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熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱應力區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應力波，即超聲波。聲波與物質(zhì)相互作用時，聲速及聲波的能量會變化。通過對聲速和聲波衰減的測量，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)生超聲檢測熱彈性機制激光激發(fā)超聲直接式（激光直接與材料相互作用）間接式（利用被測材料周圍其他介質(zhì)作為中介來產(chǎn)生超聲波）燒蝕機制熱彈性機制當入射光的功

2、率密度較低時，材料表層由于吸收光能導致局部升溫，引起膨脹從而產(chǎn)生切向壓力，同時激發(fā)出橫波、縱波、表面波。燒蝕機制當入射光功率密度逐漸升高，材料表面瞬態(tài)升溫將逐步導致材料熔化、汽化和形成等離子體。一小部分表面物質(zhì)被噴射出來，從而給樣品表面施加一個非常高的反作用力，導致聲波的產(chǎn)生。1、無損（激發(fā)功率密度低，未導致材料任何相變）1、0.3 微米深度損傷2、激發(fā)效率高，比熱彈性機制高四個數(shù)量級3、通常用來產(chǎn)生超聲縱波特點熱彈性機制燒蝕機制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ns，ps甚至fs量級，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、檢測次表面缺陷能力強激光超聲技術(shù)優(yōu)點：激光接收超聲波超聲檢測方法電學方法（借助換能器如PZT,ESAT,EMAT）（接觸或接近試樣、靈敏度高） 光學方法（非接觸、遠距離、適應惡劣環(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勢探測光束照射到樣品表面，當光束直徑小于超聲波長時，反射檢測光束由于表面的波動而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)值與超聲波振幅及性質(zhì)有關(guān)。（可檢測表面波體波傳播情況，檢測樣品內(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（光束偏轉(zhuǎn)法）

4、將試樣表面直接作為邁克爾遜干涉儀測量臂中的反射鏡，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的信息，與由光源分離出來的參考光束發(fā)生干涉，兩光束干涉光強與試樣表面位移有關(guān)，通過檢測其相位可確定樣品的振動位移，該系統(tǒng)稱為零差干涉儀。干涉法檢測（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。主要檢測法向位移基于振動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)楣鈴娬{(diào)制，從而檢測超聲振動信號干涉法檢測（線性速度型）實現(xiàn)試樣表面法向和切向位移同時測量由試樣表面反射的信號光束與參

5、考光束在一些非線性光學晶體(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而被以折射率調(diào)制的方式記錄在晶體中，形成動態(tài)光柵結(jié)構(gòu)，參考光束通過該光柵而衍射為波前“畸變”的參考光束，并與“畸變”的信號光束相干涉，則超聲波所引起的振動將被以光強度的形式解調(diào)出來，從而達到測量試樣表面振動的目的干涉法檢測（非線性）缺點：在光柵形成和讀取等過程，其響應速度不夠快。檢測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，當此光束再入射到反射區(qū)時，畸變的相位得到補償而“復原”，這樣它與原入射波前相干涉，就可獲得試樣表面的振動信

6、息。干涉法檢測（非線性）光感生電動勢干涉儀利用像GaAs這類晶體的非線性，這類晶體能形成和貯存一個內(nèi)電場，這個內(nèi)電場的分布與入射光束的空間強度分布相對應。當空間光強分布作橫向移動時，貯存的空間電荷場會激發(fā)一時變的電流輸出，所以，它不需要外加的光電探測器。干涉法檢測（非線性）如圖它可像普通的半導體器件一樣進行集成，有較高的截止頻率，且由于省略了光柵形成、讀取等過程，其響應速度大大提高，是一種極有應用前景的激光超聲干涉檢測方法。無損檢測，損檢測，如熱軋鋼管壁厚的在線檢測，工件的焊縫檢測，飛機引擎、機翼等飛機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)生的微裂紋的實時檢測提供有效的檢驗手段。激光

7、超聲檢測技術(shù)可對材料的力學特性、工件的表面殘余應力分布、汽車噴漆的厚度等進行非接觸的在線檢測，大大地提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。對于各向同性材料，利用激光超聲技術(shù)測量材料的縱波和表面波聲速，就町得到材料相應的彈性常數(shù)。生物組織光聲成像方法是光學與聲學技術(shù)的結(jié)合，既以組織的光學吸收為基礎(chǔ)，又取決于組織的聲學參數(shù)差異，成像兼具高對比度和高分辨率的優(yōu)點；此外，其穿透距離更深，有望對深層組織成像無損檢測無損檢測材料評價材料評價生物生物組織組織光光聲成像聲成像激光超聲的典型應用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 ，則o點 的反 射 光 束 為 ob方 向。 而 當 A B 面 上有 表面 波傳播 時 ，反射 面 變 成了 曲面結(jié)構(gòu) 導致 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 該材 料的擾 動 ，且一 般 具有幾 十 nm 的 表 面位 移 。我們 從 探 測 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 的擾動是 一個時 間連續(xù) 變量 ， 則在特定 方 向上 的反 射光通 量 隨時 發(fā)生變化 反 過 來該 光通量 變 化剛

9、好對 應表 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 了 斐 索光纖 干涉 儀 。 光纖1 經(jīng)過 一個 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 面預探 測點 用 以探測 表面 波 另 一路 2 )則在 端 點 處 連 接 P in 管 進 行 光 電轉(zhuǎn)換 。 由于 光纖 3 在 其光 出射端 同樣 品之 問有 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 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 經(jīng) 過3 dB 耦合 器后 ，經(jīng) 光纖 2 最終經(jīng) 過 P in 管進 行 光