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摘要：激光超声检测技术是一种涉及光学、热学、电学以及材料等多个学科交叉在一起的新兴超声无损检测方法，是目前声学检测中的研究热点。本文概述了激光激发与检测方法，及声表面波的基本性质和传播特性，根据上述原理进行了表面缺陷检测的研究。
关键词：激光超声;表面缺陷
1引言
激光超声检测技术是以激光激发超声波和激光接收超声波的方式实现检测的一种无损检测技术，能够实现真正意义上的非接触式无损检测[1]-[2]。
激光超声检测技术不仅具有传统超声检测所具有的优点，而且与传统的无损检测技术相比还具有其他优势，如能在某种恶劣（如有毒、高温高压等）的检测环境中进行无损检测;实现非接触式检测，避免使用了耦合剂，避免了耦合剂对试样造成的腐蚀及对检测结果引起的影响可以在固体、液体和气体中同时激发纵波、横波和表面波;在时间和空间上具有极高的分辨率;可以对结构比较复杂的试样进行检测等优点，使激光超声检测可以应用于不同的领域[3]。
激光超声检测技术作为一种新型的无损检测技术，在无损检测领域已表现出了特有的优势。随着激光超声检测技术理论和实验研究的深入，有望将其技术应用于更多的工业场所[4]-[7]。
2激光超声和声表面波基本理论
2.1 激光超声激发机制
最常用的激光超声波的产生方式主要是热弹机制和烧蚀机制两种。
（1）热弹机制
照射在材料表面上的激光密度低于材料表面的损伤阈值（金属材料阈值为10MW/cm2），一部分能量被材料表面吸收引起局部温度的急剧升高，同时材料内部的晶格动能也随之增加，使表面的温度达到几百度的高温，由于热胀冷缩使材料产生热膨胀作用，产生表面切向应力，，激发出超声波。
（2）烧蚀机制
当入射到材料表面的激光功率密度大于材料表面的损伤阈值时，表面温度会急速升高，导致表面发生熔化、汽化现象，甚至产生等离子体，并且以很快的速度离开材料表面，对表面产生一个反作用力，从而产生超声波，此激发方法称为烧蚀机制。
烧蚀机制转换效率比较高，激发效率可以达到热弹机制激发效率的4倍，但烧蚀机制会对材料表面造成的损伤。因此对于某些场合，烧蚀机制通常用来产生纵波。
热弹机制激发超声波符合无损检测的特点，没有对材料表面造成损伤，能产生多种波形，如横波、纵波和表面波，而且产生的波形较易控制、重复性好，所以在无损检测技术中得到广泛的应用。
2.2激光超声检测方法
通常将激光超声检测方法分为电学检测法和光学检测法两种。。其中电学检测法是利用换能器来接收超声波信号的，必须与试样接触或者非常接近试样表面才能进行检测[8]。
光学检测法接收超声波信号可以远距离检测，实现了真正意义上的非接触检测，克服了传统超声检测需要耦合剂的缺点。光学检测法分为干涉和非干涉检测法。其中干涉检测法包括：零差干涉、外差干涉等方法。
（1）零差干涉技术
其工作原理就是激光束通过被分成两束光束，一束通过透镜聚焦照射在试样表面上，被试样表面反射后经过分束镜进入光电探测器。另一束光被反射镜反射后，进入光电探测器。两路激光束在光电探测器中发生干涉。通过检测干涉光的相位解调，可以得出试样的振动位移。
（2）差分干涉技术
其工作原理：激光器发射的脉冲激光束经过分束镜分成两路光路。两束光通过不同的传播路径照射在试样表面的同一点上，两束光干涉后反射，通过透镜聚焦，進入光电探测器。分析光电探测器接收到的光强，可以判断超声波在试样中的传播情况。
（3）光偏转技术（刀刃法）
其工作原理：激光束通过聚焦透镜聚焦到受超声扰动的试样表面上，受到扰动的试样表面又受到连续超声波传播产生的波纹或脉冲波的影响使试样表面发生局部倾斜。如果照射到试样表面上的检测光束直径小于试样中传播的超声波波长时，发生偏转的反射光携带超声波的信息，通过聚焦透镜，光束被分成两部分，一半光经过焦透镜聚焦到光电探测器上进行检测，另一半光被刀刃挡住。
光偏转技术结构简单、频带宽，但是该技术对低频信号灵敏度低，并且要求试样表面非常光洁，难以用于粗糙表面的试样。
3、应用
3.1检测系统
本实验主要由激光超声激发部分、激光超声接收部分及信号处理部分组成。此实验用激光发射、激光接收的方式，实现非接触检测。
搭建的激光超声表面缺陷检测系统如图3-1所示。
3.2实验结果分析
实验中激光超声波的激发点和接收点分别放在试样同侧，实验示意图如图3-2所示。
3.2.1对缺陷的响应
在表面无缺陷和有缺陷位置获得表面波信号如图3-3所示。
3.2.2不同表面缺陷深度的分析
本节实验使用三个不同深度（缺陷长宽尺寸不变）的表面槽型缺陷，缺陷区域缺陷深度a<缺陷深度b<。缺陷深度实验中激发点与接收点的位置固定不变，保持其他实验各项参数不变。
实验中激发点、接收点距离不变，因此R波的传播时间不变及幅值不变，因此只对反射波RR进行分析.
