一、本课题的目的及研究意义
激光超声在当今时代具有非常广泛的应用，例如光谱学，度量学，探伤检测，通信，核聚变研究，武器系统和外科学等多个科学技术领域。当然，在不同的应用场合可能利用激光的不同特性，比如激光加工利用的是激光的高亮度和能够精确聚焦的特性，而干涉测量则利用了激光光束良好的相干性。毫无疑问，激光的发现对超声产生了巨大的影响，超声学现在已经是一门应用广泛而成熟的技术。超声探测已经成为对工程材料和结构进行无损检测的常规方法，利用超声进行诊断也成为医学上的常规方法。传统的超声一般是利用压电传感器激发，是接触式激发，需要耦合剂，很多时候耦合剂的存在会对超声的产生和接收产生影响，在高温和一些较苛刻的环境下，甚至无法正常使用。一方面正是为了克服传统超声技术的这些缺点，另一方面，激光的多种优异特性和激光技术的发展， 促使激光技术与超声学相结合，诞生了激光超声学。本课题主要是对多缺陷进行激光超声检测，并且进一步，实现单光路的激光超声检测。
二、本课题的研究问题
在查阅相关文献和书籍的基础上，我们首先要了解课题相关领域国内外最新的研究进展和动态。然后弄清楚超声的激光激发和检测原理，特别是脉冲激光源在材料内激发宽带超声波和使用光学相位调制超声探测的机理。进一步针对不同缺陷类型，设计光路和扫查方式，实现检测。最后，整合多种激光超声检测技术，使用单一光路和扫查路径实现多种缺陷的同时检测。具体研究内容如下：
- 超宽带、高灵敏度的激光超声激发/探测技术
超宽带、高灵敏度的高频超声激光探测技术是实现金属缺陷检测的关键技术。主要研究内容有：探测激光时空调制参数研究；适用于高频超声探测的双光束混合干涉原理和技术；超宽带、高灵敏度的高频超声激光探测系统研究；
- 缺陷的激光超声检测技术
针对不同的缺陷种类，研究对应的检测技术：利用扫描激光线源（SLS）法实现表面裂纹检测；结合脉冲回波法、合成孔径聚焦技术（SAFT）和飞行时间散射技术（TOFD）实现体裂纹、气孔、夹杂及未熔合等体缺陷检测。
- 多缺陷的单光路同步检测技术研究
研究适用于多缺陷检测的激发光源光路的整合。研究同步满足各检测技术要求的激光激发技术，形成相应系统。具体研究内容为：多缺陷同步检测的高效时空调制激光超声激发技术整合；多检测技术的单光路同步检测参数优化。
三、本课题的研究方法
1 激光超声的激发机理
1.1 激光
1917年，爱因斯坦在研究黑体辐射时，发现处在高能态E2的粒子发生自发辐射之前，受到外来的光子的刺激作用，高能态E2跃到低能态E1，同时发出一个和激发光子同频率、同相位、同偏振态的光子，这种光发射称为受激发射。在室温下，可见光范围内，受激发射几乎可以忽略。所以一般光源的发光都是自发发射。为了使受激辐射取得主导地位，必须使高能级的粒子数超过低能级的粒子数，这就要颠倒热平衡系统中的粒子分布，即这可以通过在非平衡系统中实现，该条件通常简记为粒子数反转。要实现粒子数反转，第一，必须选取适当的工作物质，这些物质必须具有亚稳态能级结构；第二，必须要有外来激励能量，为实现粒子数反转分布提供所需能源 。激光的定义是对受激辐射进行放大产生的光。激光有单色性，相干性，方向性等特性。
1.2 超声
声波是一种机械波，由物体(声源)振动产生，能量能够以声波的形式在固体，液体和气体中传播。流体中声波的传播一般只有纵波一种模式，其质点位移方向与传播方向平行，也被称为压缩波。而在弹性固体中，包括绝大部分的金属中，声波的传播情况就要复杂得多。除了纵波外，还有水平剪切和垂直剪切两种横波模式，其位移方向与传播方向垂直，这些不同模式的波的传播速度是不同的。在各向同性固体中，两种横波模式的传播速度一样。声波的频谱范围是相当广的。可听声的范围大概为 20Hz~20KHz，当然这个频率界限是粗略的，依赖于个体的年龄等因素。低于20Hz的是次声波，地震波的大部分能量为次声。超声是指频率高于20KHz的声波。本课题的超声波在物理介质（如被检测材料 或结构）中传播时,通过被检测材料或结构内部存在的缺陷处，声波会改变原来的传播规律，如产生折射、反射、散射或剧烈衰减等，通过分析这些规律的变化,就可以建立缺陷同被检测物理量与声波的幅度、相位、频率特性、声速、传播时间、衰减特性等之间的相关关系，因而可定量地检测出材料中的缺陷，如气孔、裂缝、夹杂等。另一类是利用待测的与介质特性有关的非声学量与某些描述介质声学特性的超声量之间存在的关系，通过测定这些超声量来分析介质的特性。
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