增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度的方法畢業(yè)論文

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題目： 增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度的方法</p><p>　　增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度的方法研究</p><p>　　摘 要：簡單介紹了激光超聲產(chǎn)生的主要機(jī)理，這項(xiàng)技術(shù)在激光致聲轉(zhuǎn)換始終效率過低，文中分別從增大激光能量和提高材料對(duì)光的吸收倆個(gè)方面提出增大產(chǎn)生超聲各種方法。其中激光器的腔內(nèi)鎖模技術(shù)、激光放

2、大技術(shù)、點(diǎn)光源變?yōu)榫€光源到激光陣列、激光的定向位排布還有激光束的相干合成技術(shù)是從增大激光能量的出發(fā)的，表面修飾技術(shù)是從提高材料對(duì)光的吸收出發(fā)的。</p><p>　　關(guān)鍵字：激光超聲；聲表面波；激光線源；線源列陣</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　激光超聲學(xué)是利用激光來激發(fā)和檢測(cè)超聲、并開展超聲傳播和媒質(zhì)特性等

3、研究的新興交叉學(xué)科[1]。與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)相比,激光超聲技術(shù)不需要使用耦合劑，容易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙控控制,還可以應(yīng)用于如高溫高壓高濕、有強(qiáng)腐蝕性、有輻射等環(huán)境中,并且能實(shí)現(xiàn)工件的實(shí)時(shí)在線檢測(cè),具有快速、非接觸、不受被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)形狀影響等優(yōu)點(diǎn)，因此，它更有利于材料的無損評(píng)估和其他學(xué)科的應(yīng)用，如材料表征，缺陷檢測(cè)，加工過程檢測(cè)，以及復(fù)雜形貌的工件或高溫高壓等惡劣環(huán)境下設(shè)備的檢測(cè)等。</p><p>　　在20世紀(jì)

4、90年代形成的這一激光超聲學(xué)，近年來已發(fā)展成超聲學(xué)中的重要分支之一，并在激光超聲信號(hào)的激發(fā)與接收、傳播以及應(yīng)用等方面都取得很大的進(jìn)展[2]。可是目前激光超聲學(xué)的應(yīng)用普遍有一個(gè)問題，光聲轉(zhuǎn)換效率并不高，光聲轉(zhuǎn)換效率是激光激發(fā)超聲技術(shù)研究中重點(diǎn)關(guān)注的核心問題，光致聲波的低強(qiáng)度限制了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[3]，本文就如何增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度進(jìn)行了分析和總結(jié)。 </p><p>　　2 固體中激光超聲產(chǎn)生的機(jī)理<

5、/p><p>　　激光技術(shù)出現(xiàn)于19世紀(jì)60年代,它具有高亮度、單色性強(qiáng)和相干性好等優(yōu)點(diǎn),在很多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用,與其他學(xué)科的互相滲透也越來越廣,帶動(dòng)其它學(xué)科出現(xiàn)新的活力,激光超聲技術(shù)就是在這種條件下產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)[4]。激光激發(fā)超聲激發(fā)機(jī)制主要有三種:熱膨脹機(jī)制、汽化機(jī)制和介電擊穿機(jī)制,其中熱膨脹機(jī)制產(chǎn)生的聲波具有較好的可重復(fù)性和控制性,因此是最普遍采用的一種機(jī)制。在固體中激光激發(fā)超聲波的主要機(jī)理是熱彈性機(jī)制，試樣

6、內(nèi)超聲波脈沖主要是由于試樣吸收光能發(fā)生熱彈性膨脹而產(chǎn)生的。當(dāng)試件表面的激光能量不足以使表面熔化，照射到不透明試樣表面的脈沖激光，其能量大部分被淺表層吸收，一部分被反射。吸收光能的淺表層部分，溫度升高，這部分介質(zhì)發(fā)生膨脹，膨脹后介質(zhì)發(fā)生形變。這種熱膨脹形變大小與入射到介質(zhì)上的光能量成正比，相當(dāng)于材料的體積增加了。由于入射光波是脈沖的，淺表部分的形變也是周期性的，周期形變?cè)谥車橘|(zhì)中激發(fā)了超聲波[5]。</p><p&g

