结合辅助加热的激光超声技术用于裂纹检测的实验研究(2)
超声波具有高能量，良好的方向性、穿透性，并且能够产生反射、折射和模式转换。利用激光激发和接收超声的技术称为激光超声[ ]。这一技术能同时在介质中产生纵波、横波和表面波等多种模态的超声波，且激发的超声波稳定性好、频带宽，探测距离远，可快速的进行全方面扫描。当将激光功率密度限制在一定范围内，可在不损坏工件使用性能和机械性能情况下激发出超声波，称为热弹激发。再利用基于光学原理的检测方法进行检测，从而实现无损检测的目的。自激光超声技术提出来，因集合超声与激光优点于一身，已成为无损检测尤其裂纹检测上重要的方式。
应用于裂纹检测的激光超声技术的发展历程主要有三个阶段：第一个阶段检测思路是把激光的激发由传统换能器改为激光激发，在距离裂纹较远处激发超声传播至裂纹处与裂纹相作用（反射、散射及透射等），再用探测器接收携带裂纹信息的超声信号，从而达到识别裂纹的目的。第二个阶段在第一阶段基础上，以适当的方式，使得激发源或探测源在样品表面移动，实现扫查，并检测与裂纹作用后接收携带信息的超声信号（主要指幅度、频率、延迟），从而达到识别裂纹的目的。第三阶段则是，由于实际裂纹粗糙不平滑或者微小，传统检测技术难以探测。在实际裂纹上施加载荷会引起裂纹闭合或移动，通过对由这种现象引起的参数调制、转移及差频、和频和倍频的声信号进行探测，从而达到对微小裂纹的检测的目的。作为应用于裂纹检测的激光超声技术第一阶段典型代表技术主要有脉冲回波法及投捕法等；第二阶段的代表技术主要有时间飞行散射法、扫描激光源法和双光源法等；第三阶段代表性技术主要有非线性混频激光超声法和基于光热调制的激光超声应用于裂纹检测。
2 激光的激发与检测
2．1 超声的激光激发
近年来，有关超声的激光激发问题，研究焦点主要集中在由激发光功率密度的不同而引起的几种激发机制上，主要有热弹机制、熔融机制、介质破损机制等。由于热弹机制是在不损坏工件性能前提下激发超声，并且本文中所涉及的是有关无损检测的内容，因此本文中着重分析了热弹机制。
当脉冲激光照射到材料表面时，光能的一部分被表面吸收，还有部分被反射。这部分被吸收的能量会使材料形成局部温度场，从而产生相应的形变，并最终产生超声波。热弹机制[ ]是指激发光功率密度达到一定值时使激发出的超声波可被检测的到，又需其不能超过一定值使得激发过程控制在无损范围内。当激发光功率密度继续增加，材料表面的温度就会超过其熔点，同时可能有等离子体飞出、出现熔融的现象，这就是超声激光激发的熔融机制。最后的介质破损机制主要是依赖于电子体积应变或断键激发超声波，其材料倒不会形成温度场。由于热弹机制下激发光功率密度较小，相比其他激发机制，激发效率最低，因此有时会在激发表面覆盖一层薄薄的液体或透明的固体以增加激发效率。
2．2 超声的激光检测
超声的常用的检测方法分为接触式和非接触式。由于灵敏度高、成本低，超声的接触式检测较早前在工业领域有着很大比例，但这类检测器件必须跟被检测材料接触才能发挥作用（或者用耦合剂耦合），并且受系统的影响带宽有限。典型的有压电陶瓷（PZT）、石英晶体、铌酸锂晶体、PVDF膜等。
超声的非接触式检测具有无需接触且良好带宽等优点，越来越被科研人员重视。非接触式检测法可大致分为电学检测法和光学检测两大类。其中电学检测法主要使用一些换能器如电磁声、电容或空气换能器等，由于依赖于电学的原理，因此被检测材料被限制为导体，并且在远距离检测时检测效率会大大降低；相比之下，光学检测法不仅可实现远距离探测，还拥有宽频带等优势。根据原理的不同，光学检测法可分为干涉法和非干涉法。干涉法[ ]原理主要涉及光的干涉，其探测是基于超声波在样品表面传播或到达表面时超声波位移引起的相位调制或频率调制来实现的。非干涉法[ ]主要涉及到光的反射、光的衍射以及光的偏转，分别是光反射技术、光衍射技术以及光偏转技术（又称刀口法），本文中相关实验只用到光偏转技术，以下将着重介绍。
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