1。2  激光超声技术的研究进展

1。3  本文的主要研究工作

在开始本研究前，通过查阅大量的国内外文献资料，并且仔细研究其中与激光激发超声以及激光超声用于无损检测与无损评价相关的文献资料后，并结合脉冲激光激发超声表面波在工业生产无损检测领域的应用，确定了本文的主要研究方向为连续激光在铝材表面激发超声表面波的数值分析与扫描激发超声的波前与扫描速度的关系的研究。在本文的研究中，首先实验建立了脉冲激光激发板状材料中超声表面波的有限元数值分析模型，通过COMSOL软件进行有限元仿真，得到了在不同信息采集点处的声表面波波形并且与理论结果进行了对比分析。其次，在此基础上进行连续激光在铝表面的扫描激发超声的温度场和应力场的有限元模拟。通过控制函数来模拟连续激光及其分布，得到不同情况下的超声波应力图。通过改变不同的扫描速度，来获得掠面纵波和横波的相应的波前角，绘制出超声波前角与扫描速度之间的几何关系图像进行数据分析和拟合，并与理论结果进行比较。同时，讨论在激光功率密度不变的情况下，光斑大小对于实验结果的影响。

2  激光激发超声的基础原理

固体样品受到脉冲或连续激光照射时，会吸收一定比例的激光能量，从而引起样品受照射区域温度上升并伴随有超声波产生。这一现象同样会存在于液体和气体中。这种利用一定功率的激光照射在受检测样品表面产生超声波的物理过程被称为激光超声。论文网

2。1  激光激发超声的机理

当激光照射在固体表面时，材料表面和内部会因为吸收部分激光能量而升温，从而产生体积形变。除此之外，还会产生切应变。因此，激光照射固体材料激发的声波包括掠面纵波，横波和表面波，即Rayleigh波。

在激光超声的研究中，许多学者都对激光超声的激发机制做出了自己的贡献。主要可以总结为热弹膨胀理论、光击穿介质理论、电致伸缩理论和汽化膨胀理论等[8]。光击穿介质理论目前还不成熟，在定性研究阶段暂不考虑。其次，本文中使用铝材作为靶材，光击穿效应、电致伸缩理论十分微弱，可以忽略。而汽化膨胀的发生是瞬间的，并且十分激烈，很难控制。所以本文主要考虑热弹机制和融蚀机制两种。

所谓热弹激发是指功率密度低于某一阈值的入射激光投射到样品表面上时，材料表面吸收激光能量引起材料受辐射区域温度升高，但是还没有发生熔化或烧蚀，此时，材料内部的热膨胀产生表面切向应力，激发超声（图2。1a）。在这种机制下，声表面波的振幅与激光功率成正比例关系。同时，激光功率密度要保持始终低于材料阈值，表层的小区域升温不会引起材料的变形，非常适合无损检测领域，缺点是因为激光功率密度有最大限度，受制于材料性质，所以激发效率与其他方法相比很低。

融蚀激发是指功率密度大于材料的承受范围（阈值）的入射激光照射材料表面，材料的某一区域在短时间内吸收大量激光能量导致材料局部发生汽化、熔化并产生等离子体，这些表面物质被喷射出来，离开样品表面，根据牛顿运动定律，会对样品表面施加一个反作用力，材料受力震动导致声波的产生（图2。1b）。通过融蚀激发得到的纵波和表面波的振幅强度较大，但是会对被照射材料产生一些损伤，所以不适合某些无损检测场合。

图2。1a  热弹激发          图2。1b  融蚀激发

激光超声检测技术与电超声技术相比，其一大特点是无损检测技术。所以，虽然融蚀激发的超声产生效率高于热弹激发，但是热弹激发对材料没有影响，所以热弹激发使用更普遍，范围更广。同时，本文的工作也是基于热弹机制。