7、t;　　3 增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度的方法</p><p>　　為了要產(chǎn)生更大的超聲波，可以從激光源和途徑上著手，其中的一個(gè)是增大激光源的能量，也是增大超聲波強(qiáng)度的最直接的辦法，或者是想辦法讓在同等激光能量的條件下，產(chǎn)生的超聲能量變的更大一些，這是在途徑上著手，其中表面修飾技術(shù)就是途徑上著手的一種方法。</p><p><b>　　3.1激光器的選擇</b></p

8、><p>　　不同的激光器都有不同的特性，不同機(jī)理的激光器它所能產(chǎn)生的激光功率也是不同的，所以要想提高激光器的能量對(duì)于激光器的選擇尤其重要。現(xiàn)在用于激光激發(fā)超聲波的激光器有：Nd:YAG 激光器、二氧化碳激光器、氮激光器和染料激光器等。由于 Nd:YAG 激光器功率比較大，所以使用最多。另外，雖然連續(xù)激光器的平均功率可以比脈沖激光器大，但是其瞬時(shí)功率比脈沖激光器小得多，且調(diào)制光束時(shí)連續(xù)激光器的功率損失比較大，因而現(xiàn)在

9、使用脈沖激光器比較多。目前最常用的激光超聲激發(fā)技術(shù)是用脈寬約 10ns 的 Nd:YAG 脈沖激光束。隨著技術(shù)的發(fā)展激光器也相應(yīng)的得到了發(fā)展，激光脈沖寬度進(jìn)一步壓縮（壓縮至 ps 級(jí)，或 fs 級(jí)），在熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)機(jī)理的基礎(chǔ)上，也逐漸形成了一些新的激發(fā)超聲波的方法。想要得到自己滿意的超聲波，需要選擇比較一個(gè)比較合適的激光器。</p><p>　　3.2激光器的腔內(nèi)鎖模技術(shù)</p><p&

10、gt;　　為了增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度，提高激光源的輸出激光能量，有一種新的脈沖壓縮技術(shù)，激光器鎖模技術(shù)就能夠獲得極高的峰值功率（ - W），其峰值功率之所以大，是由于把能量壓縮在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來的緣故。由此知激光器的鎖模技術(shù)也可提高激光能量，進(jìn)一步增大激光激發(fā)超聲波強(qiáng)度。</p><p>　　自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過閾值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)

11、果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。鎖模技術(shù)讓諧振腔中可能存在的縱模同步振蕩，讓各模的頻率間隔保持相等并使各模的初位相保持為常數(shù)，激光器輸出在時(shí)間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。</p><p>　　假設(shè)模振幅相等 = , 光強(qiáng)相等 ，則激光器輸出的總光波場(chǎng)是2N＋1個(gè)縱模相干的結(jié)果.則輸出光強(qiáng)：</p><p><b>　?。?） </b></p><

12、p>　　光強(qiáng)隨時(shí)間而變化。輸出脈沖的峰值(最大光強(qiáng))： </p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由此可見,鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時(shí)提高了(2N+1)倍。可以通過激光器的腔內(nèi)鎖模技術(shù)來提高輸出激光能量，以增大激光激發(fā)超聲波的強(qiáng)度。</p><p><b>　　3.3激光放大技術(shù)</b&

13、gt;</p><p>　　激光放大器和激光(振蕩)器都是同一物理過程（受激輻射的光放大），但激光放大器（行波）沒有諧振腔。工作物質(zhì)在共泵浦作用下，處于粒子束反轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)從激光（振蕩）器產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)通過他時(shí)，由于入射光頻率與放大介質(zhì)的增益譜線相重合，故激發(fā)態(tài)上的離子在外來光信號(hào)的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的受激輻射。這種輻射疊加到外來光信號(hào)上而得到放大，因而放大器能輸出一束比原來激光亮度高的多的出射光束[6]。激光放大器

14、要求工作物質(zhì)具有足夠的反轉(zhuǎn)粒子束，以保證光脈沖信號(hào)通過它時(shí)得到的增益大于介質(zhì)內(nèi)部各種損耗。另外，為了得到共振放大，要求放大介質(zhì)有與輸入信號(hào)相匹配的能級(jí)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　采用行波放大技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：其一，由于激光束一次通過放大介質(zhì)，因此介質(zhì)的破壞閥值可以大大提高，即在相同的輸出功率密度下，放大器的工作介質(zhì)不易被破壞；其二，當(dāng)需要大能量激光時(shí)，可以根據(jù)需要采用多級(jí)行波放大，放大器逐級(jí)擴(kuò)大激光束的孔徑，而每級(jí)

