1、 本科生毕业论文（设计）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增大激光激发超声波强度的方法 1 增大增大激光激发超声激光激发超声波强度波强度的方法的方法研究研究 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 引言引言 激光超声学是利
2、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
3、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固体中激光超声产生的机理机理 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
4、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 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 2 度升高，这部分介质发生膨胀，膨胀后介质发生形变。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增大激光激发超声波强度强度的方法的方法 为了要产生更大的超声波，可以从激光源和途径上着手
5、，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，
6、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
