激光激發(fā)超聲趙秋玉

1、激光超聲技術(shù) 趙秋玉2015.9.30激光激發(fā)超聲技術(shù)激光激發(fā)超聲波激光接收超聲波關(guān)鍵技術(shù)激光激發(fā)超聲波原理是由于脈沖激光直接與介質(zhì)表面相互作用，一部分光能被物質(zhì)吸收，另一部分被反射。以固體物質(zhì)為例，利用吸收的光能量與物體表面能的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱應(yīng)力區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，即超聲波。聲波與物質(zhì)相互作用時(shí)，聲速及聲波的能量會(huì)變化。通過(guò)對(duì)聲速和聲波衰減的測(cè)量，可以確定物質(zhì)的一些基本物理參數(shù)，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及特性的方法之一。激光超聲的產(chǎn)生超聲檢測(cè)熱彈性機(jī)制激光激發(fā)超聲直接式（激光直接與材料相互作用）間接式（利用被測(cè)材料周圍其他介質(zhì)作為中介來(lái)產(chǎn)生超聲波）燒蝕機(jī)制熱彈性機(jī)制當(dāng)入射光的功

2、率密度較低時(shí)，材料表層由于吸收光能導(dǎo)致局部升溫，引起膨脹從而產(chǎn)生切向壓力，同時(shí)激發(fā)出橫波、縱波、表面波。燒蝕機(jī)制當(dāng)入射光功率密度逐漸升高，材料表面瞬態(tài)升溫將逐步導(dǎo)致材料熔化、汽化和形成等離子體。一小部分表面物質(zhì)被噴射出來(lái)，從而給樣品表面施加一個(gè)非常高的反作用力，導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。1、無(wú)損（激發(fā)功率密度低，未導(dǎo)致材料任何相變）1、0.3 微米深度損傷2、激發(fā)效率高，比熱彈性機(jī)制高四個(gè)數(shù)量級(jí)3、通常用來(lái)產(chǎn)生超聲縱波特點(diǎn)熱彈性機(jī)制燒蝕機(jī)制2、效率低（光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率低，大部分被反射）脈沖激光激發(fā)的超聲脈沖的脈寬比激光脈寬略寬些，由于激光脈寬可達(dá)ns，ps甚至fs量級(jí)，因而所激發(fā)的超聲也非常窄，也就

3、是頻帶很寬。這樣就具備了很高的時(shí)間和空間頻率。1、非接觸2、波形豐富3、超聲波頻率寬4、檢測(cè)次表面缺陷能力強(qiáng)激光超聲技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：激光接收超聲波超聲檢測(cè)方法電學(xué)方法（借助換能器如PZT,ESAT,EMAT）（接觸或接近試樣、靈敏度高） 光學(xué)方法（非接觸、遠(yuǎn)距離、適應(yīng)惡劣環(huán)境）干涉法非干涉法線性干涉非線性干涉光偏轉(zhuǎn)光反射零差差分共焦F-P相位共軛二波混頻光感生電動(dòng)勢(shì)探測(cè)光束照射到樣品表面，當(dāng)光束直徑小于超聲波長(zhǎng)時(shí)，反射檢測(cè)光束由于表面的波動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)值與超聲波振幅及性質(zhì)有關(guān)。（可檢測(cè)表面波體波傳播情況，檢測(cè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷，要求試樣鏡面反射若是漫反射則靈敏度下降。）非干涉法檢測(cè)（光束偏轉(zhuǎn)法）

4、將試樣表面直接作為邁克爾遜干涉儀測(cè)量臂中的反射鏡，聚焦的激光束照射到試樣表面，被表面反射的光束攜帶了超聲振動(dòng)的信息，與由光源分離出來(lái)的參考光束發(fā)生干涉，兩光束干涉光強(qiáng)與試樣表面位移有關(guān)，通過(guò)檢測(cè)其相位可確定樣品的振動(dòng)位移，該系統(tǒng)稱為零差干涉儀。干涉法檢測(cè)（線性位移型）若在其一臂中插入Bragg聲光調(diào)制器，使其一路光束產(chǎn)生頻移，即構(gòu)成光外差干涉儀。主要檢測(cè)法向位移基于振動(dòng)表面反射光和散射光的多普勒頻移，使光的頻率受到超聲波信號(hào)的調(diào)制，再由共焦球面法布里珀羅干涉儀解調(diào)，將頻率調(diào)制變?yōu)楣鈴?qiáng)調(diào)制，從而檢測(cè)超聲振動(dòng)信號(hào)干涉法檢測(cè)（線性速度型）實(shí)現(xiàn)試樣表面法向和切向位移同時(shí)測(cè)量由試樣表面反射的信號(hào)光束與參