15、的工作物質(zhì)長度可以縮短，這樣有利于防止超輻射和自聚焦的破壞；其三，振蕩器-放大器系統(tǒng)，可由振蕩器決定其脈沖寬度、譜線寬度和光束發(fā)散角等，而由放大器決定其脈沖的能量和功率，所以二者結(jié)合起來，既可以得到優(yōu)良的特性，又能夠大大提高其輸出激光的亮度。</p><p>　　圖1為激光器與放大器串接工作的示意圖。當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出的激光進(jìn)入放大器時(shí)，放大器的激活介質(zhì)恰好被激勵(lì)而處于最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，既產(chǎn)生共振躍遷而得到放大。為了

16、獲得性能優(yōu)良的高能量激光，應(yīng)用激光放大技術(shù)是一種最佳方法，通過此方法也可以實(shí)現(xiàn)提高激光激發(fā)超聲的波的強(qiáng)度。</p><p>　　3.4將點(diǎn)光源變?yōu)榫€光源</p><p>　　1980 年，K.Aki 和 Richard[7]對(duì)超聲波熱膨脹體積源進(jìn)行研究，得到熱彈位移表達(dá)式：</p><p>　　u n( x,t)= ( ξ,t)* (x,ξ,t)/ ξjdV(ξ)

17、 Dv(ξ) （3）</p><p>　　如圖2，設(shè)定坐標(biāo)系統(tǒng)（x，y，z），（x，y）為工件表面平面，z 為指向工件表面的方向。假設(shè) y 方向長度為 2d，寬度很窄的激光線光源聚焦于工件表面（x-y平面），線光源的中點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)。根據(jù)疊加原理，對(duì)于此光源，x 軸上垂直表面的位移u03(x,t)可寫作線積分式 <

18、/p><p>　　u03(x,t)= ∫0dw(y) u03(l,t)dy （4）</p><p>　　最終x 軸上垂直表面的位移u03(x,t)= βτexp(-τ/η) H (τ) （5）</p><p>　　從式（5）中，我們可以看出:由高斯分布的脈沖激光形成的有限長細(xì)線光源產(chǎn)生的近場(chǎng)區(qū)表面波具有單極性、振幅不隨距離而改變的特性，其幅值大小主要與線光源

19、中心的能量分布密度有關(guān)，而且表面波的波形與脈沖激光的時(shí)域波形相映射。由點(diǎn)光源變成線光源可以明顯改善所產(chǎn)生的表面波的質(zhì)量：因?yàn)槭蔷€光源，所以在保持相同的功率密度的前提下，可以將比點(diǎn)光源更多的激光能量投射至物體表面，以產(chǎn)生更強(qiáng)的表面波，又不會(huì)破壞物體表面。</p><p>　　圖 3(a)，(b)所示為在相同能量的前提下，利用線光源和點(diǎn)光源產(chǎn)生的超聲信號(hào)?？梢钥闯觯壕€光源產(chǎn)生的信號(hào)要比點(diǎn)光源產(chǎn)生的信號(hào)幅度強(qiáng)的多（大約

20、 5-10倍）。同時(shí)由于線光源將能量分布在線長的范圍內(nèi)，這樣既降低了能量密度，而且不會(huì)燒蝕表面[8]。因此將點(diǎn)光源變?yōu)榫€光源可以提高激光激發(fā)超聲的超聲脈沖。</p><p>　　3.5激光源的陣列激發(fā)超聲</p><p>　　"Mckie等[9]提出了應(yīng)用激光陣列作為激發(fā)源的方法,可以增大檢測(cè)點(diǎn)處的位移信號(hào)幅值。 激光陣列源是由多個(gè)相同的脈沖線源按一定方式排列后作用于材料表面上的

21、,對(duì)于陣列中的每個(gè)線源均符合Royer等人提出的有限長、有限寬激光線源。</p><p>　　激光激發(fā)超聲表面波的理論模型，激光陣列源可以在熱彈性機(jī)制下激發(fā)出有足夠功率的窄頻帶且方向性可調(diào)的窄帶聲脈沖,它不但可以通過增大激發(fā)出聲波信號(hào)的幅值達(dá)到改善系統(tǒng)的信噪比的目的,設(shè)置合理的時(shí)間延遲(Timedelays)還可以控制波束能量的傳播方向,從而應(yīng)用超聲波束對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行扇形掃描(Sectorialscanning)

