4.4. Лазерное возбуждение

Способ №1. Непосредственное воздействие лазера на металл

Рис. 4.7. Схема лазерного возбуждения УЗ-колебаний: 1 – твердотельный лазер, 2 – объект контроля, 3 – полупрозрачное стекло, 4 – интерферометр, 5 – усилитель, 6 – регистратор, 7 – гелиевый лазер

При облучении изделия энергией светового потока в материале возникают акустические волны вследствие трех режимов генерации:

1 – термомеханических напряжений;

2 - режима испарения;

3 - детонаций.

Рис. 4.8. Зависимость амплитуды сигналов от интенсивности излучения.

Е сли нагреть поверхностный участок изделия, то соседние участки этого тела приобретают повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, а следовательно к появлению термомеханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой. Глубина проникновения энергии импульса за время его действия (0) определяется зависимостью , где - коэффициент температуропроводности. Для 0 ,где - коэффициент температуропроводности. Для = 30 нс глубина для МУС составит =10мкм. Разогрев металла идет со скоростью, достигающей 1010 град/с.

При  режиме д = 200-600 квт/мм2 генерация УЗ-колебаний происходит за счет превращения испаряющегося конденсированного вещества в газ, либо за счет теплового расширения металла, нагретого выше критической точки в присутствие избыточного давления паров металла. Импульс отдачи разлетающихся паров металла пропорционален плотности мощности излучения лазера.

В III режиме генерации УЗ-колебаний заметную роль играют процессы взаимодействия паров металла с падающим излучением. При значениях, когда тепловая энергия вещества и энергия ионизации равны между собой, плазма становится непрозрачной и ведет себя как взрывчатое вещество, создавая ударную волну. Трем режимам генерации соответствуют различные диаграммы направленности продольных УЗ-волн. Качественно эта картина представлена на рисунке, а количественно сигналы для I, II, III режимов находятся в соотношении 1:20:30.

В первом (I) режиме диаграмма представляет собой два симметричных лепестка, расположенных под углом 550 к нормали.

Для второго (II) режима диаграмм представляет собой центральный лепесток.

Третий (III) режим характеризуется почти сферической диаграммой направленности.

Рис. 4.9. Диаграммы направленности продольных (а) и поперечных волн (б) для различных режимов излучения

Для возбуждения всех типов волн необходим лазер мощностью с энергией порядка нескольких долей (0,1 Дж) и длительностью =10-8с. Применение термоупругого эффекта не обеспечивает оптимальных условий проведения контроля, вследствие более размытой диаграммы направленности. Поэтому наиболее целесообразно проведение лазерного ультразвукового контроля в испарительном режиме. Сдерживание лазерного ультразвукового контроля объясняется в первую очередь не эффективностью приема УЗ-колебаний и не стабильностью характеристик лазеров.

Способ №2. Использование оптико-акустического преобразования

Рис. 4.10. Принцип лазерного термооптического возбуждения ультразвука.

Принцип лазерного термооптического возбуждения ультразвука схематически показан на рис.4.10. Лазерный импульс падает из прозрачной среды по нормали на поверхность поглощающей среды. На рис. 4.10 ось Z направлена вглубь поглощающей среды, плоскость z = 0 — граница поглощающей и прозрачной сред.

При поглощении лазерного импульса происходит неоднородный нестационарный нагрев приповерхностного слоя среды, который приводит к возникновению механических напряжений в поглощающей среде. При этом как в прозрачную, так и в поглощающую среду начинают распространяться импульсы продольных акустических волн. Амплитуда и временная форма (и, соответственно, частотный спектр) термооптически возбуждаемого ультразвукового импульса — оптико-акустического (ОА) сигнала — определяется временной зависимостью интенсивности поглощенного лазерного импульса и теплофизическими параметрами поглощающей среды (коэффициентом поглощения света, коэффициентом теплового расширения и теплоемкостью). При использовании импульсных лазеров с модуляцией добротности (Lτ имеет порядок десятков наносекунд, энергия в импульсе порядка 10 мДж) амплитуда ОА сигналов может достигать десятков и сотен атмосфер, а их спектр — простираться от долей до сотен мегагерц.

Рис. 4.11. Принцип работы источника УЗ с использованием ОА генератора.

При поглощении лазерного импульса в ОА источнике в нем возбуждается ультразвуковой импульс продольных акустических волн с известными амплитудой и частотным спектром — зондирующий (опорный) импульс, который затем распространяется в исследуемом образце и регистрируется с помощью специально разработанного широкополосного пьезоприемника, находящегося в акустическом контакте с образцом. Для обеспечения такого контакта ОА источник, образец и пьезоприемник разделяются слоями иммерсионной жидкости (дистиллированной воды) толщиной 1,8 мм.

Применение лазерных источников ультразвука позволяет использовать метод измерения фазовой скорости продольных акустических волн «по тройному пробегу» для образцов малой толщины (от 0,1…0,3 мм). Такая возможность обусловлена малой длительностью опорного ультразвукового сигнала; соответственно, импульс, однократно прошедший образец, и импульс после тройного пробега в образце, не будут перекрываться. В этом заключается основное преимущество лазерного оптико-акустического метода перед традиционными методиками ультразвуковой спектроскопии, которые позволяют исследовать образцы металлов и сплавов с толщиной более нескольких миллиметров.

Рис. 4.12. Формы ультразвуковых сигналов ПЭП и лазерного источника с ОА – генератором.

При одинаковых частотах УЗ импульсов длительность импульса лазерного ультразвука в 6-7 раз меньше, чем для ПЭП.