1、 分类号： O439 本科生毕业论文（设计） 题目： 增大激光激发超声波强度的方法 作 者 单 位 物理学与信息技术学院 作 者 姓 名 张印印 专 业 班 级 物理学四班 指导教师（职称 ） 莫润阳（副教授） 论文（设计）完成时间 2013 年 5 月 1 增大 激光激发超声 波强度 的方法 研究 张印印 （ 陕西师范大学物理学与信息技术学院 ，西安， 710062） 摘 要 ： 简单介绍了激光超 声产生的主要机理，这项技术在激光致声转换 始终效率过低， 文 中 分别 从增大激光能量和提高材料对光的吸收俩 个方面提出增大产生超声各种方法。其中激光器的腔内锁模技术、激 光放大技术、 点光源变为
2、线光源 到激光阵列 、激光的定向位排布还有激光束的相干合成技术是从增大激光能量的出发的，表面修饰技术是从提高材料对光的吸收出发的。 关键字 ： 激光超声； 声表面波；激光线源；线源列阵 1 引言 激光超声学是利用激光来激发和检测超声、并开展超声传播和媒质特性等研究的新兴交叉学科 1。 与 传统的超声检测技术 相比 ,激光超声技术不需要使用耦 合剂 ，容 易于实现远距离的遥控 控制 ,还可以应用于如高温高压高湿、有强腐蚀性、 有辐射等 环境中 ,并且能实现工件的实时在线检测 ,具有快速、非接触、不受被检对象结 构形状影响等优点， 因此，它更有利于材料的无损评估和其他学科的应用，如 材料表征，缺陷
3、检测，加工过程检 测，以及复杂形貌的工件或高温高压等恶劣环境下设备的检测等。 在 20世纪 90年代形成的这一激光超声学，近年来已发展成超声学中的重要分支之一，并在激光超声信号的激发与接收、传播以及应用等方面 都 取得很大的进展 2。可是目前激光超声 学 的应用普遍有一个问题，光声转换效率 并 不高， 光声转换效率是激光激发超声 技术研究中重点关注的核心问题，光致声波的低强度限制了这项技术的实际应用 3，本文就如何 增大激光激发超声波强度 进行了分 析和总结。 2 固体中激光超声产生的 机理 激光技术出现于 19世纪 60年代 ,它 具有高亮度、单色性强和相干性好等优点 ,在很多领域实现了 应
4、用 ,与其他学科的互相渗透也越来越广 ,带动其它学科 出现新的活力 ,激光超声技术就是在这种条件下产生的一项新技术 4。 激光激发超声 激发机制主要有三种 :热膨胀 机制 、汽化 机制 和介电击穿 机制 ,其中热膨胀机制产生的声波具有较好的可重复性和 控制性 ,因此是最普遍 采用 的一种机制。 在固体中激光激发超声波的主要机理是热弹性 机制 ， 试样内超声波脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的 。 当试件表面的激光能量不足以使表面熔化， 照射到不透明试样表面的脉 2 冲激光， 其能量 大 部分被浅表层吸收， 一 部分被反射。吸收光能的浅表 层部分，温度升高 ，这部分介质发生膨胀，膨
5、胀后介质发生形变。这种热膨胀形 变大小与入射到介质上的光能量成正比，相当于材料的体积增加了。由于 入射光波是脉冲的，浅表部 分的形变也是周期性的，周期形变在周围介质中激发了超声波 5。 3 增大激光激发超声波 强度 的方法 为了要产生更大的超声波，可以从激光源和途径上着手 ，其中的一个是增大激光源的能量， 也是增大超声波强度的最直接的办法，或者是想办 法让在同等激光能量的条件下， 产生的超声能量变的更大一些 ，这是在途径上着手，其中表面修饰技术就是 途径上着手的一种方法。 3.1 激光器的选择 不同的激光器都有不同的特性，不同机理的激光器它所能产生的激光功率也是不同的，所以要想提高激光器的能量
6、对于激光器的选择尤其重要。 现在用于激光激发超声波的激光器有： 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 激光器功率比较大，所以使用最多。另外，虽然连续激光器的平均功率可以比脉冲激光器大，但是其瞬时功率比脉冲激光器小得多，且调制光束时连续 激光器的功率损失比较大，因而现在使用脉冲激光器比较多。目前最常用的激光超声激发技术是用脉宽约 10ns 的 Nd:YAG 脉冲激光束。随着技术的发展激光器也相应的得到了发展， 激光脉冲宽度进一步压缩（压缩至 ps 级，或 fs 级），在热弹激发和烧蚀激发机理的基础上， 也逐渐 形成了一些新的激发超声波的方法。 想要得到
7、自己满意的超声波 ， 需要 选择 比较 一个比较 合适的激光器。 3.2 激光器的腔内锁模技术 为了 增大激光激发超声波强度 ，提高激光源的输出激光能量， 有一种新的脉冲压缩技术，激光器 锁模 技术 就 能够获得极高的峰值功率（ - W），其峰值功率之所以大，是由于把能量压缩在极短的时间内释放出来的缘故。 由此知激光器的锁模技术也可提高激光能量 ，进一步增大激光激发超声波强度 。 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，这些模的振幅及相位都不固定，激光 输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。 锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。 假设 模振幅相等 = , 光强相等 ， 则激光器输出的总光波场是2N 1 个纵模相干的结果 .则 输出光强 ： （ 1） 2202s i n ( 2 1 )2()s i n2tNI t E t
