激光激发表面声波的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.2MB 61 页 15积分

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摘要

用基于表面声波模式转换的声波导传感器，可以透过容器或软管的外壁来检

测出液体的成分。但是在目前的设备中，压电叉指换能器必须和这些容器表面的

外壁连接，并且连接到外接的电子设备上。用脉冲激光激发表面声波，提供了另

一种非接触式检测液体的方法，例如检测封闭瓶。这种方法是非破坏性的，由激

光技术，是衡量表面声波的分散的决定的。因此，需要设计一个适合的激光激发

表面声波的设备，并且对着这个设备进行试验和检测。本论文设计了两个试验装

置，用硅做基座的声波导传感器和用铝做基座的声波导传感器。用此装置进行压

电叉指换能器激发表面声波和激光激发表面声波的试验，并对其数据进行对比分

析，得出激光激发表面声波的可行性结论。本论文分为五章，分别为绪论，试验

材料及技术，试验过程及结果，评价及讨论，以及结论。

在绪论中，主要介绍了试验目的及此项目的发展状况。表面声波是一种在固

体培养基表面传播的弹性波。然而随着激光技术的发展，人们对激光激发表面声

波对材料特性的无损检测产生了越来越多的关注。因此，一个激光激发表面声波

的测量装置是本论文所设计的装置。而今，在国内外，此项技术也得到了广泛应

用。例如激光激发表面声波技术用于超薄薄膜的测量，对 5纳米到 30 纳米厚度的

金刚石薄膜的杨氏模量进行测量；激光-声波技术在核工业的发展，以激光为基础

的维修系统已经在日本核电厂得到了实际的应用；还有激光激发表面声波技术的

非损坏性更是一种在保证材料的完整性的同时，取得材料信息的一种可靠的方法。

试验中所提到的关键技术主要是激光技术及表面声波技术。激光器的全称是

受激辐射式光频放大器，是产生准直、单色、相干的光束的仪器。基本上，产生

激光需要共振结构、增益介质及激发来源这三个要素。激光的原理是电子从高能

级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的电磁波（所谓自发辐射）。一般的发光体

中，这些电子释放光子的动作是随机的，所释放出的光子也没有相同的特性。当

外加能量以电场、光子、化学等方式注入到一个能级系统并为之吸收的话，会导

致电子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收），当自发辐射产生的光子碰到这些

因外加能量而跃上高能级的电子时，这些高能级的电子会因受诱导而迁到低能级

并释放出光子（所谓受激辐射），受激辐射的所有光学特性根原来的自发辐射包括：

频率、相位、前进方向等会是一样的，这些受激辐射的光子碰到其他因外加能量

而跃上高能级的电子时，又会再产更多同样的光子，最后光的强度越来越大（即

光线被放大了），而与一般的光不同的是所有的光子都有相同的频率、相位、前进

方向。激光有多种型号，根据产生激光的媒质，可以把激光器分为液体激光器、

气体激光器和固体激光器等。本次试验用的是气体激光器。此种激光器介质是气

体，通过放电得到激发。

表面声波是一种沿弹性材料表面扩散的波，其振幅随基板的深度呈指数衰减。

表面声波包括瑞利波，兰姆波，L波等。瑞利波是一种常见的界面弹性波，是沿

半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。地震学中称其为 R波或 L波。在表层附

近，质点的运动轨迹为椭圆；在离表面为 0.2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍

为椭圆，但运动方向与表层相反。在自由表面上，质点沿表面法向的位移约为切

向的 1.5 倍。瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质

中横波波速的 0.862～0.955 倍。波是一种沿着自由表面传播的波，地球-空气界

面可以看作是自由界面。瑞利波是 P波与 SV 波干涉的结果。质点运动轨迹在均匀

介质中为逆时针方向。成椭圆极化。理论上说，瑞利波只能沿着均匀半空间自由

表面和均匀介质自由界面传播。地滚波是瑞利波中一种特殊波，它沿着地表传播，

