激光超声波

激光超声波使用激光来产生和检测超声波。它是一种非接触式技术，用于测量材料厚度、检测缺陷和进行材料表征。激光超声系统的基本组成部分是产生激光器、检测激光器和探测器。

在1980年代初期的科学研究中，使用了迈克尔逊干涉仪。它们能够定量测量超声波信号，典型范围为20nm至5pm。它们拥有高达约50MHz的宽带频率响应。不幸的是，为了获得良好的信号，他们需要具有抛光表面的样品。在粗糙的工业表面上使用时，它们会遭受严重的灵敏度损失。1986年，激光超声波的应用取得了重大突破，当时展示了xxx台能够在粗糙的工业表面上具有合理检测灵敏度的光学干涉仪。蒙查林等人位于Boucherville的加拿大国家研究委员会的研究表明，法布里-珀罗干涉仪系统可以评估从粗糙表面返回的光学散斑。它为将激光超声波转化为工业应用提供了动力。

今天，可以通过多种技术光学检测超声波。大多数技术使用连续或长脉冲（通常为数十微秒）激光器，但有些技术使用短脉冲将非常高的频率下转换为经典泵浦探头配置中的直流电。一些技术（特别是传统的法布里-珀罗检测器）需要高频率稳定性，这通常意味着相干长度长。常见的检测技术包括：干涉测量（零差或外差或Fabry–Pérot）和光束偏转(GCLAD)或刀口检测。

使用GCLAD，（气体耦合激光声学检测），激光束穿过想要测量或记录声学变化的区域。超声波会改变空气的折射率。当激光遇到这些变化时，光束会稍微偏转并移动到一个新的方向。这种变化由定制的光电探测器检测并转换为电信号。这可以在高达10MHz的频率下对粗糙表面上的超声波进行高灵敏度检测。

在实践中，技术的选择通常由物理光学和样品（表面）条件决定。许多技术在粗糙表面上不能很好地工作（例如简单的干涉仪），并且有许多不同的方案来克服这个问题。例如，在干涉仪中使用光折变晶体和四波混合来补偿表面粗糙度的影响。这些技术在货币成本和光预算方面通常很昂贵（因此需要更多的激光功率才能在理想条件下实现相同的信噪比）。

在低到中等频率（例如<1GHz）下，检测机制是样品表面的移动。在高频（例如>1GHz）下，其他机制可能会起作用（例如通过应力调制样品折射率）。

在理想情况下，大多数检测技术理论上可以被视为干涉仪，因此，它们的最终灵敏度大致相等。这是因为，在所有这些技术中，干涉测量法用于线性化检测传递函数，并且当线性化时，可以获得xxx灵敏度。在这些条件下，光子散粒噪声支配着灵敏度，这是所有光学检测技术的基础。然而，极限是由声子散粒噪声决定的.由于声子频率比光子频率低许多数量级，因此超声波检测的最终灵敏度可以高得多。提高光学检测灵敏度的常用方法是使用更多的光功率。然而，散粒噪声限制了SNR与总检测功率的平方根成正比。因此，增加光功率的效果有限，并且在达到足够的SNR之前很容易达到破坏性的功率水平。因此，光学检测频繁具有比非光学接触技术更低的SNR。光生成（至少在严格的热力学状态下）与所使用的光功率成正比，并且通常改进生成而不是检测更有效（同样，极限是损伤阈值）。

像CHOT（廉价光学换能器）这样的技术可以通过在光学检测之前被动放大振动幅度来克服光学检测灵敏度的限制，并且可以将灵敏度提高几个数量级。

“激光超声波”技术是被称为“非破坏性技术或NDT”的那些测量技术的一部分，即不改变被测量本身状态的方法。激光超声波是一种基于激励和使用两个激光器进行超声波测量的非接触式超声波检测技术。激光脉冲被引导到被测样品上，与表面的相互作用产生一个超声波脉冲，该脉冲通过材料传播。随后可以通过自混合振动计测量超声波产生的振动读数：仪器的高性能使其适用于超声波的精确测量，因此适用于样品特性的建模。当激光束击中材料表面时，其行为可能会根据所使用的激光功率而有所不同。在高功率的情况下，在激光和表面之间的入射点处，材料发生了真正的“烧蚀”或“汽化”：这会导致一小部分材料消失，召回力很小，由于纵向压缩，这将是超声波的起源。这个纵波无论激光的入射角如何，都倾向于沿法线方向传播到材料表面：这将允许准确估计材料的厚度，知道波的传播速度，而无需担心角度发生率。

使用高功率激光，随后使材料汽化，是从物体获得超声波响应的最佳方式。然而，为了落在无损测量的范围内，xxx通过使用低功率激光器来避免这种现象。在这种情况下，超声波的产生是由于激光入射点的局部过热：现在波产生的原因是材料的热膨胀。这样既可以产生纵波，横波，其与表面法线方向的角度取决于材料。片刻后，热能消散，表面完好无损：通过这种方式，测量可重复无数次（假设使用的材料对热应力具有足够的抵抗力）且无损，几乎在所有区域都需要该技术的应用。物体的运动会导致信号相位的偏移，而光接收器无法直接识别该偏移：为此，首先需要将相位调制转换为幅度调制（在这种情况下，在调制发光强度）。因此，超声波检测可以分为3个步骤：从超声波到相位调制光信号的转换，从相位调制到幅度的转换，最后读取幅度调制信号并随后转换为电信号。

激光超声波的成熟应用是航空航天工业的复合检测和冶金工业的在线热管厚度测量。超声波的光学生成和检测提供了扫描技术来产生称为B和C扫描的超声波图像，并用于TOFD（飞行时间衍射）研究。Dewhurst和Shan在1993年首次展示了复合材料中的小缺陷（小至3mmx3mm），他们因此于1994年获得美国无损检测协会的优秀论文奖.这也是加拿大国家研究委员会在综合考试方面取得重大进展的时候和其他地方。此后，文献中描述了广泛的应用。