激光超聲檢測技術1激光超聲檢測根本原理2超聲波的激光鼓舞2.1鼓舞機理2.2熱彈效應鼓舞的超聲波體波鼓舞的指向性、瑞利波的鼓舞、Lamb波的鼓舞、多層介質中導波的鼓舞、陣列鼓舞源2.3用于鼓舞超聲波的不同類型的激光3超聲波的聲學探測3.1光束上超聲波信息的編碼強度調制、相位或頻率調制3.2光學干預儀4應用4.1激光超聲缺陷檢測體波的激光超聲缺陷成像、外表波的激光超聲缺陷成像、Lamb的激光超聲缺陷全顯成像、外表開口缺陷的掃描激光成像4.2激光超聲過程監測4.3激光超聲材料表征薄膜的機械性能表征、材料各向異性表征1激光超聲檢測技術-根本原理激光超聲主要利用激光作用在被測構件上，通過電離式作用或快速熱膨脹引起構件局部受力變形，進而在構件激發出聲波，并且利用光學傳感器束探測該聲波的變化。因此，該方法供給的是一種非接觸的檢測方法。激光超聲檢測技術-特點優點〔1〕非接觸避開了傳統超聲法中由于耦合層的變化而帶來的對信號的各種干擾以及由于耦合劑的使用而對一些材料的污染，同時也使得快速超聲掃描成像的實現變得更簡潔。另外激光探測法還可使被測超聲波場不受任何干擾，這一特性對于其它傳感器的校準特殊有利。〔2〕能遠距工作遠距操作可免去很多對傳感系統的冷卻要求，大大削減系統簡潔性，另外激光束可通過一玻璃窗口導入特定的密閉空間，因而激光超聲可便利地用于存在核輻射、強腐蝕性以及化學反響等這樣一些惡劣的環境條件下。〔3〕頻帶寬在大多數金屬中利用幾十納秒的短光脈沖所產生的超聲脈沖寬度與鼓舞光脈沖寬度特殊相近，利用超短的超聲脈沖和寬帶的超聲傳感器，可以更準確地測量超聲脈沖的渡越時間，該特性對于薄膜材料的定量分析及基于超聲衍射方法的缺陷檢測技術尤其重要。〔4〕高空間區分率這是指探測激光束可被聚成特殊小的點，從理論上說，光點的極限大小受光波衍射限制，因而對于常用的激光系統來說，可實現僅數微米的最高空間區分率。激光超聲檢測技術-特點缺點〔1〕靈敏度低盡管激光鼓舞的超聲波振幅與一般寬帶壓電換能器所激發的相當，或者略小一些，但激光干預儀的接收靈敏度要比傳統的超聲檢測系統差很多。在超聲頻率范圍內，典型的壓電傳感器的探測極限在0.01pm到lpm之間。對多數試驗室使用的干預儀，在抱負條件〔防震，試件外表拋光〕和帶寬10MHz狀況下，一般最小可測位移在100pm左右。〔2〕完整的檢測系統簡潔，體積浩大，造價也比傳統壓電傳感系統昂貴。〔3〕由于使用高能激光，因而工作場地需實行嚴格的激光防護措施。1激光超聲檢測技術-根本原理傳統的超聲檢測技術絕大多數耦合劑的使用溫度都在100°C以下。常用的超聲換能介質PZT，其工作溫度一般不能高于300°C，即使換成其它高溫材料，如鈮酸鋰，工作溫度也不會超過700°C。電磁聲換能器〔EMAT〕并配上適當的冷卻系統，可以實現高溫下的非接觸式檢測。但是，這種系統中電磁傳感頭與被測件間的工作距離只有數毫米，且檢測信號的強弱受這一距離變化的影響很大。工業CT技術作為一種無損檢測手段具有很多優點，美國IDM公司曾承受工業CT技術〔輻射源為3個50的〕實現對每秒數米延長速度的熱軋鋼管作在線檢測、監控。但是該系統目前特殊昂貴、簡潔，被測件的最大允許尺寸也往往受到確定限制，因而還難于實現一般的工業使用。承受確定的空間構造光，利用CCD攝像機對攝取的工件圖像進展處理，可對一些三維尺寸作在線檢測，該法已被證明經濟便利且有效，缺點是攝像法無法測量像管子壁厚這樣的一些量，也無法檢測工件的各種缺陷。激光超聲是對傳統超聲檢測技術的一大進展，它利用高能激光脈沖來激發超聲并用激光來檢測超聲，具有非接觸、可遠距離探測等很多優點，尤其適合于一些惡劣環境場合，比方存在高溫、具有腐蝕性、輻射性以及被檢件具有較快的運動速度等一些條件下的使用。2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞超聲波的激光產生利用激光產生超聲波的方法可分為直接式和間接式兩大類，直接式利用激光與被測物質的直接作用，通過熱彈效應或燒蝕作用激發出超聲波，間接式則要利用被測材料四周的其它物質作為中介。1鼓舞機理圖1激光超聲的產生(a)熱彈性機理(b)燒蝕機理

