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1、激光超声技术及其在无损检测中的应用第42卷,第4期2005年4月激光与光电子学进展V01.42.NO.4hpr.2005激光超声技术及其在无损检测中的应用陈清明1.2蔡虎程祖海,华中科技大学激光技术国家重点实验室,武汉430074\武汉理工大学理学院,武汉430070/提要系统介绍了激光超声技术的研究情况,就其激发原理和检测技术作了全面的回顾与展望.综述了激光超声技术在高精度缺陷检测,高速材料表面扫描成像和恶劣环境中的检测应用.关键词激光超声超声激发超声检测LaserUltrasonicTechnologya
2、nditsApplicationsCHENQingmingCAIHuCHENGZuhaifStateKeyLaboratoryofLaserTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074SchoolofScience,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430070AbstractThedevelopmentoflasertfltrasonictechnologyisdescrib
3、ed,theprincipleoflaserultrasonicgenerationanddetectionarepresented,applicationsoflaserultrasoundinhighresolutiontesting,quicklyscanningandmap—pingofsurfaceandtotallydetectingobjectsinharmfulcircumstancesarereviewed,andproblemsanddevelopingtrendsofthetechnolo
4、gyarediscussed.Keywordslaserultrasonicgenerationoflaserultrasoundlaserultrasoundtesting1引言激光超声技术是利用激光来激发和检测超声的一门新兴的技术是一种涉及光学,声学,热学,电学,材料学,医学等多学科的科学和技术.与传统的压电超声技术相比.激光超声技术具有非接触,宽带,激发源高保真及点源/点接收等优点.因此.它更有利于材料的无损评估和其它学科的应用,像材料表征,缺陷检测,加工过程监测,以及复杂形貌的工件或高温高压,辐射等恶劣
5、环境下设备的监测等.此外.激光超声源能同时激发纵波,横波,表面波以及各种导波,是实验上验证各种复杂媒质中声传播理论的有效手段.因此,在20世纪90年代形成的激光超声学,近年来已发展成超声学中的重要分支.并在激光超声信号的激发与接收,传播以及应用等方面取得很大进展.2激光超声技术的研究现状2.1激发技术利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式【I两大类.直接式是使激光与被测材料直接作用,通过热弹性效应或融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.激光激发超声首先应选择恰当
6、的激光光源.由于_T作在热弹性机制下的光声转换效率比压电换能器低得多,所以选择合适的激光器以提高信号强度显得非常重要.现在用于生成超声波的激光器有:收稿日期:2004—10—20;收到修改稿日期:2004—12—03Nd:YAG激光器,CO2激光器,氮激光器,染料激光器等,其中Nd:YAG激光器使用得最多.激光器可分脉冲激光器和连续激光器,现在使用脉冲激光器的比较多.如TEA—CO.脉冲激光器被用于在液体中产生声脉冲【2I.脉冲激光产生的超声脉冲的宽度与激光脉冲的宽度近似相等.因此不同激光脉冲所产生的声脉冲宽度
7、和频谱不同,一般宽激光脉冲如十几微秒的TEA—CO脉冲激光,产生的声脉冲宽且中心频率较低,而窄激光脉冲如纳秒量级的Nd:YAG脉冲产生的声脉冲窄而中心频率高.可以根据不同的应用背景选择激光脉冲的宽度获得所需的声脉冲.其次,单个激光脉冲能激发出宽带超声脉冲,但容易受到宽带噪国第42卷.第4期2005年4月激光与光电子学进展Vo1.42.NO.4Apr.2005换能器都有较宽的频带,可非接触接收激光超声信号,但必须很接近试样表面,同时检测灵敏度较低,只适用于导体材料的检测.压电陶瓷等常规超声换能器,使用时必须直接紧
8、贴在试样上才能柃测,或在换能器前表面上附一个1/4声波长的匹配层.这类换能器灵敏度较高,但带宽有限,不适合检测宽频带的光激超声信号.2)光学检测法.这是利用连续检测激光照射到样品表面,接收表面的反射光,并从反射光的相位,振幅,频率等的变化中得出光激超声信号的方法.光学榆测法又分为非干涉和干涉两种.非干涉法检测的原理是:当照射到试样表面的检测光束直径小于超声波长时,反射检测光束由于表面超
