激光超声检测原理与应用课件.pptVIP

激光超声检测原理与应用

1激光产生超声的机理

利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。直接式是使激光与被测材料直接作用，通过热弹性效应或烧蚀作用等激发出超声波；间接式那么是利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波。

1.1热弹机制

当入射光的功率密度较低〔金属材料的典型值是106W/cm2〕时，材料表层由于吸收光能导致局部升温，引起热膨胀而产生外表切向压力，同时激发出横波、纵波和外表波。在这种机制下，声信号的幅度随着激发功率的增加而线性增加。由于激发功率的密度较低，表层的局部升温没有导致材料的任何相变，因而具有严格无损检测的特点。但热弹激发超声过程中，光能转化为热能的效率很低。

热弹激发机理原理如图1-1

1.2烧蚀机制

当入射光的功率密度逐渐升高时，材料表层的瞬态升温将逐步导致材料的熔化、汽化和形成等离子体。这时将有一小局部外表物质被喷射出来，从而给样品外表施加了一个非常高的反作用力，导致声波的产生。在这种机制下可以获得大幅度的纵波和外表波，激发效率比热弹机制高4个数量级。但由于它每次对外表产生约0.3μm的损伤，所以只能用于某些场合，且通常用来产生超声纵波。热弹机制由于对外表无损伤，且能产生各种波形，所以现在用得最多。

烧蚀激发机理原理如图1-2。

1.3其他激发机理

热栅激发(简称LIPS)热应变激发电子应变激发(非热激发)非热机制-反压电效应激发

2激光超声检测系统

激光超声的接收主要有：传感器检测光学法检测两类传感器检测包括压电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方法,可以十分简便地接收到激光超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常接近样品外表，才能获得高的检测灵敏度。并且超声检测用压电换能器接收超声信号这种方法需要用耦合剂，对被测样品会产生影响。

利用光学方法探测材料外表的超声振动是—种新型的无损检测手段，该方法具有非接触、灵敏度高等特点，能够克服传统超声波检测需要耦合剂的缺点，是真正意义上的非接触、宽带检测技术。光学法检测技术又可细分为非干预检测技术和干预检测技术两种。目前广泛使用的是外插干预仪、共焦F-P干预仪是线性干预仪，而相位共轭干预仪，双波混合干预仪以及光感生电动势干预仪那么属于非线性光学的。

2.1非干预检测技术

刀刃检测技术外表栅格衍射技术反射率检测技术当照射到样品外表的检测光束直径小于激光超声波长时，检测光的反射光由于样品外表超声振动而发生偏转，偏转大小由刀刃切割的光通量和位移检测器测定。反射光的偏转值与声波的幅值及性质有关，它反映了外表波和体波的传播情况，以及样品的内部缺陷和微结构。其检测极限为103nm；对于抛光的非吸收面，检测带宽可到达MHz量级。已在商用的扫描激光声显微镜〔SLAM〕及原子力显微镜〔AFM〕中获得应用。该方法具有结构简单，频带宽，环境振动影响小等优点，是对抛光外表样品进行超声检测的有效工具

脉冲激光照射到样品的外表上所产生的超声应力能引起样品光折射率的微小改变，这种微小改变又能引起样品镜式或弥散式反射率的变化，通过检测这种变化，即可得到脉冲激光在薄膜中产生的超声回波。已在光热检测中获得了成功的应用。当入射光斑的尺寸相当于几个声波的波长时，由于Bragg效应或Raman-Nath效应，会产生一级或多级衍射光，通过测量衍射光的强度和偏转角，可测定超声波的特性。已在连续声波测量中获得了广泛应用。

刀刃检测技术其装置图

2.2干预检测技术

线性干预检测技术1．自差干预检测2．外差干预检测技术3．共焦F-P干预检测技术2.2.2非线性干预检测技术1．相位共轭干预检测2．双波混合干预检测3．光感生电动势〔Photo-EMF〕干预检测

1．自差干预检测

自差干预检测是将样品外表直接作为迈克尔逊干预仪测量臂中的反射镜。激光器发射的脉冲激光被分束镜分成两路，一路经透镜聚焦后入射到样品外表，反射光再经分束镜后进入探测器；另一路经反射镜和分束镜后也进入探测器，二者发生干预。

2．外差干预检测技术

如果在迈克尔逊干预仪的参考臂中引入频移系统，使参考光产生射频范围内的频移，即构成外差干预检测仪。脉冲激光器发出的光束，经分束镜分成两束，其中的一束经移频装置后有fB的频移，经反射镜反射后与样品外表反射的信号光发生干预。由探测器检测出频移和干预光强度，从而得到样品超声振动的位移信息。

3．共焦F-P干预检测技术

共焦法布里一珀罗干预仪属于速度型干预仪，基于振动外表反射光和散射光的多普勒频移，使光的频率受到超声波信号的调制，再由共焦球面法布里．珀罗干预仪解调，将频率调制变为光强调制，从而检测超声振动信号。这种干预仪具有带宽、灵敏及较大入射孔径的特点，只对固体外表的振动速度灵敏，对周围环境振动较不敏感，有很强的聚光能力，且结构紧凑，适用于对光学