2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞2熱彈性鼓舞超聲波為簡潔起見，假設構件是均勻、各向同性介質，熱彈性鼓舞包括以下三個步驟：(1)電磁能量被介質吸取。(2)熱源的發散。(3)體積膨脹引起的動力學問題，并且假設能量吸取、溫度上升和機械變形各自獨立，互不關聯。光能被吸取取決于激光波長和材料特性，當光垂直入射到構件外表時，光強隨深度的變化對金屬，一般承受外表波模型；對其他材料承受體波模型。材料吸取光能在材料外表引起的熱能分布2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞熱傳導方程可解決給定熱源的熱學力學問題。承受hyperbolic熱傳導方程通過求解(3)式可得到溫度T的分布

由于吸取光能產生的溫度上升，引起的體積膨脹承受標量和矢量勢函數，包括體積變形的動力學方程上述動力學方程的邊界條件是外表拉力的消逝。應變位移

2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞給定激光源參數，承受傳遞函數技術可得到溫度場和動力場分布，熱導方程和動力學方程在時間上承受單邊拉氏變換，在空間上承受傅里葉變換(對線光源)或Handel變換(對點光源)，得到閉解后可重新回到物理方程上。熱散射無視，結果可簡化得到平面應力2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞試驗測量的四熱源中心外表法向位移(a)縱波(b)橫波體波產生的指向性

2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞

瑞利波的產生(點光源)

熱彈性線源產生的單方向瑞利波外表法向位移2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞在一個薄鋁板上產生的熱彈性Lamb波，外表法向位移距熱源不同距離上測的2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞多層介質構造中導波的鼓舞

2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞陣列源

通過在時間和空間上布置激光能量，產生的聲波可被集中到需要的地方，聲波信號帶寬變窄，信噪比提高。

產生窄帶外表波的激光超聲系統2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞

相互穿插的兩束光波產生高頻外表波2激光超聲檢測技術-超聲波的激光鼓舞3用來鼓舞聲波的激光器選擇激光器的類型取決于在材料中鼓舞何種形式的超聲波和希望得到的超聲波的帶寬。激光器的主要參數有：波長、能量、脈沖持續時間和重復率。重復率對檢測速度特殊重要，脈寬對產生的超聲波帶寬起著預備作用，同樣，空間范圍也影響到帶寬，調制的連續波激光比較適合低頻范圍(幾KHz)，一般狀況下，10ns激光器產生10MHz頻率范圍，對更高頻率范圍，脈寬以100波秒計，可產生100MHz或上GHz。激光能量取決被測材料，由于激光造成的損失可否被承受，激光能量從納焦、微焦甚至幾百焦耳都可用來鼓舞超聲波。最終，激光波長的選取取決材料的吸取性能，激光波長范圍從紫外、紅外甚至更寬范圍。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測1超聲波信息在光束上的編碼為實行光學方法探測超聲波，就須用一束光作用在波傳播方向，一般承受激光束作為光源，這是由于激光可供給單色、線性極化、公正光束等優點，其電場方程如下式電場E是幅度a，頻率和相位需要留意光電探測器無法直接跟蹤相位，太高，因此只有光強可直接來測量。有很多種方法可影響光束，但從廣義上可分為強度調制技術和相位(或頻率)調制技術兩類。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測1.1超聲波強度調制超聲波在材料中受折射會發生變化，進而影響到反射光的強度，從而可用光電探測器獵取該變化。盡管對大多數材料，該變化很小，但仍成功的應用于測量薄膜和納米構造。另一種強度調制技術是利用外表傾斜與超聲振動的關系實現測量。第三種方法是利用頻率或波速的連續或猝發外表波packet.強度調制低于相位或頻率調制，因此在無損檢測中應用很有限。1.2超聲波的相位或頻率調制超聲波在構件外表運動引起反射或散射光的相位或頻率發生變化。如圖10所示，一束光垂直入射到一構件外表，設外表法向位移為，假設外表略微傾斜，則反射光束也會略微傾斜，構件外表位移發生變化，從而使光束路徑發生變化(兩次聲波法向位移)進而引起光束相位發生變化。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測超聲波位移調制光束相位

