，，

(1.南京理工大學(xué) 理學(xué)院， 南京 210000;2.南京理工大學(xué) 電光學(xué)院， 南京 210000)

隨著社會工業(yè)化水平的高速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量的要求大為提高，使得無損檢測技術(shù)在質(zhì)量監(jiān)督環(huán)節(jié)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。在眾多的無損檢測技術(shù)中，激光超聲檢測技術(shù)憑借其非接觸、遠(yuǎn)距離激發(fā)和探測，適用于復(fù)雜檢測環(huán)境等優(yōu)勢，眾多研究者在試驗和理論上都對其開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果[1-2]。裂紋檢測是無損檢測的一個重要組成部分，無論是使用傳統(tǒng)超聲還是激光超聲技術(shù)，若材料裂紋尺寸大于超聲波長，這些線性超聲檢測技術(shù)均能夠檢測到此裂紋；若裂紋尺寸小于超聲波長，這些線性超聲技術(shù)無法對其進(jìn)行檢測[3]。

近些年來廣受關(guān)注的非線性超聲裂紋檢測技術(shù)，是利用有限振幅聲波在材料中傳播時，微裂紋與聲波相互作用所產(chǎn)生的各種非線性效應(yīng)，來實現(xiàn)遠(yuǎn)小于超聲波長尺寸的微裂紋檢測的[3-5]。目前，已有大量關(guān)于使用光學(xué)方法實現(xiàn)對裂紋與超聲相互作用產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象的激發(fā)和觀測的文獻(xiàn)報道[6-7]。2009年,CHIGAREV等[8]首次提出了裂紋的光學(xué)非線性混頻檢測方法。該方法將兩束不同調(diào)制頻率的激光重合輻照于玻璃樣品上，從裂紋的一側(cè)掃描至另一側(cè)，將其中一束調(diào)制頻率為幾十千赫茲的高頻調(diào)制激光(fH)作為激發(fā)源輻照樣品以產(chǎn)生聲波，將另外一束調(diào)制頻率為幾赫茲的低頻調(diào)制激光(fL)作為加熱源輻照于樣品上的裂紋處，使裂紋在兩光源掃查過程中周期性開合。試驗結(jié)果顯示：混頻信號主峰所在頻率(fH)處幅值幾乎不變，而當(dāng)激光位于樣品完好區(qū)域時，非線性旁瓣所在頻率(fH±nfL)處幅值幾乎為零；當(dāng)激光經(jīng)過裂紋附近時，非線性旁瓣所在頻率(fH±nfL)處幅值明顯增大。這表明，常規(guī)的線性超聲技術(shù)對這一裂紋不敏感，而非線性激光超聲裂紋檢測方法可實現(xiàn)對其的檢測[9]。

此外，ZAKRZEWSKI等[10]還從理論上闡述了產(chǎn)生非線性混頻現(xiàn)象的原理，也就是經(jīng)典的光聲非線性混頻機制[11]：利用正弦幅度調(diào)制的加熱源輻照樣品，使受輻照裂紋區(qū)域的溫度隨之變化，同時裂紋受加熱源以低頻fL調(diào)制后發(fā)生周期性開合致使裂紋區(qū)域的透射系數(shù)與反射系數(shù)發(fā)生周期性改變；高頻激光fH輻照樣品激發(fā)的超聲波能量在傳播經(jīng)過周期性開合的裂紋時，部分在裂紋處透射、部分被裂紋反射。裂紋透射系數(shù)與反射系數(shù)的周期性變化引起了反射聲波與透射聲波幅值的周期性變化，由此產(chǎn)生fH±nfL的非線性混頻信號[12-14]。