其特征是低速，低频和强振幅。拉姆波是在固体中传播的，是一种弹性波。它的

性能非常复杂，还有一种名称叫做瑞利兰姆波。

试验所用到的主要设备是氮气激光器，信号发生器，示波器和主要由压电叉

指换能器做成的声波导传感器。氮气激光器是一种在紫外线范围内（通常是 337

纳米），利用其增益介质氮分子，由气体充放电的激光操作。试验用的信号发生器

是Function generator Agilent 33220A。试验用的示波器是 Oscilloscope

WaveRunner 44Xi。试验用的压电叉指换能器是由两个适用于压电基板上的联锁梳

状金属涂料组成，如石英或者铌酸锂。压电叉指换能器主要用于把电信号转换成

表面声波。本次试验所用的主要测量设备是以硅为底座的声波导传感器和以铝为

底座的声波导传感器。此设备是由两个压电叉指换能器粘在 1毫米厚的基座上，

并为同一直线，一个为激发器，一个为接受器。并把激发器与信号发生器相连，

接收器与示波器相连的设备。信号发生器提供频率为 1MHz，幅值为 10V，振荡周

期为 5的窄带正弦波，在示波器中所测出由接收器所接收的波形图，及其数值用

来作为激光激发表面声波的参考对照值。试验波形图显示，以硅为基板的声波导

传感器为例，用压电叉指换能器激发的表面声波是一组频率恒定的波，最高的幅

值为 0.5V 左右。

本次试验得到了来自德累斯顿的弗劳恩霍夫研究所的 Mr. Schneider 教授的

巨大帮助。他提供了氮气激光器设备等一些试验装置。把上述试验装置中的压电

叉指换能器（激发器），换成氮气激光器，同样用压电叉指换能器（接收器）接收，

得到了不同的试验数据和结果。用激光激发所接收的表面声波是一组不恒定的波，

而且由于速度的原因，频率高的波形先于频率低的波形。所接收到的噪音也比用

压电差值换能器激发的波形多。

氮气激光器激光激发表面声波的实验原理是短脉冲的氮气激光器产生的宽频

的表面声波脉冲。一个柱面透镜在试样表面集中激光束，激光脉冲伴随着局部加

热，在不透明材料的表面被吸收。在激光能量足够高的情况下，热能在激光线下

一个小体积非常迅速的积累，温度大幅上升。这将产生压力突然增加，并且造成

声波脉冲从源头开始传播。应力梯度越高，脉冲的频带越大。表面声波脉冲的带

宽随着激光脉冲增长时间而增加，随着材料的吸收深度而减少。材料的烧蚀是可

以避免的。这就要求低脉冲能量，可实现高功率激光，短脉冲长度。因此氮气激

光器非常的适合，因为它产生的脉冲是 800 千瓦的能量，0.5 纳秒的脉冲持续时

间和 0.4 毫焦的低脉冲能量。此激光器的波长为 337.4 纳米，保证了对大多数实

验所需的材料高能量吸收。

Mr. Schneider 教授所使用的接收器接收到的频率范围是 40MHz 到 220MHz，

用他做出的实验数据作对比，用压电叉指换能器所接收到的波经过 FFT 变换所得

出的值为 13.5MHz。两者不同的原因在于，试验所用的压电叉指换能器在 1MHz 处

最敏感，带宽很窄，而激光激发的表面声波带宽很宽，能高达 200MHz，所以对于

高频信号的接受会有影响。本试验还用激光在不同位置进行了表面声波的激发。

得出随着激光激发点与叉指换能器之间距离远近的改变，虽然叉指换能器所接收

到的波形会有微小的变化，但是最高频率值并不会发生变化，还是一样的数值。

同样对铝为基板的声波导传感器进行了相同的对比试验，得出来的结论几乎是一

样的。

本次激光激发表面声波试验证明，氮气激光器能在以硅为基板和以铝为基板

的材料上激发出表面声波，并且是一种非恒定频率的波，而且与叉指换能器激发

所接收的恒定的表面声波有很多的不同。但是叉指换能器频率范围的限制也对实

验结果产生了影响。但是随着激光激发点与叉指换能器之间距离远近的改变，最

高频率值并不会发生变化。

尽管本试验检测出激光激发表面声波是可行的，但是结果并不是非常完美。

由于试验设备的限制，只能选择氮气激光器和叉指换能器，并且叉指换能器对频

率的测量范围还有所限制。下一步试验可更换测量设备或者激光器，激光激发表

面声波是一项新的技术，还有广阔的发展空间。

关键词：激光器表面声波叉指换能器传感器

ABSTRACT

By means of an acoustic waveguide sensor based on the mode conversion of acoustic