電場可表示為

對于由超聲波包引起的時變相位調制，從外表波動和光束的作用下，可得到光學頻率的瞬時多普勒相移，假設外表速度瞬時間學頻率外表波速與超聲振動相關聯，進而影響到光束頻移。則

3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測2光學干預儀由于激光頻率很高，任何一種光電探測器都不行能測量單一光束的相位。因此一種稱為相位纖偏編碼信息的調解方案被提出，有很多種光學干預儀可實現這種方案，這里僅論述激光超聲檢測中普遍應用的幾種。參考光束干預儀自參考光束干預儀兩束零差干涉儀兩束外差干涉儀時延干涉儀法布里－珀里干涉儀動態全息干涉儀多束干涉儀內稟光纖超聲傳感器在粗糙外表上，自參考干預儀可大幅度提高儀器性能，斑點光包含著構件位移和波前匹配參考(wave-front-matchedreference)的混合信息。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測兩束重差干預儀(Two-BeamHomodyneInterferometers)來自同一激光器的光束被一分光器一分為二，一束光作用在被測構件上，另一束送到一參考鏡面上，反射回來以后，兩束公正光又混合在一起，并在光電探測器處形成干預條紋。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測雙束外差式干預儀(Two-BeamHeterodyneInterferometers)該類干預儀中，被混合的其中一束光頻率發生一些略微變化，通過一個聲-光調制器(如Bragg盒)，從而供給一個頻移光。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測時延干預儀(Time-DelayInterferometers)3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測FP干預儀(Fabry-PerotInterferometers)3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測動態全息干預儀該干預儀的原理是基于光折射特性的動態全息記錄原理。一種方法是承受光相位聚焦技術(opticalphaseconjugation)將光斑(thespeckledobjectbean)極化，極化的物光與平面參考光在零差或外差干預儀中相干預;另一方面，同樣光斑構造的參考光作為靜態物光，通過與包含超聲信息的物光相互干預后進展重構，這種方法很簡潔通過兩束光在光折射介質中實現。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測多光干預儀(MultibeamInterferometers)在超聲檢測的很多場合中，需要同時測量多個點的信息。例如，超聲波衰減系數測試中就需要同時測量兩個距離之間的聲波，同樣，在導波的頻散特性測試中也需要。這可通過承受相位陣列接收儀器，圖20給出了一種基于外差干預儀的可同時測量一個工件不同點超聲位移的雙探頭系統。3激光超聲檢測技術-超聲波的光學探測內稟光纖超聲傳感器(IntrinsicFiber-OpticUltrasoundSensors)

上面描述的大多數干預儀都可通過光纖將光放射到構件上，然后承受光纖測量反射光，在上述系統中，光纖僅起傳光作用，假設光纖在傳光中作用，這種傳感器可埋入到構件內部來監測超聲波，而不僅僅是監測外表振動。4激光超聲檢測技術-應用激光超聲應用從工業界到學術界，下面從無損檢測、材料表征和過程監控等方面加以論述。

4.1激光超聲缺陷檢測外表波的激光缺陷成像4激光超聲檢測技術-應用

Lamb波的激光成像4激光超聲檢測技術-應用外表開口缺陷掃描激光源成像在脈沖回波反射中，激發點和接收點必需位于一條直線上，利用掃描激光源技術可探測很小的缺陷，并且可用于角度變化猛烈的地方，沒有可與該方法對等的常規超聲檢測方法，該方法依靠于近場散射和熱彈性產生的超聲在有無缺陷的地方，如以以下圖。4激光超聲檢測技術-應用鈦合金發動機葉片的檢測，可檢測的缺陷標樣為0.05nm寬×0.75nm長×0.375nm深

4激光超聲檢測技術-應用2激光超聲在過程監控的應用已有的工業應用說明，激光超聲檢測系統已經可應用工業現場，這些應用包括高溫無絕鋼管的壁厚在線監測，紙張特性分析，玻璃測厚，微觀組織的演化，polymermatrixcomposites成形等。4激光超聲檢測技術-應用3材料特性的激光檢測激光超聲技術現