張印印畢業(yè)論文

1、分類號：O439 本科生畢業(yè)論文（設計）題目：增大激光激發(fā)超聲波強度的方法作 者 單 位 物理學與信息技術學院 作 者 姓 名張印印專 業(yè) 班 級物理學四班 指導教師（職稱）莫潤陽（副教授） 論文（設計）完成時間2013年5月 增大激光激發(fā)超聲波強度的方法研究張印?。兾鲙煼洞髮W物理學與信息技術學院，西安，710062）摘要：簡單介紹了激光超聲產生的主要機理，這項技術在激光致聲轉換始終效率過低，文中分別從增大激光能量和提高材料對光的吸收倆個方面提出增大產生超聲各種方法。其中激光器的腔內鎖模技術、激光放大技術、點光源變?yōu)榫€光源到激光陣列、激光的定向位排布還有激光束的相干合成技術是從增大激光能量的

2、出發(fā)的，表面修飾技術是從提高材料對光的吸收出發(fā)的。關鍵字：激光超聲；聲表面波；激光線源；線源列陣1引言激光超聲學是利用激光來激發(fā)和檢測超聲、并開展超聲傳播和媒質特性等研究的新興交叉學科1。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術相比,激光超聲技術不需要使用耦合劑，容易于實現(xiàn)遠距離的遙控控制,還可以應用于如高溫高壓高濕、有強腐蝕性、有輻射等環(huán)境中,并且能實現(xiàn)工件的實時在線檢測,具有快速、非接觸、不受被檢對象結構形狀影響等優(yōu)點，因此，它更有利于材料的無損評估和其他學科的應用，如材料表征，缺陷檢測，加工過程檢測，以及復雜形貌的工件或高溫高壓等惡劣環(huán)境下設備的檢測等。在20世紀90年代形成的這一激光超聲學，近年來已發(fā)展成

3、超聲學中的重要分支之一，并在激光超聲信號的激發(fā)與接收、傳播以及應用等方面都取得很大的進展2?？墒悄壳凹す獬晫W的應用普遍有一個問題，光聲轉換效率并不高，光聲轉換效率是激光激發(fā)超聲技術研究中重點關注的核心問題，光致聲波的低強度限制了這項技術的實際應用3，本文就如何增大激光激發(fā)超聲波強度進行了分析和總結。 2固體中激光超聲產生的機理 激光技術出現(xiàn)于19世紀60年代,它具有高亮度、單色性強和相干性好等優(yōu)點,在很多領域實現(xiàn)了應用,與其他學科的互相滲透也越來越廣,帶動其它學科出現(xiàn)新的活力,激光超聲技術就是在這種條件下產生的一項新技術4。激光激發(fā)超聲激發(fā)機制主要有三種:熱膨脹機制、汽化機制和介電擊穿機制,

4、其中熱膨脹機制產生的聲波具有較好的可重復性和控制性,因此是最普遍采用的一種機制。在固體中激光激發(fā)超聲波的主要機理是熱彈性機制，試樣內超聲波脈沖主要是由于試樣吸收光能發(fā)生熱彈性膨脹而產生的。當試件表面的激光能量不足以使表面熔化，照射到不透明試樣表面的脈沖激光，其能量大部分被淺表層吸收，一部分被反射。吸收光能的淺表層部分，溫度升高，這部分介質發(fā)生膨脹，膨脹后介質發(fā)生形變。這種熱膨脹形變大小與入射到介質上的光能量成正比，相當于材料的體積增加了。由于入射光波是脈沖的，淺表部分的形變也是周期性的，周期形變在周圍介質中激發(fā)了超聲波5。3增大激光激發(fā)超聲波強度的方法為了要產生更大的超聲波，可以從激光源和途徑

