Page 67 - 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

图 3 铝板在 1.27，2.84 μs 时刻的全场位移云图
2 基于弧形激光激发的超声体波特性试验

2.1 试验设备与试件制备
试验所用的激光超声检测平台如图4所示。该
检测平台主要有激发与接收两部分。在超声激发部
分，通过手柄控制CFR200型脉冲激光器产生激励
激光（波长为1 064 nm，激光脉宽为11 ns，设定重复
频率为20 Hz），激发出的脉冲激光经透镜组（凹透
镜、平凸透镜、轴棱镜）调制辐照在试件表面，试验
采用锥角θ 为10°的石英锥透镜。接收部分为波长为
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图 5 试件 1 透射法检测示意及三维坐标轴示意
532 nm、功率为500 mW的QUARTET-500 mV型激
描信号如图6（a）所示，可以看出，S-S波的幅值远高
光干涉仪接收超声信号，NI数据采集卡将由光信号
于L-L波的。通过对L-L波和S-S波的到达时间进
转换来的电信号显示在计算机上。试件1 采用尺寸
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行分析，分别记录其在2. 38 μs和4. 42 μs时的信号，
（长×宽×高， 下同）为100 mm×100 mm×20 mm
接着保持激光器输出能量不变，记录不同半径r下，
的铝板，用以研究弧形激光的超声激发特性。
S-S波的到达时间以及幅值，如图6（b）所示，可以
看出，S-S波的幅值随着直径的增大，先增大后减小，
在r 为 5. 5 mm时，其幅值最大。此时环半径与铝板
厚度所形成的正切角约为28. 8°，计算角度并将其转
换成指向性图示，结果如图7所示。该结果与“热弹
机制下，横波主要沿30°方向进行传播 [11] ”的理论相
吻合，侧面印证了该试验是在热弹机制下进行的。
2.3.2 弧心角α 对弧形激光超声激发特性影响
图 4 激光超声检测试验平台 在固定激励与试件位置的条件下， α 为 360°，
2.2 试验方法 r为 5. 5 mm时，从（− 5，0，0）到（5，0，0）以及从

试验采用透射法进行测量，将干涉仪固定在二 （0， −5，0）到（0，5，0）的B扫描结果如图8（a），（b）
维扫描架上，并在接收面建立三维坐标轴，记光源中 所示。保持光环半径不变，调低激光源高度，调制出
心轴与接收面交点位置为原点，垂直朝上为y轴正 α 为100°的弧形光源。α 为100°时，从（−5，0，0）到
方向，水平朝外为x轴正方向，光源入射方向为z轴 （5，0，0）以及从（0， −4，0）到（0，16，0）的B扫描
正方向，试件1 透射法检测示意及三维坐标轴示意 结果如图8（c），（d）所示。由图8可知， α 为360°时，
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如图5所示。 保持激光器输出能量在9. 6 J的情况下， S-S波的能量主要集中在对心位置； α 为100°时，S-S
调节试件与轴棱镜z方向的距离，形成不同半径的弧 波的能量在x轴方向上更为集中，在y轴方向上则相
形光源；调节激光器y方向的高度，形成不同弧心角 对分散，且环内横波的能量强于环外的能量并在对
的弧形光源。 心位置处达到峰值。对比图（b）和（d）可知，随着弧
2.3 试验结果分析 心角的减小，S-S波的幅值从0. 18 V减小至0. 12 V，
2.3.1 环半径对弧形激光超声激发特性影响 但能量汇聚点的位置未发生变化，仍是光源中心轴
α 为360°， r为8 mm时，对心位置接收到的A扫 与接收面的原点位置。

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2025 年 第 47 卷 第 3 期
无损检测