可以看出，表面缺陷深度越深，激光接收到的反射波的幅值越大。这是因为当表面缺陷深度越深，表面波的反射作用越强，传播过去的波被表面缺陷阻挡的反射能量就越多，导致接收到的反射波的幅值变大。
4 总结与展望
本文的实验研究为激光超声无损检测对表面缺陷的检测提供了一种新方法，为以后利用激光超声无误检测方法对表面缺陷的定位以及定量分析提供了参考依据。
虽然对激光超声检测对表面缺陷的研究进行了研究，但是未来对激光超声无损的研究工作需要进一步的探索、分析和解决。
虽然对激光超声检测方法进行了研究，但激光超声无损检测的研究还有很长的一段路需要走，对激光超声无损的研究工作需要进一步的探索、分析和解决。未来激光超声检测技术将会得到更广泛的应用，在各方面取得新的进展和突破
参考文献
[1]魏勤， 尤建飞. 超声C扫描系统在颗粒增强型金属基复合材料无损检测中的应用[J]. 江苏科技大学学报自然科学版， 2003， 17（3）： 66-69.
[2]周正干， 肖鹏， 刘航航. 航空复合材料先进超声无损检测技术[J]. 航空制造技术， 2013， 424（4）： 38-43.
[3]谭项林. 激光超声无损检测系统关键技术研究[D]. 国防科学技术大学， 2011.
[4]韩昌佩. 激光超声波检测金属表面缺陷的理论及实验研究[D]. 南京理工大学， 2012.
[5]Hoyes J B， Shan Q， Dewhurst R J. A non-contact scanning system for laser ultrasonic defect imaging[J]. Measurement Science & Technology， 1991， 2（7）： 628.
[6]刚铁， 王东华. 表面缺陷的超声检测与识别[J]. 无损探伤， 2000（3）： 12-14.
[7]苏琨， 任大海. 基于激光超声的微裂纹检测技术的研究[J]. 光学技术， 2002， 28（6）：518-519.
[8]钱梦騄. 激光超声检测及其应用[J]. 激光与光电子学进展，2005，（04）：53-57.
（作者单位：中国航空规划设计研究总院有限公司）
关键词：激光超声;表面缺陷
1引言
激光超声检测技术是以激光激发超声波和激光接收超声波的方式实现检测的一种无损检测技术，能够实现真正意义上的非接触式无损检测[1]-[2]。
激光超声检测技术不仅具有传统超声检测所具有的优点，而且与传统的无损检测技术相比还具有其他优势，如能在某种恶劣（如有毒、高温高压等）的检测环境中进行无损检测;实现非接触式检测，避免使用了耦合剂，避免了耦合剂对试样造成的腐蚀及对检测结果引起的影响可以在固体、液体和气体中同时激发纵波、横波和表面波;在时间和空间上具有极高的分辨率;可以对结构比较复杂的试样进行检测等优点，使激光超声检测可以应用于不同的领域[3]。
激光超声检测技术作为一种新型的无损检测技术，在无损检测领域已表现出了特有的优势。随着激光超声检测技术理论和实验研究的深入，有望将其技术应用于更多的工业场所[4]-[7]。
2激光超声和声表面波基本理论
2.1 激光超声激发机制
最常用的激光超声波的产生方式主要是热弹机制和烧蚀机制两种。
（1）热弹机制
照射在材料表面上的激光密度低于材料表面的损伤阈值（金属材料阈值为10MW/cm2），一部分能量被材料表面吸收引起局部温度的急剧升高，同时材料内部的晶格动能也随之增加，使表面的温度达到几百度的高温，由于热胀冷缩使材料产生热膨胀作用，产生表面切向应力，，激发出超声波。
（2）烧蚀机制
当入射到材料表面的激光功率密度大于材料表面的损伤阈值时，表面温度会急速升高，导致表面发生熔化、汽化现象，甚至产生等离子体，并且以很快的速度离开材料表面，对表面产生一个反作用力，从而产生超声波，此激发方法称为烧蚀机制。
烧蚀机制转换效率比较高，激发效率可以达到热弹机制激发效率的4倍，但烧蚀机制会对材料表面造成的损伤。因此对于某些场合，烧蚀机制通常用来产生纵波。
热弹机制激发超声波符合无损检测的特点，没有对材料表面造成损伤，能产生多种波形，如横波、纵波和表面波，而且产生的波形较易控制、重复性好，所以在无损检测技术中得到广泛的应用。
2.2激光超声检测方法
通常将激光超声检测方法分为电学检测法和光学检测法两种。。其中电学检测法是利用换能器来接收超声波信号的，必须与试样接触或者非常接近试样表面才能进行检测[8]。