有研究顯示，通過探測非線性混頻旁瓣信號，可以進(jìn)一步分析樣品裂紋的參數(shù)信息[15]。MEZIL等[16]通過改變裂紋處加熱源功率并記錄非線性旁瓣的變化過程，得到了與理論情況較為吻合的結(jié)果。他們對樣品裂紋區(qū)域進(jìn)行了一維與二維掃描，詳細(xì)地描述了4種不同加熱光功率下對應(yīng)的裂紋狀態(tài)，即隨著功率增加，裂紋經(jīng)歷完全張開、兩壁接觸、部分閉合、完全閉合四個階段。CHIGAREV等[17]的研究表明：可以利用非線性旁瓣幅值以及混頻旁瓣缺級現(xiàn)象(在可觀測的n級混頻信號fH±nfL中，其中的某一級信號幅值為0)來估算樣品及裂紋的部分參數(shù)，如樣品裂紋部位的剛度與裂紋寬度等。此外,MEZIL等[18]首次根據(jù)理論提出了通過分離兩束激光源的方法在樣品中獲取非線性混頻信號并進(jìn)行了初步討論。通過總結(jié)前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，已有的報道均是將激發(fā)源與加熱源重合輻照在裂紋上，重點關(guān)注的是加熱源在熱學(xué)上對混頻信號的貢獻(xiàn),而針對激發(fā)源在聲學(xué)和熱學(xué)上對非線性混頻信號貢獻(xiàn)的研究目前還未見報道。

針對此問題，筆者將激發(fā)源與加熱源分離，通過研究在激發(fā)源逐漸遠(yuǎn)離裂紋的過程中非線性混頻信號的演變，來探索激發(fā)源在混頻機制中的作用。試驗時，分別利用加熱光或激發(fā)光輻照裂紋，二者中的另外一束沿垂直裂紋方向掃查。試驗結(jié)果顯示,移動激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋或者移動加熱源遠(yuǎn)離裂紋，都能產(chǎn)生非線性混頻信號。進(jìn)一步，研究激發(fā)源在聲學(xué)與熱學(xué)上對非線性混頻信號的貢獻(xiàn)。為此，保持加熱源位于裂紋處，掃查激發(fā)源，當(dāng)混頻信號消失時逐漸增大加熱源功率，研究混頻信號對加熱源功率變化的響應(yīng)。結(jié)果顯示，在增大加熱源功率的整個過程中沒有混頻信號產(chǎn)生，說明在經(jīng)典的非線性混頻產(chǎn)生機制的基礎(chǔ)上需進(jìn)一步考慮激發(fā)源對混頻信號的影響。文章成果可為深入探索非線性激光超聲混頻現(xiàn)象的機理和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗裝置及步驟

1.1 試驗裝置

圖1 試驗裝置圖

搭建的試驗裝置，如圖1所示。試驗中所使用的532 nm激光由一臺最大功率為5 W的半導(dǎo)體激光器(新產(chǎn)業(yè)MGL-N-532A-5W)提供。利用半波片與偏振分光棱鏡將該激光分成兩束，分別通過凸透鏡與聲光調(diào)制器(AA公司生產(chǎn)，型號為MQ180-A0.25-VIS);由于聲光調(diào)制器對激光縱向偏振不敏感，其中一束縱向偏振的激光通過半波片使其偏振方向變?yōu)闄M向。筆者使用兩個聲光調(diào)制器分別對兩束連續(xù)光進(jìn)行外調(diào)制，從而獲得兩束不同頻率的單頻幅度調(diào)制激光：一束頻率為fL的低頻加熱光(fL=5 Hz)，一束頻率為fH的高頻激發(fā)光(fH為幾十千赫茲)。加熱光和激發(fā)光通過光闌，經(jīng)反射鏡反射后分別通過不同的凸透鏡聚焦于樣品上，計算機控制信號發(fā)生器改變加熱光與激發(fā)光的調(diào)制頻率。使用加速度計(B&K公司生產(chǎn)，型號為2692)接收樣品中的聲波加速度信號并送入鎖相放大器(SR830,使用自參考信號)或頻譜分析儀，最終由計算機讀取頻譜數(shù)據(jù)。試驗所選用樣品為150 mm×150 mm×3 mm(長×寬×厚)的黑玻璃樣品，上有一道通過熱沖擊方法獲得的裂紋。裂紋位于樣品中部，貫穿樣品上下表面，自樣品底部向上長約40 mm。

