激光超聲
應用在機械加工領域的技術
激光超聲是一種非接觸，高精度，無損傷的新型超聲檢測技術。它利用激光脈衝在被檢測工件中激發超聲波，並用激光束探測超聲波的傳播，從而獲取工件信息，比如工件厚度、內部及表面缺陷，材料參數等等。該技術接合了超聲檢測的高精度和光學檢測非接觸的優點，具有高靈敏度(亞納米級),高檢測帶寬(GHz)的優點。激光超聲檢測技術在上世紀九十年代晚期出現成熟的商用系統並最早在無縫鋼管產業開始應用。目前該技術的工業應用已經擴展到激光焊接焊縫質量在線監控，風力發電機葉片檢測，飛機機身搭接腐蝕檢測，高溫陶瓷，金屬，複合材料檢測，電子元器件/半導體封裝質量檢測，各種材料塗層缺陷檢測等眾多領域，針對其他應用的商用系統也不斷發展並走向市場。目前激光超聲檢測技術仍不盡成熟，針對單晶矽片等硬脆材料的檢測技術仍有待研究。
當激光的能量聚焦照射到彈性材料表面時，部分會轉移到材料本身並以熱能和應力波動能的形式表現出來。通過改變激發激光的幾何形狀可以控制能量在材料中的分佈以及對材料的影響。激光超聲就是利用高能激光脈衝與物質表面的瞬時熱作用，通過熱彈效應（少數情況是熱蝕效應）在固體表面產生應變和應力場，使粒子產生波動，進而在物體內部產生超聲波。
根據入射到物體表面激光能量的不同，激光脈衝在物體表面產生的這種熱效應可分為熱彈效應和熱蝕效應兩種。在較低的吸收率下，表面吸收的熱量不超過其融化溫度，產生的是短時膨脹過程，與該膨脹相關的應力波絕大部分在彈性範圍內，該方式稱為 熱彈效應。在高能作用下，物體的溫度升高，超過了其蒸發溫度，產生燒蝕現象，使材料表面氣化，形成等離子體，於是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成彈性波源，該方式稱為 熱蝕效應。在熱彈性區，激光產生的應力波大小與吸收光的能量呈正比，對於均勻能量分佈，可用一維模型描述激光束在材料表面產生的應力，其在材料表面產生的應力-應變與材料表面吸收的激光能量呈正比。
當激光入射到材料上時，所產生的超聲波以不同的類型傳播出去，主要有縱波、橫波和表面波。影響超聲波傳播特性的因素很多，主要有材料對激光光能量的吸收程度、材料的熱傳導特性、激勵激光的頻率、材料表面的光滑程度等。
主要的激光超聲激勵檢測方法可分成三種方式：
第一種是激光激勵和激光接收方式。即利用激光脈衝與試樣表面瞬時作用產生超聲波，用光學法接收來自被檢測材料內部的超聲信號。光學法檢測超聲又分為兩大類：一類是光學非干涉法，如狹縫法、刀刃法等；另一類為光學干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等。
第二種激光激勵-超聲接收方式是利用激光脈衝產生超聲波，通過壓電超聲換能器作為接收器接收檢測信號。
第三種方式是超聲發射-激光接收方式，即利用壓電超聲換能器產生超聲波，通過激光干涉方法接收檢測信號。
基本信息
- 中文名
- 激光超聲
- 外文名
- Laser Ultrasonic
- 別名
- 激光超聲檢測技術
- 所屬學科
- 物理、工程
- 屬性
- 新型超聲檢測技術
- 應用領域
- 機械加工
- 功率密度
- p≥0.3w/cm2
- 頻率
- 20KHz-GHz