5、考光束在一些非線性光學(xué)晶體(如BS0等)內(nèi)相干形成干涉條紋，此干涉條紋因晶體的光折變效應(yīng)而被以折射率調(diào)制的方式記錄在晶體中，形成動(dòng)態(tài)光柵結(jié)構(gòu)，參考光束通過(guò)該光柵而衍射為波前“畸變”的參考光束，并與“畸變”的信號(hào)光束相干涉，則超聲波所引起的振動(dòng)將被以光強(qiáng)度的形式解調(diào)出來(lái)，從而達(dá)到測(cè)量試樣表面振動(dòng)的目的干涉法檢測(cè)（非線性）缺點(diǎn)：在光柵形成和讀取等過(guò)程，其響應(yīng)速度不夠快。檢測(cè)激光束入射到一粗糙試樣表面，反射光的波前由于表面散射而畸變，畸變的反射波前再經(jīng)一相位共軛鏡反射而成為有共軛相位的畸變波前，當(dāng)此光束再入射到反射區(qū)時(shí)，畸變的相位得到補(bǔ)償而“復(fù)原”，這樣它與原入射波前相干涉，就可獲得試樣表面的振動(dòng)信

6、息。干涉法檢測(cè)（非線性）光感生電動(dòng)勢(shì)干涉儀利用像GaAs這類晶體的非線性，這類晶體能形成和貯存一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)的分布與入射光束的空間強(qiáng)度分布相對(duì)應(yīng)。當(dāng)空間光強(qiáng)分布作橫向移動(dòng)時(shí)，貯存的空間電荷場(chǎng)會(huì)激發(fā)一時(shí)變的電流輸出，所以，它不需要外加的光電探測(cè)器。干涉法檢測(cè)（非線性）如圖它可像普通的半導(dǎo)體器件一樣進(jìn)行集成，有較高的截止頻率，且由于省略了光柵形成、讀取等過(guò)程，其響應(yīng)速度大大提高，是一種極有應(yīng)用前景的激光超聲干涉檢測(cè)方法。無(wú)損檢測(cè)，損檢測(cè)，如熱軋鋼管壁厚的在線檢測(cè)，工件的焊縫檢測(cè)，飛機(jī)引擎、機(jī)翼等飛機(jī)組合部件以及為核設(shè)施中的關(guān)鍵零部件的早期失效所產(chǎn)生的微裂紋的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供有效的檢驗(yàn)手段。激光

7、超聲檢測(cè)技術(shù)可對(duì)材料的力學(xué)特性、工件的表面殘余應(yīng)力分布、汽車噴漆的厚度等進(jìn)行非接觸的在線檢測(cè)，大大地提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。對(duì)于各向同性材料，利用激光超聲技術(shù)測(cè)量材料的縱波和表面波聲速，就町得到材料相應(yīng)的彈性常數(shù)。生物組織光聲成像方法是光學(xué)與聲學(xué)技術(shù)的結(jié)合，既以組織的光學(xué)吸收為基礎(chǔ)，又取決于組織的聲學(xué)參數(shù)差異，成像兼具高對(duì)比度和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)；此外，其穿透距離更深，有望對(duì)深層組織成像無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)材料評(píng)價(jià)材料評(píng)價(jià)生物生物組織組織光光聲成像聲成像激光超聲的典型應(yīng)用Application of Laser ultrasonic我們的方案光束 a入射 到 表 面 具有 較 高 光 反 射 率 的 平

8、 面結(jié) 構(gòu) 材料 A B 上 的 o點(diǎn) ，則o點(diǎn) 的反 射 光 束 為 ob方 向。 而 當(dāng) A B 面 上有 表面 波傳播 時(shí) ，反射 面 變 成了 曲面結(jié)構(gòu) 導(dǎo)致 了 反 射 光 束偏 離 了 原 反 射 方 向 而變 向到 oc方 向 。 表面 波在 固體 表面?zhèn)?播形 成 了對(duì) 該材 料的擾 動(dòng) ，且一 般 具有幾 十 nm 的 表 面位 移 。我們 從 探 測(cè) 表 面波引 起的 表面微位移 出發(fā) ，假設(shè)有 一束 光照 射到表面波傳 播的材料表面， 由于表面波引起 的擾動(dòng)是 一個(gè)時(shí) 間連續(xù) 變量 ， 則在特定 方 向上 的反 射光通 量 隨時(shí) 發(fā)生變化 反 過(guò) 來(lái)該 光通量 變 化剛

9、好對(duì) 應(yīng)表 面波的傳播 。 原理 如 圖 所 示 。我們的方案基 于 該光 反 射 原 理 。設(shè) 計(jì) 了 斐 索光纖 干涉 儀 。 光纖1 經(jīng)過(guò) 一個(gè) 一分 二光纖 耦 合 器 (3 dB ) 分 為兩 路 一路 3 作 為探 頭靠 近樣 品表 面預(yù)探 測(cè)點(diǎn) 用 以探測(cè) 表面 波 另 一路 2 )則在 端 點(diǎn) 處 連 接 P in 管 進(jìn) 行 光 電轉(zhuǎn)換 。 由于 光纖 3 在 其光 出射端 同樣 品之 問(wèn)有 一段 空氣介 質(zhì) 則根據(jù) 菲 涅耳反 射 定律將 有 一部分 光e 在該 分 界 面上 反 射 回去 同 時(shí) 其余 部 分 出射 的光經(jīng) 樣 品反射 后有 一部 分 f 回到光 纖 中 。 兩束 反射 光 e 、f在 光纖 內(nèi) 部發(fā) 生 f 涉 ， 該干涉 光 信號(hào) 經(jīng) 過(guò)3 dB 耦合 器后 ，經(jīng) 光纖 2 最終經(jīng) 過(guò) P in 管進(jìn) 行 光