22、。</p><p>　　如圖4所示,通過對(duì)激光陣列中各線源的激發(fā)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,可使得陣列中各線源激發(fā)出的超聲波在檢測(cè)點(diǎn)處發(fā)生干涉疊加,于是檢測(cè)點(diǎn)處聲波的位移幅值將明顯增大,激光陣列源激發(fā)出的超聲波發(fā)生干涉疊加的等效計(jì)算模型如圖5所示,d為陣列元的間距,P為接收點(diǎn), 是波陣面?zhèn)鞑シ较蚺c激光入射方向的夾角，當(dāng)陣列源中各線源同時(shí)激發(fā)時(shí),到達(dá)P點(diǎn)的聲信號(hào)是由各元激發(fā)出的聲波(最右邊陣列元激發(fā)出的聲波最先到達(dá),直至最左邊的

23、線源激發(fā)的聲波最后到達(dá))的組合，如果對(duì)陣列源設(shè)置時(shí)間延遲，當(dāng)來自前一個(gè)激發(fā)源的聲波到達(dá)時(shí)，來自后一個(gè)相鄰激發(fā)源的聲波緊隨到達(dá)，波束將會(huì)在空間中發(fā)生干涉疊加，設(shè)其等效波陣面沿 方向,這時(shí)就得到了窄帶的聲調(diào)頻脈沖。</p><p>　　激光陣列是采用增大檢測(cè)位置處的 值，等間距排列的激光脈沖投射到樣品表面上時(shí),經(jīng)過時(shí)間調(diào)制后的脈沖同時(shí)到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)處，對(duì)于N個(gè)激發(fā)源在檢測(cè)點(diǎn)處所激發(fā)出的位移相疊加后為:</p>

24、<p>　　total= DN( )A(t, + )IN （6）</p><p>　　其中,R為光束傳播時(shí)而引起幾何損失的球形傳播系數(shù),m是與Rayleigh波在二維空間和橫波與縱波在三維空間中幾何傳播相同的一個(gè)值。D是與激發(fā)源和聲波類型(橫波、縱波和Rayleigh波)相關(guān)的方向性函數(shù), 為陣列中單元激發(fā)的超聲波方向角,A是陣列因子(是關(guān)于相鄰脈沖的時(shí)間間隔 、源到探測(cè)點(diǎn)距離r

25、和聲波速c的函數(shù)),I是激光脈沖源特征激發(fā)函數(shù)[10]。</p><p>　　由于激光陣列中的各激發(fā)元都是相同的線源,相互間距均相等,設(shè)定適當(dāng)時(shí)間延遲,使得各元激發(fā)出的超聲波同時(shí)到達(dá)檢測(cè)點(diǎn),則有：</p><p>　　total N D( A(t)I N single （7）</p><p>　　對(duì)于在固體表面?zhèn)鞑サ腞ayleigh波,為了得到

26、干涉疊加后的巨表面波[11],源先后的激發(fā)時(shí)間間隔,即時(shí)間延遲設(shè)為:</p><p>　　= （8）</p><p>　　其中，cR為材料中Rayleigh波傳播的速度。</p><p>　　激光器陣列產(chǎn)生的表面位移為所有線光源的疊加總和，則知道激光器陣列可以提高激光在固體表面的位移，要比點(diǎn)光源與線光源有更好的效果。由文獻(xiàn)[9]知道,隨著陣列

27、元線半寬a值的減小,激光陣列源激發(fā)出聲表面波的位移信號(hào)幅值增大,脈寬減小,頻寬變大. 隨著激光陣列中相鄰陣列元間距的增大,幅值發(fā)生疊加的聲表面波在到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間出現(xiàn)不同的延遲,而接收到聲表面波信號(hào)的位移幅值出現(xiàn)了減弱. 隨著激光陣列源中的陣列元數(shù)目的增多,其所激發(fā)出聲表面波的位移幅值成線性增加,十元陣列激發(fā)出的聲表面波位移幅值約為單脈沖線源激發(fā)時(shí)的十倍"數(shù)值模擬的結(jié)果與wagne等人[11,12,13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。&l

28、t;/p><p>　　3.6激光的定向位排布</p><p>　　激光源經(jīng)過定相位排列后,在某一方向上產(chǎn)生的超聲波幅度比傳統(tǒng)單一源產(chǎn)生的超聲波幅度要強(qiáng)很多[14]。</p><p>　　激光的定相位排列是指一些有時(shí)間相位延遲的脈沖激光源按某一方式排列照到物質(zhì)表面,可產(chǎn)生某一方向加強(qiáng)的超聲波方式，節(jié)脈沖源的時(shí)間和空間分布,得到超聲場(chǎng)內(nèi)的某一方向超聲干涉加強(qiáng)。</p&