5、上著手，其中的一個是增大激光源的能量，也是增大超聲波強度的最直接的辦法，或者是想辦法讓在同等激光能量的條件下，產生的超聲能量變的更大一些，這是在途徑上著手，其中表面修飾技術就是途徑上著手的一種方法。3.1激光器的選擇不同的激光器都有不同的特性，不同機理的激光器它所能產生的激光功率也是不同的，所以要想提高激光器的能量對于激光器的選擇尤其重要?，F(xiàn)在用于激光激發(fā)超聲波的激光器有：Nd:YAG 激光器、二氧化碳激光器、氮激光器和染料激光器等。由于 Nd:YAG 激光器功率比較大，所以使用最多。另外，雖然連續(xù)激光器的平均功率可以比脈沖激光器大，但是其瞬時功率比脈沖激光器小得多，且調制光束時連續(xù)激光器的功

6、率損失比較大，因而現(xiàn)在使用脈沖激光器比較多。目前最常用的激光超聲激發(fā)技術是用脈寬約 10ns 的 Nd:YAG 脈沖激光束。隨著技術的發(fā)展激光器也相應的得到了發(fā)展，激光脈沖寬度進一步壓縮（壓縮至 ps 級，或 fs 級），在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機理的基礎上，也逐漸形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。想要得到自己滿意的超聲波，需要選擇比較一個比較合適的激光器。3.2激光器的腔內鎖模技術為了增大激光激發(fā)超聲波強度，提高激光源的輸出激光能量，有一種新的脈沖壓縮技術，激光器鎖模技術就能夠獲得極高的峰值功率（-W），其峰值功率之所以大，是由于把能量壓縮在極短的時間內釋放出來的緣故。由此知激光器的鎖模技術也可提

7、高激光能量，進一步增大激光激發(fā)超聲波強度。自由運轉激光器的輸出一般包含若干個超過閾值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。鎖模技術讓諧振腔中可能存在的縱模同步振蕩，讓各模的頻率間隔保持相等并使各模的初位相保持為常數(shù)，激光器輸出在時間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。假設模振幅相等=, 光強相等，則激光器輸出的總光波場是2N1個縱模相干的結果.則輸出光強：（1）光強隨時間而變化。輸出脈沖的峰值(最大光強)：（2）由此可見,鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時提高了(2N+1)倍?？梢酝ㄟ^激光器的腔內鎖模技術來提高輸出激光能量，以增大激光激發(fā)超

8、聲波的強度。3.3激光放大技術激光放大器和激光(振蕩)器都是同一物理過程（受激輻射的光放大），但激光放大器（行波）沒有諧振腔。工作物質在共泵浦作用下，處于粒子束反轉狀態(tài)，當從激光（振蕩）器產生的光脈沖信號通過他時，由于入射光頻率與放大介質的增益譜線相重合，故激發(fā)態(tài)上的離子在外來光信號的作用下產生強烈的受激輻射。這種輻射疊加到外來光信號上而得到放大，因而放大器能輸出一束比原來激光亮度高的多的出射光束6。激光放大器要求工作物質具有足夠的反轉粒子束，以保證光脈沖信號通過它時得到的增益大于介質內部各種損耗。另外，為了得到共振放大，要求放大介質有與輸入信號相匹配的能級結構。采用行波放大技術有如下優(yōu)點：其

9、一，由于激光束一次通過放大介質，因此介質的破壞閥值可以大大提高，即在相同的輸出功率密度下，放大器的工作介質不易被破壞；其二，當需要大能量激光時，可以根據(jù)需要采用多級行波放大，放大器逐級擴大激光束的孔徑，而每級的工作物質長度可以縮短，這樣有利于防止超輻射和自聚焦的破壞；其三，振蕩器-放大器系統(tǒng)，可由振蕩器決定其脈沖寬度、譜線寬度和光束發(fā)散角等，而由放大器決定其脈沖的能量和功率，所以二者結合起來，既可以得到優(yōu)良的特性，又能夠大大提高其輸出激光的亮度。圖1. 激光放大器工作示意圖圖1為激光器與放大器串接工作的示意圖。當?shù)谝患壿敵龅募す膺M入放大器時，放大器的激活介質恰好被激勵而處于最大粒子數(shù)反轉狀態(tài)，

