一、本课题的目的及研究意义
当液体、固体或气体受到强的激光束(脉冲的或连续调制的)照射时会产生激波和声波。激光激发的超声波有伴随激光激发激波而后产生的超声波，也有没有激波伴随直接由激光激发的超声波两种。不管属于哪一种，凡遇激光导致的超声均叫做激光超声。研究激光激发超声的机理、方法和技术，激光超声在媒质中传播特性，激光超声的接收原理、方法以及激光超声检测技术的应用等的学科称为激光超声学，是涉及光学、声学、电学、材料科学、生物学、医学等多学科交叉的学科和技术，有着非常诱人的科学和应用的前景。而激光超声技术的一个非常重要的应用领域就是对裂纹、脱粘等缺陷的检测。利用激光作为超声激发/探测源来探测缺陷，除具备超声波法无损、可测任意深度的缺陷分布的优点以外，还可发挥激光易扫描、空间分辨率高、远距离激发及接收等优点。裂纹是固体材料中一类常见的缺陷，其出现和扩展会使工件的机械性能明显变差并最终造成工件的断裂。因此，裂纹的无损检测一直是科研和工业领域的研究重点之一。激光超声技术因其独特的优势，近年来逐渐成为裂纹无损检测领域的研究热点。而传统的线性检测手段主要通过脉冲回波、投捕法的技术实现各类缺陷的检测，但这些方法结果不直观，无法对缺陷进行成像。 综合孔径聚焦技术是传统声学领域中提高检测分辨率的途径之一，其基本原理是将一系列单个小孔径传感器结合起来代替一个大孔径传感器，从而达到提高检测横向分辨率的目的。已有前期研究初步报导了使用激光超声实现合成孔径聚焦技术，并将其应用于缺陷的成像。本课题的主要目的是从理论和实验的角度研究通过使用激光超声实现综合孔径聚焦技术的途径和方法，并利用自行编写的综合孔径聚焦算法实现样品内部缺陷的成像。
二、本课题的研究问题
1、激光超声探测技术调研与研究
在实际使用中，激光超声探测方法分为强度调制方法和相位调制方法。强度调制方法大致分为泵浦-探针术、光偏转技术和表面山衍射技术，而相位调制方法根据干涉光束的不同分为参考光干涉测试技术和自参考干涉技术。其中，参考光干涉技术以迈克尔逊干涉仪为代表，分为双光束零差干涉测试技术和双光束外差干涉技术。常见的自参考干涉仪有时延干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、自适应全息干涉仪。通过研究诸如上述不同的激光超声探测方法，比较其优点和适用性，选定适合于激光超声探测的超声探测技术。
2、基于激光超声无损检测SAFT成像算法的研究和编写
传统的超声SAFT成像一般结合了超声换能器，超声换能器集收发超声波为一体，它的工作原理为：在激发源处产生高频机械振动，产生超声，再接收由物体内部反射回去的超声，属于同点激发同点接收。单一的超声换能器所产生的超声波模态较为单一。因此现有的SAFT算法均适用于此种类型的激发探测方式，现已开发了时域和频域两种研究方向。
激光超声的方法可在远距离于材料表面激发超声，激发点和探测点的可选择性高，可以模拟传统的超声换能器的激发探测方式，也可以将两点进行分离，甚至一个激发点对应多个探测点。并且其激发的声脉冲频带宽，产生的超声波模式多，相较于超声换能器而言有许多优势。因此现有的SAFT算法需根据激光超声的特殊性进行相应的算法调整。并且现有的基于激光超声无损检测的SAFT算法较少，因此本课题拟结合激光超声的特点编写适用性更强的SAFT算法。
3、深度缺陷的激光超声合成孔径聚焦成像技术研究
采用已经选定的探测技术，探测激光泵浦的超声信号，其中采取多种扫查方式，先后实现样品各种模式波的波速测量，以及包含缺陷信息的超声回波信号探测。然后对原始数据进行预处理，首先使用DAS算法对预处理后的数据进行成像，而后对成像效果进行分析。接着采用合成孔径聚焦成像技术（SAFT）对预处理数据进行成像，针对成像效果的不足，从时域上对SAFT算法进行改进，最后利用改进后的SAFT算法进行成像及结果分析。
三、本课题的研究方法
1 超声的激光激发
1.1 激光超声的产生机理
激光超声技术是近几年发展起来的产生超声波的一项新技术，即用强度调制的激光束射入闭合介质空间而产生声波，所用激光应为脉冲激光。在固体中激光激发超声波的主要机理是热弹性膨胀和试件表面材料熔化和蒸发而形成冲击力两种。照射到试样表面的激光能量不足以使表面熔化时，试样内超声波脉冲主要是由于试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。照射到不透明试样表面的脉冲激光，其能量部分被浅表层吸收，部分被反射。为了提高光激超声的效率，可在固体表面涂各种涂层，增加表面的光吸收。同时为获取较高的声能，采用脉冲宽度极窄的高能量密度光束照射介质。吸收光能的浅表部分，温度上升，这部分介质发生膨胀，膨胀后介质发生形变。这种热膨胀形变大小与入射到介质上的光能量成正比，相当于材料的体积增加了。由于人射光波是脉冲的，浅表部分的形变也是周期性的，周期形变在周围介质中激发了超声波，如图1.1.1所示。如果激光能量足以使照射材料的表面熔化时，材料汽化产生一冲量作用于表面，产生了一个反向作用力，激发出幅值较大的超声波。
