雷射超聲技術

一、國内外研究概況及發展趨勢

      早在十九世紀，Bell就發現了光聲現象。即固體、液體或氣體在受到強光輻照時，吸收光能，體積膨脹:如果光強受到調制，即由物質的伸縮而産生聲波[1]。另外，樣品同時還有熱效應，一般合稱為光聲光熱效應。上世紀六十年代雷射被發明，并很快引入光聲領域，最早是White[2]和Askayan[3]于1963年各自提出了用脈沖雷射在固體和液體中激發超聲的方法。接着Ramsden[4]。Bunkin[5]和Stegman[6]觀察到強雷射在固體中産生的爆炸波和在大氣中産生的點火或燃燒波，都會随距離和時間的增加而衰變為聲波[7]。自此以後雷射激發應力脈沖(聲脈沖)的研究就不斷的發展起來，在三種媒質中的激發研究均有很大進展。在1962，1963年，White示範了固體靶由于吸收雷射、微波、電子束等輻射脈沖而産生彈性波的實驗，也提出了由瞬态表面熱化而産生彈性波的一維理論。不久又示範了用紅寶石雷射器激發，用梳狀換能器接收聲表面波的實驗。追溯起來，這就是雷射超聲技術的開始。 1976年Bondarenko等[8]首先将雷射超聲技術應用于材料實驗，用調Q紅寶石雷射器激發，用帶寬為5kHz至150MHz，位移靈敏度為10-9m的幹涉儀檢測由有兩層抛光的不鏽鋼闆鉗在一起的人工缺陷。1980年Calder等[9]用Nd:Glass雷射器激發，檢測來自制作在25mm厚的鋁闆中心的人工圓柱缺陷的散射波。Wellman等[10]用能量為1J的紅寶石雷射器激發，用幹涉儀檢測，分辨出兩個直徑為2mm的平行的人工鑽孔缺陷。後來Hutchins和Nedeou等[11]用Nd:YAG雷射器，Eo<0.8J和帶寬為40MHz，靈敏度為lnm和具有低頻穩定系統的幹涉儀進行表面缺陷的檢測[12]。 20世紀80年代初期，英國人C.B.cruby從事雷射超聲檢測技術産生機理的研究，由于對環境條件要求很高，無法實作工業化的應用。到20世紀80年代中期加拿大人J.P.Monchalin[13]建成了球面共焦Fabbry-Perot幹涉儀，首次實作了在lm遠處對未抛光的鋼闆進行雷射超聲的檢測實驗，這标志着超聲技術向實用化邁出一大步。Bourkoff等[14]采用τ=6ns，E0=10-21μJ的染料雷射器激發超聲，是使用低能量雷射激發超聲的開始。20世紀90年代中期，Y.dagata，J.huang，J.D.Achenbach和Krishnswamy等人進行了一系列的理論和應用研究工作，發表了一系列的論文[15]。與雷射超聲技術應用相平行的研究是雷射超聲激發機制、模式和方法等。1979年Ledbetter等[16]最先檢測到一次激發同時産生的縱、橫波、頭波和聲表面波。隻是雷射的E=0.3-1J，檢測時樣品表面有損。值得提出的是1980,1982年Scrub[17]，Dewhurst等[18]人對雷射在金屬中産生超音波作了定量的測量，并用面内正交力偶模型解釋了熱彈條件下的激發現象，用垂直力模型解釋了融蝕條件下的激發現象，為雷射超聲的應用技術打下了基礎。雷射超聲技術，用脈沖雷射照射固體表面激勵超音波，并用光學方法接收超音波，是目前無損檢測新技術以及材料特性評價研究領域中的熱門課題之一[19，20，21，22]。由于實驗條件複雜，涉及學科多，自上世紀六十年代至今，這方面的工作一直沒有停息過，八九十年代更是發展了很多理論，但還沒形成很成熟的理論。在實驗檢測方面，傳統的換能器越來越多的被光學方法所代替，包括幹涉法和光束偏轉法等。随着光學技術的不斷提高，這方面的研究也在飛速發展。目前，對于雷射超聲機理的研究主要有熱彈膨脹理論、電緻伸縮理論、光擊穿媒體理論和汽化膨脹理論等。由于電緻伸縮效應引起的形變十分微弱，光擊穿媒體效應尚處實驗和定性分析階段，汽化膨脹效應的發生是瞬時而激烈的，實驗難以控制，因而以熱膨脹理論方面的研究和報道較多。