10、既產生共振躍遷而得到放大。為了獲得性能優(yōu)良的高能量激光，應用激光放大技術是一種最佳方法，通過此方法也可以實現(xiàn)提高激光激發(fā)超聲的波的強度。3.4將點光源變?yōu)榫€光源1980 年，K.Aki 和 Richard7對超聲波熱膨脹體積源進行研究，得到熱彈位移表達式：u n( x,t)= (,t)* (x,t)/jdV()Dv() （3）圖2.有限長線光源的坐標系如圖2，設定坐標系統(tǒng)（x，y，z），（x，y）為工件表面平面，z 為指向工件表面的方向。假設 y 方向長度為 2d，寬度很窄的激光線光源聚焦于工件表面（x-y平面），線光源的中點位于坐標原點。根據(jù)疊加原理，對于此光源，x 軸上垂直表面的位移u03

11、(x,t)可寫作線積分式 u03(x,t)= 0dw(y) u03(l,t)dy（4）最終x 軸上垂直表面的位移u03(x,t)= exp(-/) H ()（5）從式（5）中，我們可以看出:由高斯分布的脈沖激光形成的有限長細線光源產生的近場區(qū)表面波具有單極性、振幅不隨距離而改變的特性，其幅值大小主要與線光源中心的能量分布密度有關，而且表面波的波形與脈沖激光的時域波形相映射。由點光源變成線光源可以明顯改善所產生的表面波的質量：因為是線光源，所以在保持相同的功率密度的前提下，可以將比點光源更多的激光能量投射至物體表面，以產生更強的表面波，又不會破壞物體表面。 (a). 線光源產生的表面波信號波形

12、(b). 點光源產生的表面波信號波形圖3. 激光光源產生的超聲信號波形圖 3(a)，(b)所示為在相同能量的前提下，利用線光源和點光源產生的超聲信號?？梢钥闯觯壕€光源產生的信號要比點光源產生的信號幅度強的多（大約 5-10倍）。同時由于線光源將能量分布在線長的范圍內，這樣既降低了能量密度，而且不會燒蝕表面8。因此將點光源變?yōu)榫€光源可以提高激光激發(fā)超聲的超聲脈沖。3.5激光源的陣列激發(fā)超聲Mckie等9提出了應用激光陣列作為激發(fā)源的方法,可以增大檢測點處的位移信號幅值。 激光陣列源是由多個相同的脈沖線源按一定方式排列后作用于材料表面上的,對于陣列中的每個線源均符合Royer等人提出的有限長、有限

13、寬激光線源。激光激發(fā)超聲表面波的理論模型，激光陣列源可以在熱彈性機制下激發(fā)出有足夠功率的窄頻帶且方向性可調的窄帶聲脈沖,它不但可以通過增大激發(fā)出聲波信號的幅值達到改善系統(tǒng)的信噪比的目的,設置合理的時間延遲(Timedelays)還可以控制波束能量的傳播方向,從而應用超聲波束對整個區(qū)域進行扇形掃描(Sectorialscanning)。圖4.激光陣列激發(fā)超聲波束在檢測點處發(fā)生干涉疊加原理圖圖5.激光列陣激發(fā)的超聲波發(fā)生干涉疊加等效計算模型如圖4所示,通過對激光陣列中各線源的激發(fā)時間進行設置,可使得陣列中各線源激發(fā)出的超聲波在檢測點處發(fā)生干涉疊加,于是檢測點處聲波的位移幅值將明顯增大,激光陣列源激

14、發(fā)出的超聲波發(fā)生干涉疊加的等效計算模型如圖5所示,d為陣列元的間距,P為接收點,是波陣面?zhèn)鞑シ较蚺c激光入射方向的夾角，當陣列源中各線源同時激發(fā)時,到達P點的聲信號是由各元激發(fā)出的聲波(最右邊陣列元激發(fā)出的聲波最先到達,直至最左邊的線源激發(fā)的聲波最后到達)的組合，如果對陣列源設置時間延遲，當來自前一個激發(fā)源的聲波到達時，來自后一個相鄰激發(fā)源的聲波緊隨到達，波束將會在空間中發(fā)生干涉疊加，設其等效波陣面沿方向,這時就得到了窄帶的聲調頻脈沖。激光陣列是采用增大檢測位置處的值，等間距排列的激光脈沖投射到樣品表面上時,經過時間調制后的脈沖同時到達檢測點處，對于N個激發(fā)源在檢測點處所激發(fā)出的位移相疊加后為:

