基于激光辅助加热的声表面波微裂纹检测的实验研究(4)
热弹机制：当入射光的功率密度较低(金属材料的典型值是10 6 W/cm2)时，材料表层由于吸收光能导致局部升温，引起热膨胀而产生表面切向压力，同时激发出横波、纵波和表面波。在这种机制下，声信号的幅度随着激发功率的增加而线性增加。由于激发功率的密度较低，表层的局部升温没有导致材料的任何相变，因而具有严格无损检测的特点，但激发效率很低。
融蚀机制：当入射光的功率密度逐渐升高时，材料表层的瞬态升温将逐步导致材料的熔化、气化和形成等离子体。这时将有一小部分表面物质被喷射出来，从而给样品表面施加了一个非常高的反作用力，导致声波的产生。在这种机制下可以获得大幅度的纵波和表面波，激发效率比热弹机制高4个数量级。但由于它每次对表面产生约0.3 µm的损伤，所以只能用于某些场合，且通常用来产生超声纵波。
2．2 热弹机制下激发超声的点线光源模型
激光光源十分灵活，光源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节。小的为几十微米，大的用扩束镜实现。光源的形状有点、盘、线、环及栅状等等。微小的点源或线源具有很好的局域性，实验室也常用这两种光源激发超声。下面主要讨论点光源模型和线光源模型。
2.2.1 热弹机制下激发超声的点光源模型
当热或光透入固体的深度比照射面积小得多时可作一文近似。White最早讨论了半无限固体表面受激光均匀照射的问题。考虑三文模型时，Scruby等提出了正交力偶模型。Rose运用表面点源表象，求得在热弹条件下，聚焦激光束在金属表面激发超声波的解析表达式，奠定了热弹条件下激发弹性波的实验和理论基础。
Scruby等将激光照射区考虑为以一点(或微小体元)为中心向外热膨胀的源。设激光脉冲的时间剖面为阶跃函数H(t)，激光照射引起的瞬态温升使得小体积V产生体膨胀 ，由热膨胀产生的应力为:
式中Q表示吸收电磁能转换成的热能，λ和µ是Làme常数。由体积内的源产生的位移可由含时卷积关系来表示。
式中*是卷积算符， 是在观察点xi和时间ti,由一个平行于xi轴的脉冲力，在时间t=0时作用在点源 上产生的Green函数的第n个位移分量。若源在坐标原点，则有
式中 是描述点源强度的地震源的动量。对于各向同性的固体， 退化为标量 。令 ，则位移为：其中 。
当材料确定后，Γ就是常数。 表示由准阶跃函数激发的Green函数。由式(2.4)可看出位移振幅与吸收的光能成正比，波形状取决于 。
2.2.2 热弹机制下激发超声的线光源模型
利用线源产生的信号幅度相比于利用点源，在激光入射能量相同的前提下要强得多(大约强5-10倍)。同时由于线源的能量沿线长方向分布，且在线源条件下近场区的声面波振幅随接收距离的增大而衰减很小，因而这样既降低了能量密度，又可以增大扫描范围。另外在近场范围内，使用线光源激发超声波无需考虑探测位置对信号幅度的影响。
线光源激发超声的问题在三文空间中可以视为点光源的积分，在样品上表面建立直角坐标系(x，y，z)， 图2.1所示为有限长线光源的坐标系。其中(x，y)为有激光辐照的样品表面，z为由激光辐照表面指向样品的方向。设长度为2d，宽度很窄的脉冲激光线源照射在样品表面y轴上，线源的中点位于坐标原点。根据叠加原理，对于该线光源，x轴上垂直表面的位移 可写成积分形式:
式中， 为权重函数， 为t时刻距离线源中心 处的垂直位移分量。
因为线光源在线长方向上呈高斯分布，所以