surface waves the composition of liquids can be measured via the walls of the vessel or

tube, in which the liquid is contained. In the present set-up, however, piezoelectric

inter digital transducers has to be attached at the outer surfaces of these containers and

electrically contacted.

The excitation of surface acoustic waves by means of pulsed laser beams provides

another approach to a contactless investigation of liquids e.g. in closed bottles. It can

non-destructively be determined by the laser-acoustic technique that is based on

measuring the dispersion of surface acoustic waves. Therefore, a suitable setup for the

excitation of surface acoustic waves with pulsed lasers shall be constructed and tested.

Surface Acoustic Waves can be exciting by N2 laser with Silicon and Aluminum

substrate. But it is much different from the value by using IDT exciting. The frequency

of IDT receiver from IDT exciting and N2 laser exciting are nearly the same, it is

because of the measuring range of IDT. The bandwidth of the laser is broad, but the

bandwidth of IDT receiver is narrow, the maximum is 1MHz. So this is a small part of

the whole frequency.

Key Word: Laser, Surface acoustic waves, Inter Digital Transducer,

Sensor

Contents

1 Introduction ................................................................................................................1

1.1 Objective of the investigation................................................................................1

1.2 Competing approaches .........................................................................................4

1.2.1 Testing ultra-thin films by laser-acoustics .....................................................4

1.2.2 Testing in Nuclear Industry by laser-acoustics ..............................................5

1.2.3 Non-destructive evaluation by laser-acoustics................................................6

2 Materials and Technologies .........................................................................................7

2.1 Laser principles and applications .........................................................................7

2.1.2 Types and operating principles ....................................................................10

2.2 Surface Acoustic Waves......................................................................................14

2.2.1 Rayleigh waves ............................................................................................16

2.2.2 Lamb waves.................................................................................................18

2.2.3 Love waves ..................................................................................................20

3 Experiment and Results ............................................................................................22

3.1 Experimental equipment ....................................................................................22

3.1.1 N2 laser ........................................................................................................22

3.1.2 Function generator Agilent 33220A .............................................................24

3.1.3 Oscilloscope WaveRunner 44Xi ...................................................................26

3.1.4 Inter Digital Transducer..............................................................................28

3.2 Experimental method .........................................................................................30

3.2.1 Exciting equipment......................................................................................30

3.2.3 Experiment in Fraunhofer in Dresden .........................................................33

3.3 Experimental results...........................................................................................35

4 Evaluation and Discussion.........................................................................................47

4.1 Acoustic wave guide Sensor with Silicon substrate .............................................47

4.2 Acoustic wave guide Sensor with Aluminum substrate .......................................53

5 Conclusion.................................................................................................................54

5.1 Experiment conclusion .......................................................................................54

5.2 Result conclusion ................................................................................................54

5.3 Defects and Outlook ...........................................................................................55

Acknowledgement ............................................................................................................56

Reference..........................................................................................................................57

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摘要用基于表面声波模式转换的声波导传感器，可以透过容器或软管的外壁来检测出液体的成分。但是在目前的设备中，压电叉指换能器必须和这些容器表面的外壁连接，并且连接到外接的电子设备上。用脉冲激光激发表面声波，提供了另一种非接触式检测液体的方法，例如检测封闭瓶。这种方法是非破坏性的，由激光技术，是衡量表面声波的分散的决定的。因此，需要设计一个适合的激光激发表面声波的设备，并且对着这个设备进行试验和检测。本论文设计了两个试验装置，用硅做基座的声波导传感器和用铝做基座的声波导传感器。用此装置进行压电叉指换能器激发表面声波和激光激发表面声波的试验，并对其数据进行对比分析，得出激光激发表面声波的可行性结论。本...

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