激光在人类牙齿中激发超声的数值模拟(2)
3.3.1 不同裂纹深度对声表面波反射回波的影响 23
3.3.2不同缺陷深度对应的声表面波直达波峰峰值与探测位置的变化关系 25
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 绪论
1.1 研究背景和研究意义
上世纪优尔十年代激光被发明，并很快引入光声领域[1]，最早是White[2]和Askayan[3]于1963年各自提出了用脉冲激光在固体和液体中激发超声的方法。接着Ramsden[4]、Bunkin[5]和Steginan[6]观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的点火或燃烧波，都会随距离和时间的增加而衰变为声波[7]。自此以后激光激发应力脉冲(声脉冲)的研究就不断的发展起来，在三种媒质中的激发研究均有很大进展。
在1962、1963年，White演示了固体靶由于吸收激光、微波、电子束等辐射脉冲而产生弹性波的实验，也提出了由瞬态表面热化而产生弹性波的一文理论。不久又演示了用红宝石激光器激发，用梳状换能器接收声表面波的实验。追溯起来，这就是激光超声技术的开始。
1976年Bondarenko[8]等首先将激光超声技术应用于材料实验，用调Q红宝石激光器激发，用带宽为5kHz至150MHz，位移灵敏度为1e-9m的干涉仪检测由有两层抛光的不锈钢板钳在一起的人工缺陷。1980年Calder[9]等用Nd:Glass激光器激发，检测来自制作在25mm厚的铝板中心的人工圆柱缺陷的散射波。Wellman[10]等用能量为1J的红宝石激光器激发，用干涉仪检测，分辨出两个直径为2mm的平行的人工钻孔缺陷。后来Hutchins和Nedeou[11]等用Nd:YAG激光器，E。<0.8J和带宽为40MHz，灵敏度为1nm和具有低频稳定系统的干涉仪进行表面缺陷的检测[12]。
在固体中，激光激发超声波的机理主要有两种：当入射激光能量较低，不足以产生材料的熔融时，激光超声的主要激发机理是热弹性激发[13,14],固体材料吸收激光能量产生的热量来不及扩散，在材料中形成很大的温度梯度并导致材料的热膨胀，由于周围介质的约束产生出应力分布，应力场在介质中的传播产生出一脉冲超声波；当入射激光强度增加到一定程度，其能量可使晶格动能超出材料的弹性限度，导致材料表面熔融产生动量的传递和等离子体的形成，此时激光超声的主要激发机制就变为融蚀激发[15,16]。激光热弹机制下激发超声时，样品表面没有受到破坏，因此可以对材料进行多次重复测量，所以基于热弹机制的激光超声技术在材料的无损检测中得到越来越广泛的应用。然而，当激光能量控制在样品的融蚀阈值以下时，激发出的超声信号往往具有较小的强度与较低的信噪比。如何在不损伤样品表面的前提下，提高激光超声的激发效率是该技术应用的重要问题。本文中激光超声研究范围为激光热弹机制在固体材料中激发超声波。
随着激光超声理论和应用的不断发展，对激光超声产生和传播过程中激光与物质相互作用机理的研究提出了更高的要求。至今仍然没有一种理论可以涵盖整个激光超声无损检测的物理过程。激光超声无损检测中亟待解决的问题主要有：一是理论模型，即需要能够贯穿超声产生机制及激光输入参数、材料参数和超声信号之间的定量关系，也能分析纳秒量级的激光超声产生的热-结构耦合的物理过程；二是提高激光的激发效率，这需要改变激发源的形状及激光的参数。因此，有必要进一步研究不同激发源激发超声波的机理，建立正确的理论模型。在建模计算方面给出更合理化更精确的模型，从而最终用于材料的特性研究和材料的无损检测。
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