1.1  激光超声的概述

当液体、固体或气体受到强的激光束（脉冲或连续）照射时会产生激波和声波。而激光超声技术主要是研究激光激发超声的机理、方法和技术，激光在媒质中传播特性，激光超声的接收原理、方法以及激光超声检测的应用，是一门涉及光学、声学、电学、材料学、生物学、医学等众多学科的技术。

利用脉冲激光激发超声是一种即方便又灵活的方法，它与传统的压电激发超声相比有如下的优点 ：(1)激光超声技术是光直接照射样品产生超声波，激光与样品之间无须耦合剂，也无需用水浸法作检测，是非接触式的，可消除因耦合剂引起的附加影响。(2)激光源和激光接收系统可放在远离样品(如已实现的有1.5-5m远)的地方。它有远距离激发和接收的特点，能在酸、碱、高温高压、及辐射等恶劣环境下进行检测。(3)可以在非压电体(金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等)中直接激发超声波，不须借助于压电换能器。(4)利用激光激发超声，能一次同时在样品中激发出纵波，横波和声表面波等波形。而电超声技术中一种换能器只能激发一种波型，不同模式波要用不同换能器。(5)用宽带测振仪作非接触式对心(即在样品激发点的中心垂直正对面称之为epicenter点)接收激光超声时，可同时接收到纵波和横波。若样品厚度已知，则可由一次实验求出该样品的纵波和横波的声速，进而求出弹性模量和泊松比。(6)当激光脉冲的宽度为 时，激发出超声脉冲的脉宽 与 相近而略宽些， 的加宽程度与材料特性有关。一般调Q脉冲激光器的 为40ns(红宝石激光器)，8ns(Nd：YAG激光器)。锁模/调Q激光器子脉冲的 -35ps和锁模染料激光器 -0.2ps或fs(10 s)，所以激发出的声脉冲也很窄，频带宽，而压电换能器却不可能做到。因而，激光超声技术检测材料特性的时间和空间分辨率可大大地高于电超声的分辨率。(7)激光声源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节。小的为几十微米( m)大的用扩束实现。有点、盘、线、环及栅状源等等。论文网

自1963年起，由White和Askaryan  各自独立提出用脉冲激光激发超声波。接着由Ramsden和Bunkin以及Stegman 观察到强激光在固体中产生爆炸波（LSD波）和大气中产生的点火或燃烧波（LSC波），实际上两种都是激波，由介质破裂引起的，都会随时间和距离增加而衰变为声波。1976年Bondarenko 等首先将激光超声技术用于材料试验，成功检测到由两层抛光的不锈钢板钳在一起的人工缺陷。然后Ledbetter 等用线源探测铝，第一次观察到体波（横波，纵波）和声表面波。Seruby和Dewhurst 等对激光在金属中产生的超声波形进行了定量测量，并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象。1992年Coufal 等在Si、Al等金属中用线源检测快响应的声波、表面波脉冲，测声速。之后Chai 等检测了声表面波的速度以及弹性模量。

1.2  激光超声检测的应用

从激光超声技术刚开始，就被用做测量弹性模量，杨氏模量，泊松比与温度的关系等等，美国O' Brien M H 等人利用激光超声对核反应堆中的石墨特性进行分析，德国PaulM 等人利用激光超声实现了对铝、陶瓷和钢在高温下(1400 ℃)的材料特性测量。

随着激光技术的不断发展，激光超声检测做为一种先进的无损检测方法，广泛用于金属、非金属、复合材料制件的无损评价 。在媒质中传播的超声携带了媒质内部的弹性性能及结构特征等相关信息，因而可以通过声波的速度、衰减及色散等参量来评价媒质的一些基本物理参数和特性。如果材料中存在不连续、裂隙或断层等局部声阻抗突变的区域，则探测声波会在这些区域发生散射也可以视为受到某种调制，进而导致声场分布特征发生显著改变。经过调制后声场的变化必然携带了材料内部缺陷或反常区域的状态信息。利用这些变化的声场来反演材料内部奇异区域的信息，实现对物体的缺陷进行检测，对材料进行物性评价。利用材料内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，可以非破坏性的探测出工件内部或表面缺陷（气泡、裂纹、焊缝等）的大小、形状及其分布情况。超声波检测以其检测灵敏度高、速度快、成本低等特点，在锅炉、铁路、桥梁、航空航天等领域得到广泛的应用。激光超声的脉冲宽度很窄，可达1 ns秒，频率可达几千兆赫，相应的波长只有几微米，大大提高了探测微小缺陷的能力，广泛应用于高精度的无损检测。英国的Hoyes J B，Shan Q 等利用波长为1.06um的Q开关Nd:YAG激光器作为激光光源(功率~2MW，脉宽20ns)，在样品表面产生超声波，用共焦的法布里-珀罗标准具接收，对铝板中的人工缺陷进行了检测，得到了令人满意的缺陷图像。为了提高对微缺陷的检测能力，Romine 等提出了扫描激光源方法，即作为激发源的激光沿材料表面扫描，探测点固定在缺陷远场区域接收声表面波。实验发现接收到的声信号幅度随激光源与内部缺陷的相对位置变化很大，当激光源扫描接近内部缺陷的位置时，由于内部缺陷边界的反射增强，信号幅度急剧增加，以此可以检测到内部缺陷的位置。D．Royer (2000)钼解析方法研究了激光线源热弹产生的近场和远场声表面波；W．Hassan 等(2003)数值模拟了声表面波与缺陷的相互作用，在缺陷深度接近声表面波波长情况下，讨论了经过缺陷反射后声表面波的反射系数，为表面缺陷检测提供理论基础。山中利用选择性的一系列的声表面波和声体波进行了相速度扫描方法(PVS) 。佐藤等人使用表面声波(SAW)检测千分尺的表面缺陷所产生的PVS方法。Takao TANAKA and Yasukazu IZAWA 利用一个调Q的Nd：YAG激光器产生超声波，一个倍频连续波Nd:YAG激光器结合一个法布里-珀罗标准具用于检测在碳钢表面的超声振动，成功地在碳钢样品中检测到一个直径为100μm的内部缺陷。文献综述