利用雷射超聲研究材料的特性和參量(諸如厚度、密度、彈性模量和泊松比等)引起了國内外學者的廣泛興趣和重視。雷射超聲技術對材料的力學特性可進行非接觸的線上檢測。随着航空航天、微電子工業中各種複合材料、薄膜材料的出現和應用，非常需要對材料的力學、熱學、光學性能和微結構進行測試分析。短脈沖雷射照射在固體表面上時能激發寬帶聲脈沖，可非接觸方式同時激發縱波、橫波和表面波等各種波型，是以雷射超聲技術在複合材料、薄膜一基底系統中進行參數和性能測試發揮着重要作用。近年來，雷射超聲産生機理和技術的研究有更大的發展，可用于生物、醫學等應用領域。特别是擴充對于固體材料熱學性質的定征，以及對具有生物活性的化學和生物的光化學反應動力學和熱力學的研究，顯示出雷射超聲具有其他技術難以替代的優越性[23]。與掃描探針顯微鏡相結合，還可開展納米尺度上材料物性的研究[24]。是以，随着科學技術的不斷發展，雷射超聲學在理論、技術和檢測系統，以及應用研究方面将會取得新的進展。聲表面波作為材料無損評估的一個有效手段已引起廣泛興趣。基于聲表面波平行表面傳播，他們與材料表面互相作用相當明顯，是以聲表面波是測定近表層性質的理想方法。利用短脈沖雷射激發瞬态聲波能檢測薄膜樣品或有固定形狀的試樣，包括聲衰減、相速度和缺陷等，進行介觀和微觀物性研究。大多數實驗采用了叉指換能器在壓電媒體激發和接收聲表面波或蘭姆波，這種方法很靈敏[25]。利用短脈沖雷射激發瞬态聲波可進行很寬的頻譜分析。通過測量脈沖形狀、衰減率和相速度可得到很多有用資訊。雷射超聲具有很多優異的特點，其發展和應用前景相當樂觀，但也存在一些亟待解決的問題。首要的問題是如何提高雷射能量到超聲能量的轉換效率。雷射超聲的融蝕激發比熱彈激發更有效，但它會損傷試樣表面。為了使雷射超聲技術成為具有優良檢測信噪比的無損檢測技術，近年來發展了各種表面修飾技術。濕表面技術是一種最簡單而又有效的表面修飾技術[26]。在樣品表面塗一層油，蒸一層吸光膜，或放一滴水，就可以産生類似融蝕激發源相當的效果，而又不損傷試樣表面。提高光聲轉換效率也可從提高光的吸收效率，減少光的散射入手，也可采用有更高功率的雷射器和有更強聚光能力的幹涉儀，以提高實際可利用的雷射能量。提高雷射超聲信号檢測靈敏度是另一亟待解決的問題。從樣品表面進入幹涉儀的光通量越多，檢測的信噪比就越高。在實驗中，檢測樣品表面被高度抛光，以提高反射光的接收量。光學檢測法特别适用于窄脈沖雷射産生的寬頻帶超聲檢測，但光學檢測法比換能檢測法靈敏度低。因而，提高光學檢測法的靈敏度目前仍是雷射超聲的研究熱點。此外，雷射超聲檢測和材料科學相結合，對新材料進行物性評價，進一步對複合材料、高溫材料、薄膜材料和非金屬材料的研究也是今後的發展趨勢。從目前的發展趨勢來看，雷射超聲将向兩個方向發展：一是超快速激發機制及與微觀粒子互相作用和微觀特性等理論研究；二是工業上的線上定位、無損檢測。弗吉利亞大學工程和應用科學學院一個研究小組稱，已經開發出一種新的超聲成像工具，能夠顯著改善超聲顯像技術。由該校副教授WilliamF.Walker上司的小組采用Interactive Supercomputing公司的Star-P軟體後，研究出一種先進的波束形成算法，他們将這種算法稱為Time-domain Optimized Near-field Estimator(TONE)。采用這種算法顯著提高了超聲圖像的組織對比度和分辨率。超聲掃描器的分辨率一般在200~300μm，據稱，采用Star-P後，在該校的超級計算叢集上，生成的超聲圖像分辨率達到67μm。雖然從現狀來看，雷射超聲在無損檢測領域距大規模的工業應用還有一定距離，但我們相信，随着雷射技術的發展，雷射超聲必将得到更為廣泛的應用。