15、total=DN()A(t,+)IN（6）其中,R為光束傳播時而引起幾何損失的球形傳播系數(shù),m是與Rayleigh波在二維空間和橫波與縱波在三維空間中幾何傳播相同的一個值。D是與激發(fā)源和聲波類型(橫波、縱波和Rayleigh波)相關的方向性函數(shù),為陣列中單元激發(fā)的超聲波方向角,A是陣列因子(是關于相鄰脈沖的時間間隔、源到探測點距離r和聲波速c的函數(shù)),I是激光脈沖源特征激發(fā)函數(shù)10。由于激光陣列中的各激發(fā)元都是相同的線源,相互間距均相等,設定適當時間延遲,使得各元激發(fā)出的超聲波同時到達檢測點,則有：totalND(A(t)INsingle（7）對于在固體表面?zhèn)鞑サ腞ayleigh波,為了得到干

16、涉疊加后的巨表面波11,源先后的激發(fā)時間間隔,即時間延遲設為:=（8）其中，cR為材料中Rayleigh波傳播的速度。激光器陣列產生的表面位移為所有線光源的疊加總和，則知道激光器陣列可以提高激光在固體表面的位移，要比點光源與線光源有更好的效果。由文獻9知道,隨著陣列元線半寬a值的減小,激光陣列源激發(fā)出聲表面波的位移信號幅值增大,脈寬減小,頻寬變大.隨著激光陣列中相鄰陣列元間距的增大,幅值發(fā)生疊加的聲表面波在到達檢測點的時間出現(xiàn)不同的延遲,而接收到聲表面波信號的位移幅值出現(xiàn)了減弱.隨著激光陣列源中的陣列元數(shù)目的增多,其所激發(fā)出聲表面波的位移幅值成線性增加,十元陣列激發(fā)出的聲表面波位移幅值約為單脈

17、沖線源激發(fā)時的十倍數(shù)值模擬的結果與wagne等人11,12,13的實驗結果相吻合。3.6激光的定向位排布激光源經過定相位排列后,在某一方向上產生的超聲波幅度比傳統(tǒng)單一源產生的超聲波幅度要強很多14。激光的定相位排列是指一些有時間相位延遲的脈沖激光源按某一方式排列照到物質表面,可產生某一方向加強的超聲波方式，節(jié)脈沖源的時間和空間分布,得到超聲場內的某一方向超聲干涉加強。圖 6. 激光的定相位排列產生超聲波因此,定相位產生的超聲波方向模式u(,)由單一源產生的超聲波方向模式ue(,)和排列因素Ia(,)共同決定。表達式為u(,)=ue()Ia(,)（9）u(,)表示在固定間隔下超聲波模式的強度分布

18、,為超聲波長,為選擇的超聲波加強方向與表面方向的夾角,d為相鄰脈沖源中心的間距,為相鄰脈沖源間的時間延遲,c為超聲波速。需要注意,由于縱波和剪切波在同一種媒質中有不同的傳播速度,所以,它們的排列因素是不同的。通過模擬計算可得到定相排列激發(fā)與傳統(tǒng)單一源激發(fā)產生超聲波的強度如圖7。圖7. 定相排列激發(fā)與單一脈沖源激發(fā)超聲波的強度比較由圖7可看出激光源經過定相位排列后,相同的激光脈沖強度下,在某一方向上產生的超聲波幅度比單一激光源產生的超聲波幅度要強很多,采用此種方法可有效地加強脈沖激光對超聲波的激發(fā),相比傳統(tǒng)的激發(fā)方法有大幅度的信號加強。通常,激光定相位排列可通過長度不同的光纖排列傳輸激光來實現(xiàn),

