激光在楔型板激发ASF模式波的数值模拟研究(2)
4.2.2 大角度周期结构楔体对ASF楔波的频带影响 26
4.3 本章小结 28
总结 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
1. 绪论
1.1 研究背景和意义
激光技术自诞生以来的几十年里得到了不断地发展与进步。相比于普通的光源，激光以其高亮度、单色性好、相干性好、方向性好等特点，现已广泛应用于工业、农业、医学、军事和科学研究等众多领域。而这些应用都是以激光与物质相互作用为理论基础的。
激光与物质相互作用是一个十分复杂的物理过程，涉及的领域有固体电子学、热力学、力学、声学等等，而这些作用过程对应的基本规律可归纳为:当激光束作用于物质时，光能先转换成物质中粒子的激发能，然后再转化为热能、化学能或机械能等。在整个过程中，物质中分子结构和物质的形状都将以多种形式发生变化[1]。
激光超声学是一门交叉学科，作为激光与材料相互作用研究中的一个重要分支，它主要研究脉冲激光在媒质中激光激发超声的机理、传播过程和检测方法。激光超声采用强度调制的激光束入射到闭合介质空间而产生声波，所用的激光为脉冲激光。与传统上用压电材料或电弧放电激发超声相比，激光超声可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间上都具有极高的分辨率。激光不仅可以在不同形状的材料中非接触的激发超声，同时也可以在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下进行超声检测，适用于超薄材料的检测和物质微结构的研究。因此对其进行理论和实验研究具有重要的意义。
针对不同结构、组分、形状的材料，研究激光在其中产生的超声波特性，可以了解材料的特点。随着光子晶体和声子晶体的快速发展，人们对周期性结构材料有了进一步的认识。由于周期性结构的波带隙特性，对不同组成的周期性材料，其带隙的频率范围不同，带隙频率范围内的波在材料中传播时会被抑制，而其它频率范围的波将在色散关系的作用下没有损耗的传播。因此，我们可以人为地利用周期性材料来控制ASF楔波的传播；反之，通过研究激光在周期性材料激发得到的ASF模式楔波，可以了解材料的组成及结构等特点。
另外，激光超声声源较传统声源有一系列优点[2]:声源就在其中传播声波的介质中，声波的发射不存在界面的反射，故无脉冲拖延现象，大大提高了超声波的分辨率；由于热应力的惯性非常小，使激光超声具有很宽的频带等。这些特点对研究ASF模式
楔波起到了很大的改善和推动作用。因此以激光超声源代替传统的压电等超声源来激发ASF模式楔波已被广泛使用。
ASF楔形波是一种弹性声导波，它综合了Lamb波的A0模态和瑞利波的特性，按照波传播相对于中顶面的对称性，可以分为对称弯曲模式楔形波（Symmetric Flexural modes）和反对称弯曲模式楔形波（Anti-Symmetric Flexural modes）。当超声激发源平行于顶轴时，可以激发出对称弯曲模式楔形波；当超声激发源垂直于顶轴时，可以激发出反对称弯曲模式楔形波。其中反对称弯曲模式的楔形波因为其一些特殊的性质，尤其引人注目。
反对称弯曲模式楔形波（即ASF模式楔形波）沿理想的楔顶传播时，无频散和衍射想象，传播速度很慢，而且能量几乎全部集中在楔体顶端。研究表明：ASF模式楔形波的传播速度受楔体材料的顶角和材料本身的影响，总比对应材料中传播的瑞利波速度小；当楔体为非理想状态时，即顶面非无限锋利时，ASF模式楔波在实际传播过程中存在着频散；此外，ASF模式楔波在传播过程中存在的模态数与其楔体的顶角 密切相关。