激光在人类牙齿中激发超声的数值模拟(5)
1． 认知牙齿隐裂的病因和检测方法,通过牙隐裂的病因确定激光超声技术在这方面的应用，从而建立一种有效的模拟手段来模拟激光在牙齿上激发超声的过程，来确定激光对牙齿的穿透深度和不损伤牙齿的能量范围。
2． 通过对激光激发超声的理论知识进行了解,知道激光激发超声的原理,从而依据模拟条件选择四种不同波长的激光,通过研究这四种不同波长的激光在牙齿上的激发效率，确定一个最合适的激发波长，通过有限元方法来模拟激光在牙齿上激发超声的过程。
3． 模拟四种不同深度的牙齿裂纹对激光激发的声表面波的传播影响，通过探测反射回波，得到声表面波的波速和通过分析可以等到牙齿裂纹的位置。对于早期的牙齿裂纹或者较为细小的牙齿裂纹我们采用扫描探测源方法来检测牙齿裂纹的位置和大小。
2 采用有限元方法研究激光超声问题的理论基础
2.1 声表面波的基本性质
2.1.1 声表面波的基本知识
激光在固体中激发超声，起因于光波列与材料物质的相互作用。不同的激光功率密度对应着不同的物理机制，主要有热弹机制和融蚀机制两种。当入射光功率密度较低不足以使材料表面熔化时，材料内超声波脉冲主要是由于材料吸收光能发生热弹性膨胀而产生，称为热弹机制;当入射光功率密度较高时(>10e7w/cm2)材料表面温度急剧升高至材料的熔点，产生烧蚀现象，导致表面小部分材料被汽化，形成等离子体，称为融蚀机制。在目前的理论中，热弹机制下激光超声的物理过程相对简单，其中包括瞬态热传导、瞬态弹性波的激发和在有限空间的传播。热弹理论相对比较完备，理论和实验基本符合。
一般固体介质除了能产生体积形变外，还会产生切应变，它除了具有体弹性外还具有切变弹性。因此，在固体中一般除了能传播压缩与膨胀的纵波外，同时还能传播切变波。在各向同性固体中，这种切变的质点振动方向与波的传播方向垂直，称为横波。除此以外，在固体的自由表面会产生振幅随离表面深度而衰减的表面波。声表面波首先为著名的英国物理学家瑞利所发现，因此也常称为瑞利波。
声表面波在超声检测中是十分重要的波形，在激光超声技术中也不例外。由于激光源可聚焦成很小(或很细)的点源(或线源)，使得这种波形能够对小和薄的样品进行有效的检测。而且可以扩展至电超声检测盲区以内。尤其是对材料各向异性性能的表征。此外，声表面波信号对材料表面和亚表面微小裂纹的检测高度敏感，非常适用于微裂痕的无损检测。
脉冲激光在热弹区表面波的激发效率最高，实验上最早实现脉冲激光激发声表面波的是White，最早同时观察到纵波、横波和表面波的是Lebdbetter[28]等。早期用接触或非接触式的机械空间的掩模，使光源成为光栅源，激发出的表面波波长与光栅间距相等，后来分别用线源、点源、环源激发宽频带声脉冲。频率上限与光源线度和光脉冲的 以及材料的表面波速度 有关。Anord等[27]提出当聚焦光斑的半径或半线宽。满足下式:
或 =
声表面波的激发效率最高，波形不畸变。因激光是高斯光束，实际起作用的线度是聚焦后高斯束腰中能量超过激发超声所需域值的线度，一般比真正的聚焦点要小(热弹区)。表面波的振幅与距离平方根成正比。人们曾经用过的接收方法中，压电和电磁换能器是属于狭带接收，PVDP膜、电容换能器和光探针是属于宽带接收。迄今为止，PVDF作接收器，频率可达150MHz，电容换能器作接收器，频率可达300MHz，干涉仪检测可达150MHz，一般带宽为20-50MHz，光偏转法可达20MHz以至1GHz。
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