激光在楔型板激发ASF模式波的数值模拟研究(3)
正是由于ASF模式楔波特殊的性质，使其具有非常广阔的应用前景：可应用于特殊工程材料、非线性信号处理设备等的无损检测、水下超声学[3]等。在空气中，对特殊结构的楔体的无损检测表现为：检测机械工具的刀刃、螺旋状钻头、飞机螺旋桨桨叶等；非线性信号处理的应用之一为发展一种ASF模式的传感器，类似于表面波SAW传感器；在水中的一个重要应用就是水下推进[4-5]，设计制造特殊的机翼状结构，利用楔形波能量集中于楔顶的特性，根据流体力学原理，推动船只或核潜艇前进，这种推进的方法很安静，不会破坏海洋生物的环境，对人和生物而言，既环保又安全。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 激光超声研究进展
1.2.2 ASF模式楔波的国内外研究进展
1.3 本文主要工作
本文的主要研究工作是利用有限元方法建立脉冲激光源在周期性和非周期性结构介质中热弹激发ASF模式楔波的理论模型。首先，阐述了激光激发ASF楔波的热弹性机制原理，并归纳总结了ASF模式楔形波的基本理论，介绍了现有楔波的两大物理模型，即薄板近似理论和几何声学理论；其次，利用comsol软件模拟楔体中ASF楔波激发原理和传播过程；最后，分析所得计算结果。本文重点研究了楔角大小对于ASF模式楔波特性的影响，以及周期性结构对ASF模式楔波的频带影响。
2 激光激发ASF模式楔形波的基本理论
如前所述，本文研究的ASF模式波属于激光热弹机制激发超声的范畴，此类理论研究工作大部分采用解析计算的方法，而脉冲激光热弹激发超声波精确解析求解的主要困难是求解高度耦合的偏微分方程，因为这一物理过程不仅包括瞬态热扩散，而且包括瞬态弹性波的激发和在有限空间的传播。本文采用有限元的方法分析、研究问题，有效避免了楔角范围的限制，并能对楔顶上每一点的位移波形进行数值分析。
2.1 激光超声的激发机理
激光可以在固体中产生超声波，也可以在气体和液体中产生超声波。在这三种介质中激光激发产生的超声波的形式和机理有所不同，另外，激光激发超声的振幅或效率与激光功率密度、波长和材料特性也有关。
本文主要模拟和研究热弹机制下单体铝和铝硅周期结构楔体上激发产生的ASF楔波特性。激光照射固体表面时会发生一系列不同的物理过程。在低入射功率密度下，一些固体材料在激光的辐照下产生热波（即超声波），在半导体材料中产生电流，此时样品在弹性限度内，材料处于无破坏状态，称为热弹机制；对于金属，当入射激光功率密度较大时，其表面因吸收光能导致温度急剧升高，当温度超过材料熔点时，就会在材料表面产生烧蚀，并在表面附近形成等离子体，称为融蚀机制。
当入射激光能量较低时，照射到样品表面的脉冲激光，一部分能量被样品表层吸收，一部分被样品反射。其中被吸收的电磁辐射大部分能量转化为热能，并通过热传导在材料内部扩散，形成温度场。温度的梯度分布导致应力和应变，热弹应力以热波（超声波）的形式在材料内传播，这种热波可能是低频的超声波，可能是高频的超声波，这种热膨胀效应产生超声的机制就是热弹机制
2.1.1 热弹效应
上图2.1.1所示即为热弹机制下激光激发超声的原理图，这也正是本文所要研究ASF模式楔波的激发机理。
2.2 线性热弹性方程
对一个由于热传导而产生变形的物体，热弹性行为由4个平衡方程和3个本构方程来描述[21-22]:
(1) 应变张量 (2.2.1)