1.2 試驗步驟

1.2.1 激發(fā)源、加熱源重合掃查試驗

使用以上試驗裝置，分別在完好的樣品與有裂紋的樣品上進(jìn)行試驗，通過調(diào)整各試驗參數(shù)，在有裂紋的樣品中獲得清晰的非線性混頻信號并與完好樣品中產(chǎn)生的線性聲信號進(jìn)行對比。隨后，在存在裂紋的樣品上令加熱源與激發(fā)源重合并沿裂紋垂直方向掃查，獲得非線性旁瓣信號幅值隨激光位置變化的圖像。掃查過程中，激發(fā)源與加熱源從裂紋左側(cè)跨過裂紋水平地掃到右側(cè)，掃描步長為0.1 mm，掃描長度為0.8 mm，掃查示意如圖2所示。試驗中選取加熱光頻率為fL=5 Hz，激發(fā)光頻率為fH=16 420 Hz，測得此時加熱光功率PL=54 mW，激發(fā)光功率PH=30 mW，激發(fā)源與加熱源光斑直徑分別為dH=110 μm，dL=100 μm。下面的試驗中激發(fā)源與加熱源光斑尺寸、功率和調(diào)制頻率等參數(shù)均不變。

圖2 激發(fā)源、加熱源重合掃查示意

1.2.2 分離激發(fā)源、加熱源試驗

在1.2.1節(jié)的試驗基礎(chǔ)上，研究分別分離激發(fā)源和加熱源遠(yuǎn)離裂紋后非線性旁瓣信號振幅隨激發(fā)源、加熱源位置的變化情況。具體地，將激發(fā)光與加熱光分開，保持一束固定于裂紋上，另一束在水平位置進(jìn)行一維掃查，觀測不同光源位置處的非線性混頻信號變化，其掃查示意如圖3所示。試驗中，隨機選取裂紋上的一點，先保持激發(fā)光位于裂紋上，加熱光水平地從裂紋左側(cè)跨過裂紋掃描至裂紋右側(cè)，掃描長度為1.4 mm，步長為0.05 mm；然后保持加熱光位于裂紋上，激發(fā)光水平地從裂紋左側(cè)跨過裂紋掃描至裂紋右側(cè)，掃描長度為0.55 mm，掃描步長為0.05 mm。

圖3 分離激發(fā)源掃查、加熱源掃查示意

1.2.3 增加加熱源功率試驗

在上文試驗的基礎(chǔ)上，研究激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋直到無非線性旁瓣信號產(chǎn)生時，增加熱源功率是否能夠產(chǎn)生非線性混頻信號，以此探究激發(fā)源fH的熱效應(yīng)對非線性混頻信號的影響。具體地，將激發(fā)源與加熱源重合輻照于裂紋上，在產(chǎn)生明顯的一階旁瓣信號L1、R1后，分別記錄加熱源與激發(fā)源功率PL=33.6 mW,PH=31 mW。隨后將激發(fā)源從裂紋位置處逐漸向遠(yuǎn)處移動，直至非線性混頻信號一階旁瓣L1、R1恰好消失，此時停止移動激發(fā)源，逐漸增大加熱源功率并觀察該過程中是否有非線性旁瓣信號產(chǎn)生。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 重合加熱源、激發(fā)源產(chǎn)生非線性信號的試驗結(jié)果

按照1.2節(jié)中的試驗步驟進(jìn)行試驗，首先在存在裂紋的樣品中獲取非線性混頻信號。將加熱源(fL)與激發(fā)源(fH)光斑重合照射于黑玻璃樣品無裂紋區(qū)域,所產(chǎn)生的聲振幅信號如圖4(a)所示，可見在黑玻璃樣品無裂紋區(qū)域只能觀測到線性的光聲信號fH(圖中的主峰信號)。加熱源(fL)與激發(fā)源(fH)光斑重合地照射于樣品裂紋區(qū)域處產(chǎn)生的非線性混頻信號如圖4(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)圖中除出現(xiàn)了線性信號fH外，還出現(xiàn)了各階非線性旁瓣信號fH±nfL。在圖4(b)中，-6～6的數(shù)值表示n的取值，激發(fā)源頻率為16 420 Hz，加熱源頻率為5 Hz，最后可觀測的左右旁瓣頻率分別為16 390 Hz，16 450 Hz，這表明試驗中產(chǎn)生了最多6階的非線性旁瓣信號fH±6fL。非線性混頻信號的左側(cè)6階用-6～-1表示，主峰用0表示，右側(cè)6階用1～6表示。試驗可以清晰地看到6階以內(nèi)的非線性混頻信號。

