2.1 激光超声的激发机理
在气体中由激光激发超声波主要有三种方法:气体吸收光能后通过无辐射弛豫过程产生超声波;在气体中发生光击穿产生;由一固体表面吸收光能后产生一热流流入相邻的气体而激发产生。在液体中激光激发超声波的机理主要有:极化液体在激光激发下产生电致伸缩;液体吸收光能而发生的热膨胀;以及液体的光击穿或形成等离子体等均能产生超声波,这当中光击穿产生超声波的效率最高。一般情况下,固体中激光激发超声的机理有两种即热弹机制和烧蚀机制。本文主要对固体材料中的超声波进行研究,因此重点讨论激光在固体中激发超声波的机理。
所谓的热弹机制是指当入射激光功率密度低于固体表面的损伤阈值,所产生的热量不足以使表面熔化,样品内的超声波脉冲由样品吸收激光能量发生热弹性膨胀产生。热弹机制下,照射到样品表面的脉冲激光,一部分能量被样品表层吸收,一部分被样品反射。一般情况下,为了提高激光超声的效率会在样品表面涂上涂层,以此来增加表面的光吸收(通常用于金属表面)。吸收光能的表层部分,温度上升,发生热膨胀,膨胀后样品发生形变。这时的热膨胀形变与介质所吸收的能量成正比。由于入射光波为脉冲形式,样品表层的形变也是周期性的,周期形变在周围的介质中激发了超声波。这种情况下激发得到的波的偏振方向与表面平行,并且当金属表面为自由表面时,主要的应力与表面平行,与表面垂直的应力很小