激光超声国内外研究现状综述

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激光超声是一门交叉学科。它主要研究激光激发超声的机理、方法和技术。在介质中激光超声的传播特性，以及它的接收原理、方法和检测技术的应用，是目前无损检测技术和材料特性评价领域中的热门课题[4-5]。上世纪八十年代以来，相关的工作一直没有停止，围绕着激光超声的产生和传播特性，大量的实验和理论研究被开展，并运用了多种解析和数值计算方法对理论模型进行修正和完善，采用多种不同方法对超声和材料的作用进行检测和对获得的超声信号进行分析，取得了很大的发展。67448

1 激光超声激发技术

当激光脉冲照射到固体表面，一部分能量被物质反射，一部分被吸收。吸收激光辐射后产生热应力区，从而在内部产生超声波。一般的，固体中激发超声波的机理，随着固体表面的条件和入射激光的功率密度的不同而有所改变，分为热弹和融蚀两种。当入射光的功率密度较低，无法使得材料表面熔化时，部分电磁能被表面吸收转化为热能，使得材料表面薄层热弹膨胀，产生与表面平行的应力应变而成为弹性波源，这种激励称为热弹效应。当入射光功率密度大于10e7W/cm2时，材料表面温度急速升高至熔点而被烧蚀，生成等离子体飞出而产生于表面垂直的反作用力，这种机理称为熔蚀效应。

White 和 Askaryan于1962年各自提出用脉冲激光激发超声波，分别考虑固体和液体。而后Ramsden和Bunkin观察到强激光在固体中产生爆炸波和在大气中产生燃烧波，随着时间和距离的增加，两者都会衰变成声波。Bondarenko等人于1976年首先将激光超声技术用于材料实验。由红宝石激光激发检测由两层抛光的不锈钢扳钳在一起的人工缺陷。而后，Scruby、Dewhurst等人对金属中超声波形做了定量测量，使用面内正交力模型解释了激发现象，给激光超声的应用打下了基础。而Rose 运用了点源表象，得到热弹条件下聚焦激光在金属表面激发的超声波的解析表达式。而这些研究正是热弹条件激发弹性波的理论和实验基础[6]。论文网

1963年,White 提出一维模型分析材料变形产生超声的瞬态物理过程；Scruby 考虑到热效应，提出正交力偶合模型；Rose 用电源表象推导出各个声波模式的位移解析表达式。考虑材料热扩散， Doyle 首次从理论上超声信号中前驱小波的物理原理。1989年，Mcdonald 用双曲线表示热传导方程，通过热传播速度和声速相等的假设计算出前驱小波。1995年，张淑仪等使用物理学观点证明激光模型正确性。D.Royer 借助解析方法研究了远近场的声表面波。W.Hassan等[7]使用用数值模拟方法模拟了声表面波和缺陷的相互作用，成为表面缺陷检测的理论基础。

2 激光超声检测技术

激光超声本质上与一般超声波特性相同。早期研究激光超声特性和验证理论结果时，大多使用操作简单和灵敏度高的压电换能器接收超声。它的优点是制作和使用非常简单，频率范围也比较宽。所用的材料品种众多，并且不断扩大。法国Jacques 和Pierre 兄弟早在1880年用实验验证某些单晶在一个特殊的方向受压时，它的表面会产生电荷。而后，Lippmann 预言了逆电压效应，并且Curie 兄弟很好的用实验加以证实。其中，最熟知的压电单晶是石英，而铌酸锂单晶是新型压电单晶代表。

非接触超声检测技术包括电磁声换能器（EMAT），电容换能器（ESAT）和空气超声换能器等。将EMAT用于激光超声的接收，实现非接触式检测，而它主要用于高温下的材料检测。ESAT是宽带移位接收器。它的特点是频带非常宽，但不足之处是试样的表面需要被抛光成为电容器的一个极板。空气换能器因为带宽窄，空气和阻抗的匹配问题导致转换效率低，不适合脉冲光声检测。