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1、#4#5上海计量测试62003年30卷第一期ComprehensiveReview综述评论*激光超声检测技术及其应用钱梦(同济大学声学研究所200092)=摘要>激光超声学是一门激光技术与声学技术相结合的新兴交叉学科,它为新材料和产品质量等的无损评估提供了一种非接触、远程的精确检测技术。本文将对激光超声的产生、检测及其应用作一简要介绍。=关键词>激光超声;无损评估激光超声学是利用激光来产生和检测超声,功率密度大于试样表面的损伤阈,这时由于试样并开展超声传播研究和材料特性无损评估的新兴表面材料汽化而对试样产生一法向冲力,形成了交叉学科[1]。与传统的压电换能器技术相
2、比,激时间为脉冲函数D(t)的法向力源,称为烧蚀激发光超声最主要的优点是非接触检测,它消除了压源。图1是由热弹线源和烧蚀线源产生的表面波电换能器技术中的耦合剂的影响,可用于各种较理论波形及用干涉仪接收的实验波形[2]。图1中复杂形貌试样的特性检测,加上它又是一种宽带实验与理论完全一致的结果表明激光超声的激发的检测技术,并能用光波波长为测量标准而精确不仅是有效,而且是十分理想的阶跃或脉冲声源,测量超声位移,所以是一种极有应用前景的新的它对于声传播理论的研究是非常重要的。无损检测技术。本文将对激光超声产生、检测及其应用三方面作简要介绍。1激光超声产生与压电换能器在固体
3、中产生超声的原理所不同的是,压电技术是利用压电晶片将电能转换成声能,再由耦合剂传输到固体试样。而激光超声的产生则是由固体媒质直接与脉冲激光相作用,由吸收的光能而转变成声能。激光超声源是直接在媒质体内,因此,激光超声的产生,不仅与激光束的时间、空间特性有关,而且还与材料本身的光学、热学及力学特性有关。目前最常用的激光超声激发技术是用约10ns脉宽的脉冲激光束来照射试样表面,如果激光束通过一球面透镜聚焦到试样表面,就可以形成一很好的点声源。如果通过一柱面透镜聚焦,图1烧蚀和热弹线源时铝介质半空间表面法向位移数值与实验结果烧蚀源:(a)数值(b)实验;热弹源:(c)数值
4、(d)实验就可以形成一线声源。若照射试样表面的激光光功率密度低于试样表面的损伤阈,这时形成的是激光超声的烧蚀激发比热弹激发更有效,但对试样表面无损伤的热弹源,理论上它相当于时它会损伤试样表面。为了使激光超声技术成为高间上是阶跃函数H(t)的切向力源。当激光的光检测信噪比的无损检测技术,近年来又发展了各X本工作得到国家自然科学基金No.10134020和No.10174052的资助X综述评论ComprehensiveReview5上海计量测试62003年30卷第一期#5#种表面修饰技术。湿表面技术是一种最简单而又[3]有效的表面修饰技术。在试样表面涂一层油,蒸一层吸
5、光膜,或放一滴水,就可以产生类似烧蚀激发源相当的效果,而又不损伤试样表面。脉冲激光产生的超声脉冲是一宽带的信号,很容易受到宽带噪声的干扰。如果把激光脉冲功率分散照射到试样表面,如图2所示那样通过一空隙宽度是渐变的掩膜板,在试样表面形成一线性调频源阵[4]。这样可以用匹配滤波技术来提高信号的检测信噪比,图3a是接收到的表面波信号,图3b是经过匹配滤波器后的结果,信噪比提高了15倍。图3(a)单次调频表面波波形此外,利用激光腔内锁模、激光器阵的定时激(b)经过匹配滤波器后的波形,发,Bragg声光调制等技术,也可激发出增强的窄表明信噪比提高了15倍,实现了波束的压缩带
6、超声体波或表面波。探索提高检测信噪比和声2激光超声的接收激发效率的新技术,目前仍是激光超声的研究热激光超声的接收主要有传感器检测和光学法点。检测两类,利用PVDF压电薄膜直接与试样耦合,或利用静电传感器、电磁声换能器等宽带换能器,可以十分简便地接收到激光超声信号,但传感器必须与试样接触,或者非常接近试样表面,以获得高的检测灵敏度。光学法是真正意义上的非接触、宽带检测技术。它主要有刀刃法和干涉法两类,而光干涉法又可分为线性和非线性光干涉仪。像目前广泛使用的外差干涉仪,共焦Fabry-Prot干涉仪是线性光干涉仪。而相位共轭干涉仪,双波混合干涉仪,以及光感生电动势(P
7、hoto-EMF)干涉仪则属于非线性光学的,因为它们使用了非线性晶体。图2产生调频表面波的实验系统,左下角是透光的掩膜板共焦F-P干涉仪具有带宽、灵敏及较大的入射孔径的特点。但通常只能测量法向位移。如果在试样表面用一薄膜光栅加以修饰,这样就可以同时测量表面的法向和切向位移[5]。当检测激光束入射到一粗糙试样表面时,反射光的波前由于表面散射而畸变。相位共轭干涉[6]仪是将这畸变的反射波前再经一相位共轭镜(如BaTiO3晶体)反射而变成有共轭相位的畸变波前。当这光束再入射到反射区时,畸变的相位得到了补偿而/复原0。这样,它与原入射波前相干涉,就可获得试样表面的运动信息
8、。[7]而