29、gt;<p>　　因此,定相位產(chǎn)生的超聲波方向模式u(θ, )由單一源產(chǎn)生的超聲波方向模式ue(θ, )和排列因素Ia(θ, )共同決定。表達(dá)式為</p><p>　　u(θ, )=ue(θ)·Ia(θ, ) （9）</p><p>　　u(θ, )表示在固定間隔下超聲波模式的強(qiáng)度分布,λ為超聲波長, 為選擇的超聲波加強(qiáng)方向與表面方向的夾角,d

30、為相鄰脈沖源中心的間距,τ為相鄰脈沖源間的時(shí)間延遲,c為超聲波速。需要注意,由于縱波和剪切波在同一種媒質(zhì)中有不同的傳播速度,所以,它們的排列因素是不同的。通過模擬計(jì)算可得到定相排列激發(fā)與傳統(tǒng)單一源激發(fā)產(chǎn)生超聲波的強(qiáng)度如圖7。</p><p>　　由圖7可看出激光源經(jīng)過定相位排列后,相同的激光脈沖強(qiáng)度下,在某一方向上產(chǎn)生的超聲波幅度比單一激光源產(chǎn)生的超聲波幅度要強(qiáng)很多,采用此種方法可有效地加強(qiáng)脈沖激光對(duì)超聲波的激發(fā)

31、,相比傳統(tǒng)的激發(fā)方法有大幅度的信號(hào)加強(qiáng)。</p><p>　　通常,激光定相位排列可通過長度不同的光纖排列傳輸激光來實(shí)現(xiàn),也可通過移動(dòng)激光源來實(shí)現(xiàn).在這里提供一種通過光纖法實(shí)現(xiàn)激光定相位排列激發(fā)超聲波：把k m (k、m為正整數(shù))根光纖做成光纖束,其中有k種長度的光纖,分別為l、l+ l、l+2 l,每一種有m根。與激光器耦合的輸入端用光纖卡盤固定在一圓內(nèi),使得光纖能夠自由受力而又不松散;輸出端光纖也由光纖卡盤固

32、定,并按種類直線排列為k排(激光線光源比點(diǎn)光源有更好的超聲激發(fā)[15]).由光纖出射的脈沖激光是發(fā)散的,其照射面積是光纖出口與樣品表面距離的函數(shù),為了得到好的照射強(qiáng)度,在光纖出口處放置一個(gè)聚焦透鏡。</p><p>　　3.7激光束相干合成技術(shù)</p><p>　　隨著光纖激光應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)其功率的要求也越來越高，目前1070nm 單模光纖激光器的最高輸出功率可達(dá)10kW［16］，

33、多模激光器最高輸出功率已超出50kW［17］。但是受到摻雜光纖非線性效應(yīng)、熱損傷以及光學(xué)損傷等物理機(jī)制的限制，單纖輸出功率的提升空間受限［18］。為了進(jìn)一步提高光纖激光器輸出功率，業(yè)界采用相干合成等光束疊加合成技術(shù)，將相干合成引入相位控制機(jī)制，各光束間的相位差鎖定為一個(gè)恒定值，從而提高了合成光束的相干性和光束質(zhì)量，其峰值光強(qiáng)比非相干合成時(shí)提高了 N 倍( N 為參與合成的光束數(shù)目) ，因此相干合成受到格外重視。</p>&

34、lt;p>　　多光束激光相干合成是一種能在保持激光光束質(zhì)量的同時(shí),又成倍提高激光輸出功率的有效手段[19],其核心就是通過精密相位控制,使多臺(tái)激光器的輸出相位保持一致,這些光束就因相互干涉實(shí)現(xiàn)多光束激光的相干迭加[20],從而在特定空間高效集中多路激光的輸出能量或功率。</p><p>　　在波動(dòng)光學(xué)中,激光的光場(chǎng)可用定態(tài)標(biāo)量波來描述. 對(duì)于一束波長為λ的激光,其復(fù)振幅U在空間的分布滿足高斯光束的形式,即:

35、 </p><p>　　U(x,y,z)= exp exp (10)</p><p>　　光強(qiáng)I則為復(fù)振幅的模的平方,即: I=|U|2</p><p>　　根據(jù)波的迭加原理,多列波同時(shí)存在時(shí),在它們的交迭的區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的振動(dòng)是各列波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)的合成,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p>　　U(P)=U1(P)+U2(P

36、)+U3(p)+…</p><p>　　而總光強(qiáng)為 Itotal=|U|2=|U1(P)+U2(P)+U3(p)+…|2 (11)</p><p>　　產(chǎn)生干涉的必要條件為:頻率相同,相位差恒定,有平行分量。將復(fù)振幅的表達(dá)式(10)代入式(11)就可以得到相干迭加后的光強(qiáng)。</p><p>　　由此可知，多路激光相干疊加后能使總光強(qiáng)變大。

37、</p><p>　　通過計(jì)算機(jī)軟件可以模擬了相干合成效果，模擬出了光源不同排布對(duì)光束相干合成效果的影響，假設(shè)一多光束激光相干合成系統(tǒng)由16個(gè)相干光源組成，每個(gè)相干光源的性能完全相同,如工作波長為1064nm,工作模式為TEM00模,則當(dāng)激光束腰直徑為2mm時(shí),發(fā)散角為0. 677mrad。模擬結(jié)果表明,相干光源呈圓形排布時(shí)所獲得的合成功率密度最高,矩形排布次之,十字形排布再次之,一字形排布最差,在上述四種情況下

38、,主峰的功率密度比約為5. 8∶1. 6∶1. 1∶1。</p><p>　　相干合成系統(tǒng)中光源相位變化對(duì)相干合成效果也有很大的影響。讓相干合成系統(tǒng)中各光源在輸出端相位保持一致時(shí),模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)相干光源間間距加大時(shí), 相干合成的效果將急劇變差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因是這些相干光在目標(biāo)上的相位不一致。因此,只要通過某種方法使這些相干光在目標(biāo)上保持完全相同的相位,則在目標(biāo)處所有的光源相干迭加將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極大值，那么這時(shí)

39、候產(chǎn)生的效果就會(huì)好一些。</p><p>　　由此,逐路的進(jìn)行調(diào)整相干合成系統(tǒng)中各光源輸出端的相位,讓它們?cè)谀繕?biāo)位置處的相位完全相同,從而在目標(biāo)位置處相干迭加產(chǎn)生一個(gè)極大值，獲得最高的激光功率密度,即獲得最佳的相干合成效果。這種情況下,目標(biāo)位置處主峰的峰值功率密度是只讓各光源在輸出端相位保持一致時(shí)主峰峰值功率密度的3倍?？梢?在多光束激光相干合成系統(tǒng)中,當(dāng)各相干光源相位能保證在目標(biāo)位置處相位相同時(shí),其主峰處功率密

40、度最強(qiáng) [21]。</p><p>　　需要指出的是,上述為了使理論表述清楚,討論的多光束激光相干合成理論均是建立在系統(tǒng)中每路激光都以單縱模方式工作這一假設(shè)條件的基礎(chǔ)上。通過簡單的推導(dǎo),這一理論就可擴(kuò)展到多縱模方式工作的多光束激光器相干合成系統(tǒng)中。</p><p>　　高功率激光的相干合成由于技術(shù)難度大,到目前為止,還并未取得實(shí)質(zhì)性的突破。雖然多光束激光相干合成技術(shù)難度大，但是這也為我們提

41、供了一種理論方法提高激光能量，進(jìn)而增大激光激發(fā)超聲波。由此知對(duì)激光束進(jìn)行相干合成能夠提高激光的功率，因此這也是一種提高激光激發(fā)超聲波的方法。</p><p><b>　　3.8表面修飾技術(shù)</b></p><p>　　光聲轉(zhuǎn)換效率太低是阻礙激光超聲開發(fā)利用的主要原因之一，加大激光輻射能量是提高超聲強(qiáng)度的主要途徑.可是加大激光輻射能量是有限度的，如果能量過大會(huì)損害樣品表

42、面，那么研究學(xué)者想出了既能最大限度的利用激光能量又不會(huì)對(duì)樣品造成損害，對(duì)于不透明介質(zhì),在脈沖光照下,部分光能被淺表層吸收,一部分被反射.由此一些學(xué)者開始研究如何來提高光的吸收效率，減少光的散射，以提高光聲轉(zhuǎn)換效率. 表面修飾技術(shù)[22]就可以達(dá)到目的，表面修飾眾多技術(shù)中濕表面技術(shù)是最簡單而有效的。在試樣表面涂一層油,放一滴水,或噴涂一層吸光膜,不僅可以在較低的光功率密度下產(chǎn)生滿意的超聲脈沖,而且又可防止表面損傷。在樣品表面涂上各種不同的