19、也可通過移動激光源來實現(xiàn).在這里提供一種通過光纖法實現(xiàn)激光定相位排列激發(fā)超聲波：把km (k、m為正整數(shù))根光纖做成光纖束,其中有k種長度的光纖,分別為l、l+l、l+2l,每一種有m根。與激光器耦合的輸入端用光纖卡盤固定在一圓內,使得光纖能夠自由受力而又不松散;輸出端光纖也由光纖卡盤固定,并按種類直線排列為k排(激光線光源比點光源有更好的超聲激發(fā)15).由光纖出射的脈沖激光是發(fā)散的,其照射面積是光纖出口與樣品表面距離的函數(shù),為了得到好的照射強度,在光纖出口處放置一個聚焦透鏡。3.7激光束相干合成技術隨著光纖激光應用領域的不斷拓展，對其功率的要求也越來越高，目前1070nm 單模光纖激光器的最

20、高輸出功率可達10kW16，多模激光器最高輸出功率已超出50kW17。但是受到摻雜光纖非線性效應、熱損傷以及光學損傷等物理機制的限制，單纖輸出功率的提升空間受限18。為了進一步提高光纖激光器輸出功率，業(yè)界采用相干合成等光束疊加合成技術，將相干合成引入相位控制機制，各光束間的相位差鎖定為一個恒定值，從而提高了合成光束的相干性和光束質量，其峰值光強比非相干合成時提高了 N 倍( N 為參與合成的光束數(shù)目) ，因此相干合成受到格外重視。多光束激光相干合成是一種能在保持激光光束質量的同時,又成倍提高激光輸出功率的有效手段19,其核心就是通過精密相位控制,使多臺激光器的輸出相位保持一致,這些光束就因相互

21、干涉實現(xiàn)多光束激光的相干迭加20,從而在特定空間高效集中多路激光的輸出能量或功率。在波動光學中,激光的光場可用定態(tài)標量波來描述. 對于一束波長為的激光,其復振幅U在空間的分布滿足高斯光束的形式,即: U(x,y,z)=expexp(10)光強I則為復振幅的模的平方,即: I=|U|2根據(jù)波的迭加原理,多列波同時存在時,在它們的交迭的區(qū)域內每點的振動是各列波單獨在該點產生的振動的合成,其數(shù)學表達式為：U(P)=U1(P)+U2(P)+U3(p)+而總光強為Itotal=|U|2=|U1(P)+U2(P)+U3(p)+|2(11)產生干涉的必要條件為:頻率相同,相位差恒定,有平行分量。將復振幅的表

22、達式(10)代入式(11)就可以得到相干迭加后的光強。由此可知，多路激光相干疊加后能使總光強變大。通過計算機軟件可以模擬了相干合成效果，模擬出了光源不同排布對光束相干合成效果的影響，假設一多光束激光相干合成系統(tǒng)由16個相干光源組成，每個相干光源的性能完全相同,如工作波長為1064nm,工作模式為TEM00模,則當激光束腰直徑為2mm時,發(fā)散角為0. 677mrad。模擬結果表明,相干光源呈圓形排布時所獲得的合成功率密度最高,矩形排布次之,十字形排布再次之,一字形排布最差,在上述四種情況下,主峰的功率密度比約為5. 81. 61. 11。相干合成系統(tǒng)中光源相位變化對相干合成效果也有很大的影響。讓

23、相干合成系統(tǒng)中各光源在輸出端相位保持一致時,模擬發(fā)現(xiàn),當相干光源間間距加大時, 相干合成的效果將急劇變差。產生這種現(xiàn)象的根本原因是這些相干光在目標上的相位不一致。因此,只要通過某種方法使這些相干光在目標上保持完全相同的相位,則在目標處所有的光源相干迭加將會產生一個極大值，那么這時候產生的效果就會好一些。由此,逐路的進行調整相干合成系統(tǒng)中各光源輸出端的相位,讓它們在目標位置處的相位完全相同,從而在目標位置處相干迭加產生一個極大值，獲得最高的激光功率密度,即獲得最佳的相干合成效果。這種情況下,目標位置處主峰的峰值功率密度是只讓各光源在輸出端相位保持一致時主峰峰值功率密度的3倍?？梢?在多光束激光相