圖4 激發(fā)源與加熱源重合地輻照樣品無裂紋區(qū)域、存在裂紋區(qū)域時產(chǎn)生的信號

圖5 一維掃查試驗時的非線性旁瓣信號振幅隨掃查位置變化的曲線

在驗證了重合加熱源、激發(fā)源在裂紋處能夠產(chǎn)生清晰的非線性混頻信號之后，利用上文的試驗裝置，研究加熱源與激發(fā)源重合掃描時所產(chǎn)生的非線性混頻信號振幅隨激光位置的變化，試驗結(jié)果如圖5所示。圖5中，橫軸代表兩重合激光光斑所處位置，0 mm代表裂紋所在位置，負(fù)號表示兩激光光斑位于裂紋左側(cè)，正號表示兩激光光斑位于裂紋右側(cè)；圖中由上至下給出了混頻信號的第一階至第四階[對應(yīng)圖4(b)中-4～ 4階]旁瓣幅值隨激光位置的變化圖像，L1～L4依次為混頻左側(cè)四階旁瓣，R1～R4依次為混頻右側(cè)四階旁瓣，M代表混頻主峰幅值信號(下文同)。當(dāng)兩束激光重合照射在樣品裂紋兩側(cè)[-0.4,0.4] mm區(qū)域內(nèi)時，可以產(chǎn)生明顯的非線性旁瓣信號，主峰幅值在一維掃查過程中變化較小，最值相差約5 dBm，而第一級旁瓣(L1,R1)在一維掃查過程中，經(jīng)過裂紋時幅值變化明顯，最值相差約25 dBm。當(dāng)兩束光位于裂紋上時，最多可以觀測到四階旁瓣信號，當(dāng)光束遠(yuǎn)離裂紋到裂紋兩側(cè)[-0.2,0.2] mm區(qū)域之外時，第一、二階旁瓣幅值明顯下降，三、四階旁瓣信號消失；當(dāng)激光移至0.4 mm之外時，所有旁瓣消失。這表明當(dāng)激光照射點越接近裂紋時，非線性混頻信號的高階(二階以上)旁瓣更易出現(xiàn)。在激光移動經(jīng)過裂紋的過程中，旁瓣幅值變化比主峰幅值變化更明顯，這說明非線性混頻方法比線性檢測方法對裂紋具有更高的靈敏度。

2.2 分離加熱源、激發(fā)源產(chǎn)生非線性混頻信號的試驗結(jié)果

進(jìn)一步研究將激發(fā)光與加熱光分開，保持一束位于裂紋上，另一束在水平位置進(jìn)行一維掃查時所產(chǎn)生的非線性混頻信號幅值隨激光源位置的變化，結(jié)果如圖6所示。

圖6 分別分離加熱源、激發(fā)源,旁瓣信號振幅隨掃查位置的變化曲線

圖6(a),(b)和圖6(c),(d)為在裂紋不同位置處獲得的兩組試驗結(jié)果。圖6中橫軸代表激光源與裂紋間的距離，負(fù)號表示加熱源位于裂紋左側(cè)，正號表示加熱源位于裂紋右側(cè)，0 mm表示加熱源位于裂紋處。

從圖6(a)中可以看出，當(dāng)加熱源與裂紋距離超過0.6 mm(約6倍激光直徑)時，各階旁瓣消失；而在圖6(b)中，當(dāng)激發(fā)源與裂紋距離超過0.25 mm(約2倍激光直徑)時，各階旁瓣消失。綜合圖6(a)，(b)可見，相比于加熱源，激發(fā)源對于裂紋出現(xiàn)的位置更加敏感。在裂紋左右0.2 mm范圍內(nèi)，即約四倍激發(fā)光直徑范圍內(nèi)，圖6(a)～(d)均可觀測到明顯的混頻現(xiàn)象；當(dāng)加熱源超過此范圍后，圖6(a),(c)的各階混頻信號幅值都會變小，且在0.2～0.6 mm時，旁瓣幅值隨距離增加不再改變，直到在±0.6 mm處消失，而當(dāng)激發(fā)源超過0.2 mm范圍時，圖6(b),(d)的各階混頻信號幅值變小并在±0.3 mm 處消失。此外，從圖6(a),(c)中可以看出，主峰M的幅值發(fā)生了明顯的變化。這是由于在激發(fā)源的移動過程中，加熱源與激發(fā)源分離-重合-再分離，加熱源的熱影響使激發(fā)源(即fH)的信號幅值發(fā)生改變。而圖6(b)，(d)中，由于激發(fā)源與裂紋的距離一直保持在加熱源熱影響范圍內(nèi)，因而主峰信號幅值無明顯變化。從以上結(jié)果可以看出，相較于試驗所測的激光光斑直徑dH=110 μm，激發(fā)源能夠在距離裂紋兩個激發(fā)光直徑約0.25 mm處產(chǎn)生非線性旁瓣，說明可以通過分離加熱源、激發(fā)源的方法產(chǎn)生非線性混頻信號。

