激光参数对激光激发超声信号的影响分析

宋燕星，冯其波，王 晶，陈士谦

(1.发光与光信息技术教育部重点实验室，北京交通大学，北京100044;2.防灾科技学院防灾仪器系，河北三河065201)

1 引言

激光超声技术［1－2］是利用激光来激发超声，与传统的压电换能器技术相比，激光超声技术具有非接触、宽带、激发源高保真及点源、点接收等优点。该技术可用于材料表征，缺陷检测，加工过程监测，以及复杂形貌的工件或高温高压等［3－4］。而要实现该技术的工程应用，首先需针对应用对象的特点，研究分析各因素(包括检测方法、激光输入参数、信号探测方法等)对获得激光超声信号的影响［5－7］，从而为提高检测精度提供基础。本文以金属为研究对象，重点针对激光参数对激光激发超声信号的影响，理论分析照射光斑大小、脉冲能量等因素对激发超声信号的影响，并搭建一种应用脉冲激光激发超声的实验平台，实验验证理论分析结果。

2 理论分析

2.1 基本理论模型

当激光束垂直入射到光吸收系数为b，半无限大(z≥0)各向同性的固体表面时，固体因吸收光能而在其中形成相应的热源。其热源的功率密度为:

式中，f(t)表示激光强度的时间分布;I0是样品表面(z=0)激光入射中心的强度;函数g(r)是激光强度在光束截面中的空间分布。这时固体中该源所激发的温度场由热传导方程描述:

式中，T是温度增量;K是固体的热传导系数;Q是密度;Cν是等容比热温度的变化使固体膨胀产生超声场，由于存在轴对称性，用柱坐标来描述超声位移场U，其标势Φ和矢势Ψ(只有一个eθ方向上的分量)的方程为:

其中，β=α( 3λ+2μ)/ λ+2( μ)，λ，μ 为拉梅常数;cl是纵波波速;cs是横波波速。

由于边界上的热损失远小于激光源产生的热量，忽略边界上的热流，其边界条件为:

当z=0时，

式中，σzz，σzr分别为边界上应力张量的z方向和r方向上的分量;E为材料的杨氏模量;Ur，Uz分别为超声场位移矢量在r方向和z方向上的分量。

(2)推导过程

假设激光强度在时间上作简谐变化

其温度和位移势的稳态解为:

将公式(9)～(12)与公式(1)～(8)相结合，并将柱坐标(r，z)换成极坐标(R，θ)(θ是偏离z轴的角度)，求出远场情况下的径向位移分量UR(R，θ)和切向位移分量 Uθ(R，θ)，通过推导计算(参考文献［2］)，得出计算结果为:

式中，κ=K/ρCv为热扩散系数。

其中:

式中，σ是材料的泊松比;a为入射激光的光束截面半径;kl/b，ks/b为相对光穿透深度;kla，ksa为光吸收系数;ΘRp，Θθp，ΘRc，Θθc分别为 uRp，uθp，uRc，uθc的方向因子。

激光热弹超声场的分布应该由激光束性质、材料的物理性质及场点的位置决定，(13)～(26)式给出了它们的复杂关系。超声位移分量UR(R，θ)和Uθ(R，θ)的大小分别由两部分确定，在金属中，由于明显的热扩散和高于107的光吸收系数，uRp与uRc相比很小，可以略去，uθp与 uθc相比也很小可以略去，所以uRc，uθc代表了金属超声场的主要方面。

2.2 理论分析

(1)脉冲能量对超声振幅的影响

激光的脉冲能量对超声的激发有着重要的影响。由于入射激光能量正比于I0a2，从式(13)至式(18)可以看出，在功率密度低于固体表面损伤阈值时，超声激发机制主要由热弹性机制主导，此时在脉宽确定情况下，超声信号振幅的大小正比于入射激光能量，因此，在热弹性机制下提高入射激光的能量可以增强超声信号的强度，从而有利于提高检测灵敏度。

当功率密度高于固体表面损伤阈值时，会出现表面塑性形变、熔化、汽化以及产生等离子体等种现象，此时超声的激发主要由烧蚀机制主导。在烧蚀机制下，超声信号的强度(主是纵波信号强度)会大大增加，但同时也会改变超声场的特性。

(2)照射光斑大小

激光器本身的输出光束直径对于激发超声并不重要，因为光束直径可以通过光学方法轻易地实现扩束或缩束。但是，照射到固体表面的光斑直径却对激发超声有重要影响。在入射激光能量和脉宽一定情况下，照射光斑直径直接决定了照射到固体表面的光功率密度，即(其中，P表示脉冲激光功率密度;I表示激光脉冲能量;d表示照射光斑直径;n表示脉宽)，该参数会影响超声的激发机制。在保持脉冲能量不变的情况下，照射光斑直径越小则照射到固体表面功率密度增大，此时会增强超声信号的强度。

3 实验装置

为验证理论分析结果，本文搭建一种应用脉冲激光激发超声的实验平台，其结构图如图1所示。

图1 脉冲激光激发超声实验装置结构图

如图1所示，该方案中主要包括:超声激发单元、能量衰减单元、激光超声接收单元、显示存储单元及数据处理单元。其中，超声激发单元中，应用Nd∶YAG脉冲激光器作为激励源，该激光器脉冲能量为450 mJ，脉宽5 ns，波长1064 nm。当脉冲激光照射到检测目标时，目标表面会由于热弹效应产生超声。能量衰减单元由多片1/2分光镜和透镜组成，通过调整分光镜的数量来确定入射激光能量，通过调整透镜L1的位置来调整入射被测目标表面光斑大小。激光超声接收单元由超声探头构成。显示存储单元中通过示波器完成超声信号的显示、存储，而计算机完成数据后续处理。

4 实验结果

方案中通过能量衰减单元和聚焦透镜调整入射激光能量，从而实验分析入射激光能量对激发超声信号的影响，实验对象为5.4 mm铝板，实验结果如图2所示。

图2 实验结果图

表1表示图2中各结果图对应的实验条件信息及其对试件表面损伤结果。

表1 不同实验条件及其对应功率密度

结合表1给出的实验条件和图2中获得超声信号的实验结果图可以得出:被测对象表面的照射光斑直径越小，则入射激光功率密度越大，获得的超声信号幅值越大，这一实验结果符合之前理论分析结果。

5 结论

本文理论分析激光激发超声过程中，激光参数对激发超声信号的影响，并搭建脉冲激光激发超声的实验装置，对理论分析进行实验验证。通过理论分析及实验验证可得出照射光斑直径与激光能量会直接影响入射激光功率密度，从而影响激发超声的幅度。因此，在工业测量中，可根据检测要求调整入射光斑直径及功率密度的大小，以提高超声信号的强度和检测灵敏度。

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