Page 66 - 无损检测2025年第三期

李霂维，等：

基于光源调制的弧形激光超声激发特性及缺陷检测应用

目前，在不损伤材料的前提下，提高体波激发效 锥透镜（也称为轴棱镜）是一种圆锥透镜，其具
率的方法主要有增加表面超材料、光源调制等 [4-5] 。 有一个锥面与一个平面。当准直光束入射到锥透镜
增加表面超材料的方法既改变了检测对象，也会影 平面，且光束中心与透镜轴线无偏移时，锥透镜使激
响检测对象的原始状态，因此制约了该方法的广泛 光形成环形光束，其光路示意如图1所示，图中，光
应用。在光源调制方面，肖宇刚等 采用8台激光器
[6]
环的直径d与透镜输出端到像的距离l满足以下关
构建阵列激光源，分析调制频率、阵元数、阵列间距
系式： d≈2l×tan[（n-1） θ]（其中n为透镜折射率，
对超声汇聚能力的影响，实现了激光超声体波的远
θ 为锥透镜的锥角）。因此调整试件到锥透镜的距离，
距离聚焦。PEI等 通过数值模拟方法，研究光纤相
[7]
可以改变光环的半径大小。
控阵激光在热弹机制下体波的聚焦和转向方法，并
搭建7个相控阵激光源检测平台，实现金属内部缺
陷的检测。周航等 利用有限元法分析环形激光超
[8]
声的汇聚特性，提出采用双面检测扫描法提取缺陷
长度以及深度信息。邓祎昕 利用有限元方法，结
[9]
合阵列环形光源与延时激发法，进一步提高了环形
激光体波激发效率。相比之下，阵列激光源和光纤
相控阵激光的实现成本高昂，而采用环形光源进行
内部缺陷的检测多处于仿真阶段。
文章为提高热弹机制下的体波激发效率，搭建 图 1 通过锥透镜形成的环形光源光路示意
了易操作的试验平台，开展弧形激光的体波激励特 弧形光源是激光束中心与透镜轴线偏移的结
性研究，实现材料内部缺陷的弧形激光检测。
果 [10] ；当激光束中心与透镜轴线不发生偏移时，在试
1 弧形激光原理 件表面汇聚成弧心角为360°的环形光源；而随着偏
移的逐渐增大，弧心角逐渐从360°变化到0°。因此，
1.1 调制原理
脉冲激光首先通过凹透镜进行扩束，再经凸透镜进
目前，由脉冲激光器激发出的激励激光能量分
行准直，最后经由锥透镜在试件表面汇聚成不同弧
布往往比较分散，难以直接激发出超声波，因此需要
通过凸透镜或柱透镜来汇聚激光能量。凸透镜使激 心角的弧形光源。弧形光源的光路图及其照射在试
光能量汇聚在一个点上，而经过柱透镜的激光会在 件表面时的斜视图如图2所示 （图中α 为弧形角， r
材料表面某一方向进行延伸，形成线形光源。 为半径）。

图 2 弧形光源的光路图及其照射在试件表面时的斜视图
1.2 数值模拟分析 的，且纵波和横波在光源中心轴上汇聚叠加后的超
利用 COMSOL 仿真软件，建立弧形激光超声 声波能量极大地增强，激光激励体波效率也随之增
激发模型，铝板在 1. 27，2. 84 μs 时刻的全场位移 强。从位移云图中可以明显看出，叠加横波（S-S）
云图如图 3 所示。由图 3 可知，纵波 L 和横波 S 沿 信号强于叠加纵波（L-L） 信号，因此选择S-S波作
圆柱纵向截面向下传播，纵波的传播速度快于横波 为检测波更为合理。

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2025 年 第 47 卷 第 3 期
无损检测