光学检测法接收超声波信号可以远距离检测，实现了真正意义上的非接触检测，克服了传统超声检测需要耦合剂的缺点。光学检测法分为干涉和非干涉检测法。其中干涉检测法包括：零差干涉、外差干涉等方法。
（1）零差干涉技术
其工作原理就是激光束通过被分成两束光束，一束通过透镜聚焦照射在试样表面上，被试样表面反射后经过分束镜进入光电探测器。另一束光被反射镜反射后，进入光电探测器。两路激光束在光电探测器中发生干涉。通过检测干涉光的相位解调，可以得出试样的振动位移。
（2）差分干涉技术
其工作原理：激光器发射的脉冲激光束经过分束镜分成两路光路。两束光通过不同的传播路径照射在试样表面的同一点上，两束光干涉后反射，通过透镜聚焦，進入光电探测器。分析光电探测器接收到的光强，可以判断超声波在试样中的传播情况。
（3）光偏转技术（刀刃法）
其工作原理：激光束通过聚焦透镜聚焦到受超声扰动的试样表面上，受到扰动的试样表面又受到连续超声波传播产生的波纹或脉冲波的影响使试样表面发生局部倾斜。如果照射到试样表面上的检测光束直径小于试样中传播的超声波波长时，发生偏转的反射光携带超声波的信息，通过聚焦透镜，光束被分成两部分，一半光经过焦透镜聚焦到光电探测器上进行检测，另一半光被刀刃挡住。
光偏转技术结构简单、频带宽，但是该技术对低频信号灵敏度低，并且要求试样表面非常光洁，难以用于粗糙表面的试样。
3、应用
3.1检测系统
本实验主要由激光超声激发部分、激光超声接收部分及信号处理部分组成。此实验用激光发射、激光接收的方式，实现非接触检测。
搭建的激光超声表面缺陷检测系统如图3-1所示。
3.2实验结果分析
实验中激光超声波的激发点和接收点分别放在试样同侧，实验示意图如图3-2所示。
3.2.1对缺陷的响应
在表面无缺陷和有缺陷位置获得表面波信号如图3-3所示。
3.2.2不同表面缺陷深度的分析
本节实验使用三个不同深度（缺陷长宽尺寸不变）的表面槽型缺陷，缺陷区域缺陷深度a<缺陷深度b<。缺陷深度实验中激发点与接收点的位置固定不变，保持其他实验各项参数不变。
实验中激发点、接收点距离不变，因此R波的传播时间不变及幅值不变，因此只对反射波RR进行分析.
可以看出，表面缺陷深度越深，激光接收到的反射波的幅值越大。这是因为当表面缺陷深度越深，表面波的反射作用越强，传播过去的波被表面缺陷阻挡的反射能量就越多，导致接收到的反射波的幅值变大。
4 总结与展望
本文的实验研究为激光超声无损检测对表面缺陷的检测提供了一种新方法，为以后利用激光超声无误检测方法对表面缺陷的定位以及定量分析提供了参考依据。
虽然对激光超声检测对表面缺陷的研究进行了研究，但是未来对激光超声无损的研究工作需要进一步的探索、分析和解决。
虽然对激光超声检测方法进行了研究，但激光超声无损检测的研究还有很长的一段路需要走，对激光超声无损的研究工作需要进一步的探索、分析和解决。未来激光超声检测技术将会得到更广泛的应用，在各方面取得新的进展和突破
参考文献
[1]魏勤， 尤建飞. 超声C扫描系统在颗粒增强型金属基复合材料无损检测中的应用[J]. 江苏科技大学学报自然科学版， 2003， 17（3）： 66-69.
[2]周正干， 肖鹏， 刘航航. 航空复合材料先进超声无损检测技术[J]. 航空制造技术， 2013， 424（4）： 38-43.
[3]谭项林. 激光超声无损检测系统关键技术研究[D]. 国防科学技术大学， 2011.
[4]韩昌佩. 激光超声波检测金属表面缺陷的理论及实验研究[D]. 南京理工大学， 2012.
[5]Hoyes J B， Shan Q， Dewhurst R J. A non-contact scanning system for laser ultrasonic defect imaging[J]. Measurement Science & Technology， 1991， 2（7）： 628.
[6]刚铁， 王东华. 表面缺陷的超声检测与识别[J]. 无损探伤， 2000（3）： 12-14.
[7]苏琨， 任大海. 基于激光超声的微裂纹检测技术的研究[J]. 光学技术， 2002， 28（6）：518-519.
[8]钱梦騄. 激光超声检测及其应用[J]. 激光与光电子学进展，2005，（04）：53-57.
（作者单位：中国航空规划设计研究总院有限公司）