24、干合成系統(tǒng)中,當各相干光源相位能保證在目標位置處相位相同時,其主峰處功率密度最強21。需要指出的是,上述為了使理論表述清楚,討論的多光束激光相干合成理論均是建立在系統(tǒng)中每路激光都以單縱模方式工作這一假設條件的基礎上。通過簡單的推導,這一理論就可擴展到多縱模方式工作的多光束激光器相干合成系統(tǒng)中。高功率激光的相干合成由于技術難度大,到目前為止,還并未取得實質性的突破。雖然多光束激光相干合成技術難度大，但是這也為我們提供了一種理論方法提高激光能量，進而增大激光激發(fā)超聲波。由此知對激光束進行相干合成能夠提高激光的功率，因此這也是一種提高激光激發(fā)超聲波的方法。3.8表面修飾技術光聲轉換效率太低是阻礙激光

25、超聲開發(fā)利用的主要原因之一，加大激光輻射能量是提高超聲強度的主要途徑.可是加大激光輻射能量是有限度的，如果能量過大會損害樣品表面，那么研究學者想出了既能最大限度的利用激光能量又不會對樣品造成損害，對于不透明介質,在脈沖光照下,部分光能被淺表層吸收,一部分被反射.由此一些學者開始研究如何來提高光的吸收效率，減少光的散射，以提高光聲轉換效率.表面修飾技術22就可以達到目的，表面修飾眾多技術中濕表面技術是最簡單而有效的。在試樣表面涂一層油,放一滴水,或噴涂一層吸光膜,不僅可以在較低的光功率密度下產生滿意的超聲脈沖,而且又可防止表面損傷。在樣品表面涂上各種不同的液體涂料，能夠很有效的提高對光的吸收效率

26、，不同種類的涂料會對光能量的吸收起到不同的增強效應.有些研究學者對部分表面涂料進行了實驗，得到了相同入射光下不同涂層對產生縱波幅度的影響的具體數(shù)值，見表123。表1. 樣品表面涂層對縱波幅度的影響表面涂層與未涂層表面相比縱波幅度增加的dB數(shù)鋁銅低碳鋼輕油252726硅脂212426水212324丙酮252432無光黑漆223638無光白漆252922表1中說明了樣品表面涂層會對縱波幅度產生不同程度的影響.如果材料對光能量吸收強，就降低了對光源輻射功率的要求。采用這種方法可充分利用光源功率,增強了光聲信號,在較弱的光照下也可進行測量;較好地消除了散射光.由表知道通過表面修飾技術只能適當?shù)奶岣呒す?/p>

27、激發(fā)超聲波的強度，但這類方法重復性較差,且只適用于很少的場合中。4 總結上述的能夠提高激光激發(fā)超聲的聲波的方法有選擇合適的激光器，激光器的腔內鎖模技術、激光放大技術、點光源變?yōu)榫€光源、激光的定向位排布、激光束的相干合成技術，還有表面修飾技術。其中前幾種辦法其目的都是如何去增大激光的能量，最后的表面修飾技術是在相同的激光能量下如何去提高材料對光的吸收效率，讓在同等的激光能量下獲得更大的超聲。但是增大激光能量是獲得更大超聲的最直接的辦法，也是效果最為明顯辦法，而表面修飾技術只能適當?shù)脑龃螽a生的超聲波，因此在今后的激光激發(fā)超聲實際應用中應當致力于想辦法增大激光能量上。但是在實際的應用中激光能量并不是

28、可以無限的大的，當需要激光激發(fā)超聲的時候，需要依據(jù)條件來進行合理的選擇，綜合起來進行選擇，也可以多項技術綜合利用，達到最終的實驗目的。參考文獻1C.B.Scruby,L.E.Drain.Laser ultrasonics: Techniques and applications M.Hilger,Briston,U.K,1990.2錢夢碌.激光超聲學的若干進展.A 同濟大學聲學研究所, 1000-3630(2002)0102-0019-06:19.3SV Egerev. In search of a noncontactunderwater acousticsourceJ. Acoustica

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