超声的激光激发.pdf

3 超声的激光激发 激光激发超声最早是由 White 于 1963 年提出的，考虑的是固体中的超声激 发。随后，在不同的应用场合，激光不仅被用来在固体中激发超声，也被用于在 液体和气体中激发超声。Hutchin 在（1988）年比较系统地综述了激光激发超声 原理的原理和方式。在本书中，我们主要考虑脉冲激光在固体中激发超声。 激光激发超声的机理可以概括如下：当一束脉冲激光入射到固体表面时， 部分激光能量被固体吸收并转化成热能，辐照区域附近产生局部迅速的温升，导 致局部快速的热膨胀从而产生超声。如果入射激光功率较低，固体材料未发生熔 融和熔蚀现象，这是热弹机制激发超声。如果入射激光功率较高，在固体表面引 起熔融、气化、等离子体等现象，表面材料的融蚀、喷溅等引起对材料表面的反 冲力，从而激发超声，这是熔蚀机制激发超声。熔蚀机制激发超声的问题可以简 化为由动量传递而引起的一个垂直作用力下的弹性动力学问题。对于无损检测来 说，要求是非破坏性测试，因此通常采用热弹机制激发超声。但是，熔蚀机制在 某些情况下也是很有用的，因为它能产生很强的垂直于表面的体波。在某些需要 很强的超声信号但又不能对检测样品有损的情况下，可以在表面加涂层或液体， 这样可以通过附加涂层或液体的熔蚀产生较强的超声信号而同时又对待测样品 不产生损伤。 由于无损检测中主要利用的是热弹机制产生超声，因此本章的重点也是放 在讨论这种激发机理上。本章从激光的吸收开始，讨论激光能量转化为热源情况 下的热传导问题和由热膨胀引起的弹性动力学问题，对激光产生的热力源及相应 的超声源的辐射模式的特征进行讨论和分析。为讨论方便又不失问题本质，我们 这里涉及的固体是各向同性、均匀的介质，并且对整个问题的分析是去耦的、线 性的，即激光能量的吸收、温度的升高不会改变材料的力学、热学等性质，力学 变形不会改变材料的热分布等。 3.1 激光的吸收 激光入射到固体材料表面时，一部分能量被材料反射或散射，一部分被材 料吸收，另一部分通过材料透射。用 Ei 表示入射激光的能量，Er 表示被材料表 面反射的激光能量，Ea 表示被材料吸收的激光能量，Et 表示透过材料的激光能量， 则由能量守恒定律： EEEEi=++ rat (3.1) 假设 R 是反射率，A 为吸收率，则 E E R = r A = a (3.2) Ei Ei 对于不透明材料， ，则 ， 。 Et = 0 EEEi= ra + AR+=1 不同金属对不同波长的光的反射率 R 是不同的。比如，金属铝对1.06μm 光 辐射的理论反射率约为 0.94 ，而铁的约为 0.63。同一种金属对不同波长的反射率 也不同，比如铜的反射率随着波长变化改变得非常快（当1.0μm 时，R = 0.9 ；当 0.25μm 时， R = 0.26 ）。 另外，需要说明的是，除了材料特性、激光波长外，实 际的金属对激光的反射还与温度、表面情况、激光的偏振特性等诸多因素有关。 实际金属表面通常由于氧化和污染，对红外激光的吸收率要大得多，而对可见光 的吸收率影响比较小。而金属表面的粗糙度则对可见光有显著的影响，粗糙表面 较之于抛光镜面的吸收率可以提高一倍。因此，这些因素也会对超声的激发产生 影响。 激光在材料内部传播过程中，激光按指数规律衰减，激光入射到距表面 z 处的光强度 I 为 Iz( ) = I(0) e?γ z (3.3) 这里γ是吸收系数。若将激光在材料内的透入深度定义