43、液體涂料，能夠很有效的提高對(duì)光的吸收效率，不同種類的涂料會(huì)對(duì)光能量的吸收起到不同的增強(qiáng)效應(yīng).有些研究學(xué)者對(duì)部分表面涂料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了相同入射光下不同涂層對(duì)產(chǎn)生縱波幅度的影響的具體數(shù)值，見表1[23]。</p><p>　　表1. 樣品表面涂層對(duì)縱波幅度的影響</p><p>　　表1中說明了樣品表面涂層會(huì)對(duì)縱波幅度產(chǎn)生不同程度的影響.如果材料對(duì)光能量吸收強(qiáng)，就降低了對(duì)光源輻射功率的要求

44、。采用這種方法可充分利用光源功率,增強(qiáng)了光聲信號(hào),在較弱的光照下也可進(jìn)行測(cè)量;較好地消除了散射光.由表知道通過表面修飾技術(shù)只能適當(dāng)?shù)奶岣呒す饧ぐl(fā)超聲波的強(qiáng)度， 但這類方法重復(fù)性較差,且只適用于很少的場(chǎng)合中。</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　上述的能夠提高激光激發(fā)超聲的聲波的方法有選擇合適的激光器，激光器的腔內(nèi)鎖模技術(shù)、激光放大技術(shù)、

45、點(diǎn)光源變?yōu)榫€光源、激光的定向位排布、激光束的相干合成技術(shù)，還有表面修飾技術(shù)。其中前幾種辦法其目的都是如何去增大激光的能量，最后的表面修飾技術(shù)是在相同的激光能量下如何去提高材料對(duì)光的吸收效率，讓在同等的激光能量下獲得更大的超聲。但是增大激光能量是獲得更大超聲的最直接的辦法，也是效果最為明顯辦法，而表面修飾技術(shù)只能適當(dāng)?shù)脑龃螽a(chǎn)生的超聲波，因此在今后的激光激發(fā)超聲實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)致力于想辦法增大激光能量上。但是在實(shí)際的應(yīng)用中激光能量并不是可以無

46、限的大的，當(dāng)需要激光激發(fā)超聲的時(shí)候，需要依據(jù)條件來進(jìn)行合理的選擇，綜合起來進(jìn)行選擇，也可以多項(xiàng)技術(shù)綜合利用，達(dá)到最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?lt;/p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1] C.B.Scruby,L.E.Drain. Laser ultrasonics: Techniques and applications [M]. Hilger,

47、 Briston,U.K,1990.</p><p>　　[2]錢夢(mèng)碌.激光超聲學(xué)的若干進(jìn)展.[A] 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所, 1000-3630(2002)01~ 02-0019-06:19.</p><p>　　[3] SV Egerev. In search of a noncontact underwater acoustic source [J]. Acoustic alphysic

48、s,2003,49(1):51-61.</p><p>　　[4] Mahoney S. M. Laskey K. B. Wright E.et al. Measuring performance for situation assessment[Z].ADA400023,2001,6.</p><p>　　[5] 江俊輝.固體中激光超聲的機(jī)理及應(yīng)用研究.[A].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào),2008

49、，1674-3229(2008)06-0028-02:28.</p><p>　　[6] 藍(lán)信鉅等.激光放大技術(shù)[M].北京；科學(xué)出版社，2005.180-181.</p><p>　　[7] SCRUBY C B，DEWHURST R J，HUTCHINS D A，et al. Quantitative Studies of thermally Generated Elastic Wav

50、es In Laser-irradiated Metals [J]. Journal of Applied Physics, 1980，51(12): 6210-6216.</p><p>　　[8] 蘇琨,任大海,李建等. 激光致聲技術(shù)的研究. 清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系. 003-501X(2002)05-0068-05.</p><p>　　[9]A.D.W.MeKie.J.W.Wa

51、gner,J.B.SPicer,C.M.Penney. Laser generation of Narrow- band and directed ultrasound [J].Ultrasonies.1989,27(6):323- 330.</p><p>　　[10] 劉津升.激光陣列源用于金屬缺陷檢測(cè)的有限元模擬[D].南京理工大學(xué):21.</p><p>　　[11]J.Yang(