二、該領域追蹤的理論意義和應用背景

      雷射超聲學是利用雷射來産生和檢測超聲，并開展超聲傳播研究和材料特性無損評估的新興交叉學科[27]。雷射超聲技術作為一種新興技術，是目前國際上超聲檢測技術的研究熱點。與傳統的壓電換能器技術相比，雷射超聲具有以下幾個主要優點： (1)完全非接觸式測量，光與樣品之間無需藕合劑，消除了壓電換能器技術中藕合劑的影響，并能夠在酸、堿、高溫、高壓及輻射等惡劣環境下進行檢測和遠端控制； (2)雷射激發超聲技術中，雷射能夠同時在樣品中激發出縱波、橫波和聲表面波，在薄闆中激發出蘭姆波； (3)可以在金屬、絕緣體、陶瓷、有機材料等非壓電體中直接激發超聲，無需借助于壓電換能器，當工作在熱彈區域時，能夠實作非破壞性的無損檢測； (4)雷射聲源十分靈活，聲源的形狀、大小取決于光學元件、系統和調節，小的為幾十微米，大的用擴束實作，微小點源或細線源具有很好的局域性，可對電超聲法難以實作檢測的薄樣品或有固定形狀(如航空構件)的試樣表面實作檢測，包括缺陷、聲速、聲衰減和各向異性特性的檢測，加上它又是一種寬帶的檢測技術，并能用光波波長為測量标準而精确測量超聲位移，是以是一種極有應用前景的新的無損檢測技術[28]。 (5)雷射超聲技術和光纖技術相結合，能夠很友善內建化，把超音波的激發光和探測光合成一個測量頭； (6)光聲轉換效率高，當工作在融蝕機制時，對某些材料最高光聲轉換效率可達30%，熱彈激發聲的效率最低，融蝕激發效率次之，媒體破損激發效率最高； (7)利用鎖模雷射器很容易獲得與雷射脈沖寬度相近的超聲脈沖，進而使得基于超聲衍射方法的缺陷檢測技術獲得廣泛應用； (8)受表面狀況影響小，測量準确度和分辨力都很高，其中雷射聲表面波由于對表面缺陷的高度敏感性，非常适合于表面缺陷的無損檢測。随着半導體內建電路微細加工技術的成熟和機械超精密加工技術的開發，微米/納米技術這一研究領域應運而生。然而，目前微米/納米技術的發展，特别是微型傳感、微機械和微機電系統技術的發展，要求人們提供實時檢測的新方法、新手段。為了開展對這些零部件及系統的機械特性與壽命研究以確定這些部件與系統安全可靠的運作，必須對被檢測部件的表面(或亞表面層甚至材料内部)微缺陷進行實時檢測。在表面缺陷檢測中，應用最多的是射線檢測和磁粉檢測，但傳統的射線檢測和磁粉檢測準确度不高，對于微米級的缺陷無能為力。目前，研究最多的是超聲檢測。這是由于超聲檢測具有準确度高、操作簡單、對表面無損等優點。但是，傳統的超聲檢測采用壓電換能器産生和擷取超聲信号。這種方法需要藕合劑，對被測樣品會産生影響，也比較容易受到外部的幹擾。是以，對于要求非接觸檢測的情況或對敏感的樣品(如薄膜等)就不能采用。以雷射超聲表面波為代表的用于微小缺陷檢測的雷射技術的研究，是目前國際學術界的一個研究熱點[29,30.31,32]，日益成為超聲工程和無損檢測領域的一個重要内容，其理論和實驗研究都還有待于進一步深入。通過開發研制可以檢測微米級微裂紋的非接觸式的測量儀器，可以用于飛機的引擎、機冀和電站的主軸等主要零部件以及為核設施中的關鍵零部件的早期失效所産生的微裂紋的實時檢測提供有效的檢驗手段。這不僅可以避免惡性事故的發生，而且還可以避免對貴重零部件按設計壽命進行的不必要的更換，以達到延長使用壽命和預見使用壽命的目的。作為實驗儀器，不僅可以提供在微加工前對微結構(如矽片等)進行檢測的手段，提高加工成品的合格率、而且還可以用于微動疲勞的研究。通過研究微裂紋的擴充規律，可以極大地推動機械設計中疲勞設計理論和安全系數法設計理論的發展，具有很大的實用價值[33]。雷射微裂紋檢測技術是微米/納米測試技術的一個重要方面，将為微結構和微小零件的理論分析提供有力的手段，特别是對于物質表面和亞表面的實體化學特性的研究将起到推動作用。例如:研究不同物質對同樣的雷射超聲系統的頻譜響應，将有助于了解物質的光吸收、光熱轉換、熱傳導、熱膨脹、波傳導等特性；通過建立雷射超音波的數學模型，将推動表面實體和界面實體的發展。

三、相關文獻

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