无损检测领域的应用概况
3.1 高精度的无损检测 3.2 恶劣环境下的材料特性测量 极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉冲。通过 对衍射超声波渡越时间差的分析，可以非常准确地 3.3 材料特性的检测 激光超声的非接触式激发与接收、以及无损、非 确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置 3.4 薄膜、复合材料检测，以及材料高温特性等的研究 侵入性等特点，使得其特别适合于在恶劣的环境 由于超声能透入金属内部，大多数需要测量的材料特性参数不是 下（如高温高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环 ，其精度可优于0.1mm。在这种检测系统中，最引 3.5 快速超声扫描成像 影响超声速度，就是影响超声衰减，或者对二者都有影响。再加 人注目的系统之一，就是LGAP与光探针相结合， 上激光超声的特点，它就能够测量材料的以下各项特性： 境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应 (1)尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超声可提高测量薄片的能 所构成的全光学检测系统。实验表明，用这种全光 等），对工件进行在线检测。 力，几微米厚的金属片．测量误差约2％，并且可以进行高温在线 学系统对亚表面缺陷进行检测，除可探知缺陷的存 现在，激光超声技术酬叠成功地盔热轧无缝钢管 测厚。 在，确定缺陷的位置外，还可探知缺陷附近的脉冲 （管长5.5～12m，温度1230 摄氏度，延伸速度 (2)力学特性，如测量残余应力、弹性模量等。 模式转换，进而可弄清缺陷的详细情况。 2m/s）生产线上进行管坯壁厚均匀性的在线检测 (3)缺陷检测。因为激光超声检测技术对包括纵波、横波和表面波 ；对核反应堆中的石墨特性进行分析：对铝、陶 在内的整个超声波都是灵敏的，所以它可以通过选择不同的波形 瓷和钢在高温下(温度达1400摄氏度）的材料特 ，来探测体内，表面和亚表面的缺陷。 性进行测定：在线监测陶瓷的烧结过程(温度700 (4)内部和表面的应力状态及分布。 ～1100摄氏度）和金属浇铸过程中的固化等。
1.2 烧蚀机制
当入射光的功率密度逐渐升高时，材料表层的瞬
态升温将逐步导致材料的熔化、汽化和形成等离 子体。这时将有一小部分表面物质被喷射出来， 从而给样品表面施加了一个非常高的反作用力， 导致声波的产生。在这种机制下可以获得大幅度 的纵波和表面波，激发效率比热弹机制高4个数量 级。但由于它每次对表面产生约0.3μm的损伤， 所以只能用于某些场合，且通常用来产生超声纵 波。热弹机制由于对表面无损伤，且能产生各种 波形，所以现在用得最多。
烧蚀激发机理原理如图1-2。
1.3 其他激发机理
1.3.1热栅激发(简称LIPS) 1.3.2热应变激发 1.3.3电子应变激发(非热激发)
1.3.4非热机制-反压电效应激发
2 激光超声检测系统

Βιβλιοθήκη Baidu
激光超声的接收主要有：
传感器检测 光学法检测两类

利用光学方法探测材料表面的超声振动是—种新 传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声 型的无损检测手段，该方法具有非接触、灵敏度 换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方 高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂 法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但传 的缺点，是真正意义上的非接触、宽带检测技术 感器必须与样品接触，或者非常接近样品表面 。光学法检测技术又可细分为非干涉检测技术和 ，才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用 干涉检测技术两种。目前广泛使用的是外插干涉 压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合 仪、共焦F-P干涉仪是线性干涉仪，而相位共轭 剂，对被测样品会产生影响。 干涉仪，双波混合干涉仪以及光感生电动势干涉 仪则属于非线性光学的。
自差干涉检测是将样品表面直接作为迈克尔逊干涉 仪测量臂中的反射镜。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表面， 反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜 和分束镜后也进入探测器，二者发生干涉。
2．外差干涉检测技术

如果在迈克尔逊干涉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，即构成外差干涉 检测仪。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fB的频移，经反射 镜反射后与样品表面反射的信号光发生干涉。由探 测器检测出频移和干涉光强度，从而得到样品超声 振动的位移信息。
3．共焦F-P干涉检测技术

共焦法布里一珀罗干涉仪属于速度型干涉仪，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。 这种干涉仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只 对固体表面的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感， 有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学粗糙表 面的检测，但其频率响应不够平坦，呈带通型，在需精 密测量超声波形的场合这将引入一定的误差。
2.1 非干涉检测技术
2.1.1刀刃检测技术 2.1.2表面栅格衍射技术 2.1.3反射率检测技术

当照射到样品表面的检测光束直径小于激光超声波长时， 当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时，由 脉冲激光照射到样品的表面上所产生的超声应力能引起样 检测光的反射光由于样品表面超声振动而发生偏转，偏转 于Bragg效应或Raman-Nath效应，会产生一级或 品光折射率的微小改变，这种微小改变又能引起样品镜式 大小由刀刃切割的光通量和位移检测器测定。反射光的偏 多级衍射光，通过测量衍射光的强度和偏转角， 或弥散式反射率的变化，通过检测这种变化，即可得到脉 转值与声波的幅值及性质有关，它反映了表面波和体波的 可测定超声波的特性。已在连续声波测量中获得 冲激光在薄膜中产生的超声回波。已在光热检测中获得了 传播情况，以及样品的内部缺陷和微结构。其检测极限为 了广泛应用。 成功的应用。 103nm；对于抛光的非吸收面，检测带宽可达到MHz 量 级。已在商用的扫描激光声显微镜（SLAM）及原子力显 微镜（AFM）中获得应用。该方法具有结构简单，频带宽 ，环境振动影响小等优点，是对抛光表面样品进行超声检 测的有效工具
能导致局部升温，引起热膨胀而产生表面切 向压力，同时激发出横波、纵波和表面波。 在这种机制下，声信号的幅度随着激发功率 的增加而线性增加。由于激发功率的密度较 低，表层的局部升温没有导致材料的任何相 变，因而具有严格无损检测的特点。但热弹 激发超声过程中，光能转化为热能的效率很 低。
热弹激发机理原理如图1-1

刀刃检测技术其装置图
2.2 干涉检测技术

2.2.1线性干涉检测技术
1．自差干涉检测 2．外差干涉检测技术 3．共焦F-P干涉检测技术


2.2.2 非线性干涉检测技术
1．相位共轭干涉检测 2．双波混合干涉检测 3．光感生电动势（Photo-EMF）干涉检测

1．自差干涉检测

激光超声检测原理与应用
1 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 烧蚀作用等激发出超声波；间接式则是 利用被测材料周围的其它物质作为中介 来产生超声波。
1.1 热弹机制
当入射光的功率密度较低（金属材料的典型 值是106W/cm2）时，材料表层由于吸收光