激光超聲檢測(cè)原理與應(yīng)用

1激光產(chǎn)生超聲的機(jī)理

利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類(lèi)。直接式是使激光與被測(cè)材料直接作用，通過(guò)熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波；間接式則是利用被測(cè)材料周?chē)钠渌镔|(zhì)作為中介來(lái)產(chǎn)生超聲波。1.1熱彈機(jī)制

當(dāng)入射光的功率密度較低（金屬材料的典型值是106W/cm2）時(shí)，材料表層由于吸收光能導(dǎo)致局部升溫，引起熱膨脹而產(chǎn)生表面切向壓力，同時(shí)激發(fā)出橫波、縱波和表面波。在這種機(jī)制下，聲信號(hào)的幅度隨著激發(fā)功率的增加而線性增加。由于激發(fā)功率的密度較低，表層的局部升溫沒(méi)有導(dǎo)致材料的任何相變，因而具有嚴(yán)格無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)。但熱彈激發(fā)超聲過(guò)程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低。1.2燒蝕機(jī)制

當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時(shí)，材料表層的瞬態(tài)升溫將逐步導(dǎo)致材料的熔化、汽化和形成等離子體。這時(shí)將有一小部分表面物質(zhì)被噴射出來(lái)，從而給樣品表面施加了一個(gè)非常高的反作用力，導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。在這種機(jī)制下可以獲得大幅度的縱波和表面波，激發(fā)效率比熱彈機(jī)制高4個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約0.3μm的損傷，所以只能用于某些場(chǎng)合，且通常用來(lái)產(chǎn)生超聲縱波。熱彈機(jī)制由于對(duì)表面無(wú)損傷，且能產(chǎn)生各種波形，所以現(xiàn)在用得最多。燒蝕激發(fā)機(jī)理原理如圖1-2。

1.3其他激發(fā)機(jī)理

1.3.1熱柵激發(fā)(簡(jiǎn)稱(chēng)LIPS)1.3.2熱應(yīng)變激發(fā)1.3.3電子應(yīng)變激發(fā)(非熱激發(fā))1.3.4非熱機(jī)制-反壓電效應(yīng)激發(fā)2激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)

激光超聲的接收主要有：傳感器檢測(cè)光學(xué)法檢測(cè)兩類(lèi)傳感器檢測(cè)包括壓電陶瓷換能器檢測(cè)，電磁聲換能器檢測(cè)，電容聲換能器檢測(cè)。這些檢測(cè)方法,可以十分簡(jiǎn)便地接收到激光超聲信號(hào)，但傳感器必須與樣品接觸，或者非常接近樣品表面，才能獲得高的檢測(cè)靈敏度。并且超聲檢測(cè)用壓電換能器接收超聲信號(hào)這種方法需要用耦合劑，對(duì)被測(cè)樣品會(huì)產(chǎn)生影響。2.1非干涉檢測(cè)技術(shù)

2.1.1刀刃檢測(cè)技術(shù)2.1.2表面柵格衍射技術(shù)2.1.3反射率檢測(cè)技術(shù)當(dāng)照射到樣品表面的檢測(cè)光束直徑小于激光超聲波長(zhǎng)時(shí)，檢測(cè)光的反射光由于樣品表面超聲振動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)大小由刀刃切割的光通量和位移檢測(cè)器測(cè)定。反射光的偏轉(zhuǎn)值與聲波的幅值及性質(zhì)有關(guān)，它反映了表面波和體波的傳播情況，以及樣品的內(nèi)部缺陷和微結(jié)構(gòu)。其檢測(cè)極限為103nm；對(duì)于拋光的非吸收面，檢測(cè)帶寬可達(dá)到MHz量級(jí)。已在商用的掃描激光聲顯微鏡（SLAM）及原子力顯微鏡（AFM）中獲得應(yīng)用。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬，環(huán)境振動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)拋光表面樣品進(jìn)行超聲檢測(cè)的有效工具刀刃檢測(cè)技術(shù)其裝置圖1．自差干涉檢測(cè)

自差干涉檢測(cè)是將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測(cè)量臂中的反射鏡。激光器發(fā)射的脈沖激光被分束鏡分成兩路，一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品表面，反射光再經(jīng)分束鏡后進(jìn)入探測(cè)器；另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進(jìn)入探測(cè)器，二者發(fā)生干涉。2．外差干涉檢測(cè)技術(shù)

如果在邁克爾遜干涉儀的參考臂中引入頻移系統(tǒng)，使參考光產(chǎn)生射頻范圍內(nèi)的頻移，即構(gòu)成外差干涉檢測(cè)儀。脈沖激光器發(fā)出的光束，經(jīng)分束鏡分成兩束，其中的一束經(jīng)移頻裝置后有fB的頻移，經(jīng)反射鏡反射后與樣品表面反射的信號(hào)光發(fā)生干涉。由探測(cè)器檢測(cè)出頻移和干涉光強(qiáng)度，從而得到樣品超聲振動(dòng)的位移信息。3．共焦F-P干涉檢測(cè)技術(shù)

共焦法布里一珀羅干涉儀屬于速度型干涉儀，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)。這種干涉儀具有帶寬、靈敏及較大入射孔徑的特點(diǎn)，只對(duì)固體表面的振動(dòng)速度靈敏，對(duì)周?chē)h(huán)境振動(dòng)較不敏感，有很強(qiáng)的聚光能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于對(duì)光學(xué)粗糙表面的檢測(cè)，但其頻率響應(yīng)不夠平坦，呈帶通型，在需精密測(cè)量超聲波形的場(chǎng)合這將引入一定的誤差。3激光超聲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況

3.1高精度的無(wú)損檢測(cè)3.2惡劣環(huán)境下的材料特性測(cè)量3.3材料特性的檢測(cè)3.4薄膜、復(fù)合材料檢測(cè)，以及材料高溫特性等的研究3.5快速超聲掃描成像極短的激光脈沖可以激發(fā)出極短的超聲脈沖。通過(guò)對(duì)衍射超聲波渡越時(shí)間差的分析，可以非常準(zhǔn)確地確定各種缺陷、包括各種體缺陷和表面缺陷的位置，其精度可優(yōu)于0.1mm。在這種檢測(cè)系統(tǒng)中，最引人注目的系統(tǒng)之一，就是LGAP與光探針相結(jié)合，所構(gòu)成的全光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，用這種全光學(xué)系統(tǒng)對(duì)亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，除可探知缺陷的存在，確定缺陷的位置外，還可探知缺陷附近的脈沖模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可弄清缺陷的詳細(xì)情況。由于超聲能透入金屬內(nèi)部，大多數(shù)需要測(cè)量的材料特性參數(shù)不是影響超聲速度，就是影響超聲衰減，或者對(duì)二者都有影響。再加上激光超聲的特點(diǎn)，它就能夠測(cè)量材料的以下各項(xiàng)特性：(1)尺寸特性，如厚度、高度等。用激光超聲可提高測(cè)量薄片的能力，幾微米厚的金屬片．測(cè)量誤差約2％，并且可以進(jìn)行高溫在線