52、Tamkang Univ),C.Ume. Performance evaluation of fiber array for NDE application [J].Research in nondestructive Evaluation,1994,5 (3):175-190.</p><p>　　[12]JamesW.Wdgner,JohnB.Deaton,Jr.,AndrewD.W.McKie,JamesB

53、.SPicer.Lase-r ultrasonics: generation and detection considerations forum Proved signal to noise ratio[J].ProeeedingsofSPIE,1990,1332:491-450.</p><p>　　[13]M.H.Noroy,D.Royer,M.Fink. Transient elastic wave ge

54、neration by an array of thermoelastic sources. Applied physics letters [J],1993,6 3(24):3276-327.</p><p>　　[14] 孔令劍，徐軍，閆夷升等. 激光激發(fā)超聲波的新方法研究[J]. 第二炮兵工程學(xué)院,實(shí)驗(yàn)中心. 西安交通大學(xué).光子學(xué)報(bào)，2006；35(1)：21-23.</p><p>

55、;　　[15] Allison S W,Gillies G T,Magnuson DW,et al. Pulsed laser damage to optical fibers. Applied Optics,1985,24.(19):3140-3145.</p><p>　　[16] IPG photonics successfully tests world's first 10 kilowatt s

56、ingle-mode production laser ［EB / OL］.［2011-1-19］．http: / /www.ipgphotonics.com / Collateral / Documents / English-US / PR_Final_10kW_SM_laser．pdf.</p><p>　　[17] YLR-HP series: 1-50kW ytterbium fiber lasers

57、[EB/OL].[2011-1 -19]．http: / / www. ipgphotonics.com/products_.</p><p>　　[18] Dawson J，Messerly [M]，Beach R，et al.Analysis of the scalability of diffraction- limited fiber lasers and amplifiers to high avera

58、ge power [J].Opt．Express，2008, 17 ( 16 ) :13240 -13266．</p><p>　　[19] Steven JAugst,TY Fan,Antonio Sanchez. Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers, Optics Letters,

59、 2004, 29(5): 474-476.</p><p>　　[20] Liping Liu,Yi Zhou, FantingKong. Phase locking in a fiber laser array with varying path lengths [ J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(21): 4837-4839.</p><p&g

60、t;　　[21] 孫玲,趙鴻,楊文是等. 多光束激光相干合成技術(shù)研究. 華北光電技術(shù)研究所: 1001-5078(2007)02-0111-03.</p><p>　　[22] Shi-Chang Wooh,Quanlin Zhou. Behavior of laser-induced ultrasonic waves radiated from a wet surface, Part I:Theory,Part

61、 II: Experimental work [J]. J. Appl. Phys.,2001,89(6):3469-3477,3478-3485.</p><p>　　[23] 尚志遠(yuǎn),董彥武,仝杰. 光致聲波及其應(yīng)用[J]. 陜西師范大學(xué)應(yīng)用聲學(xué)研究所. 1998，23(4):230.</p><p>　　Increasing laser excitation intensity of

62、 ultrasonic method</p><p>　　Abstract: Simple introduced the main mechanism of the laser ultrasonic generation and the technique in laser induced on conversion efficiency is too low, this paper respectively f

63、rom increasing the absorption of laser energy and improve the material light increase two aspects produce ultrasonic methods. Including laser cavity mode- locked technology, laser amplification technology, point light so

64、urce into a line source to laser array of directional arrangement and the laser beam, laser coherent </p><p>　　Keywords: Laser ultrasonic; Surface acoustic wave; The laser line source; Line source array</

65、p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　論文撰寫完畢之際，回想其中的苦與樂，思緒萬千。在這篇論文寫作過程中，我獲得了許多人的指導(dǎo)、幫助和支特，在此，借論文一角，表達(dá)我的感激之情。</p><p>　　本文是在xx老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫、修改，每一步都有xx老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。

66、在xx老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，并成為我人生路上值得學(xué)習(xí)的榜樣。使我的知識(shí)層次又有所提高。同時(shí)感謝所有教育過我的專業(yè)老師，你們傳授的專業(yè)知識(shí)是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。也感謝我同一組的組員和班里的同學(xué)，是你們?cè)谖矣龅诫y題時(shí)幫我找到大量資料，解決難題。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅提高了我獨(dú)立思考、解決問題的能力，而且培養(yǎng)了我認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，