進(jìn)一步地，圖6(b)，(d)的結(jié)果顯示，當(dāng)激發(fā)源與裂紋間的距離超過激發(fā)源熱影響范圍時，混頻信號消失。如圖6(b)中，當(dāng)激發(fā)源距離裂紋0.3 mm時，無非線性旁瓣信號。針對這一現(xiàn)象，給出如下假設(shè):當(dāng)激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋時，只有加熱源輻照裂紋，由于加熱源功率無法使裂紋兩壁接觸，從而裂紋無法產(chǎn)生周期性閉合。在經(jīng)典光聲非線性混頻機制中，這種情況不能引起混頻現(xiàn)象。為了探究激發(fā)源在熱學(xué)上對非線性混頻信號的貢獻(xiàn)，筆者進(jìn)行了如下研究。

2.3 對非線性混頻信號產(chǎn)生中激發(fā)源作用的初步試驗

前文中提出，激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋區(qū)域，導(dǎo)致加熱源功率不足以使裂紋產(chǎn)生開合，從而不能產(chǎn)生非線性旁瓣，也就得到了圖6(b)的試驗結(jié)果。為驗證這一假設(shè)，在上文中裂紋的同一點上進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為掃查激發(fā)源試驗結(jié)果，圖7(b)為旁瓣信號L1,R1的幅值隨加熱光功率的變化曲線。

圖7 激發(fā)源作用的探究試驗結(jié)果

該試驗使用的激發(fā)源功率為PH=31 mW。考慮到加熱光與激發(fā)光都是幅度100%調(diào)制的正弦信號，為彌補當(dāng)激發(fā)光源從裂紋上移開后裂紋處損失產(chǎn)生載荷的激光能量，將加熱光功率由33.6 mW增加到66 mW。對比初始激發(fā)源功率，加熱源功率的增量已經(jīng)足以使裂紋產(chǎn)生周期性開合。按照經(jīng)典的非線性混頻產(chǎn)生機制，只要激發(fā)源激發(fā)的超聲經(jīng)過周期性開合的裂紋，超聲一部分透射過裂紋，另一部分被裂紋反射,反射波與透射波的幅值受周期性開合裂紋的調(diào)制，便可以產(chǎn)生非線性混頻信號。然而綜合圖7(a)，(b)可以得出，在逐漸增加加熱光功率的過程中，加熱光功率達(dá)到了能使裂紋開合的要求，卻沒有非線性旁瓣產(chǎn)生。研究表明分離激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋，非線性混頻信號不能產(chǎn)生。研究排除了加熱源功率不足以使裂紋產(chǎn)生周期性開合的原因，這說明激發(fā)源在非線性混頻信號產(chǎn)生中的作用有兩種：① 激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋后，激發(fā)源的超聲高頻分量不能使裂紋壁產(chǎn)生位移從而無法產(chǎn)生非線性混頻;② 激發(fā)源遠(yuǎn)離加熱源導(dǎo)致激發(fā)源的超聲振幅不再變化從而無法產(chǎn)生非線性混頻。

3 結(jié)語

基于經(jīng)典光聲非線性混頻機制，文章通過分離激發(fā)源與加熱源的方法實現(xiàn)了非線性混頻信號的產(chǎn)生。當(dāng)激發(fā)源位于裂紋上時,加熱源能夠在相距裂紋一定距離(約6倍加熱源光斑直徑)范圍內(nèi)產(chǎn)生非線性混頻信號；當(dāng)加熱源位于裂紋上時，激發(fā)源能夠在相距裂紋一定距離(約2倍激發(fā)源光斑直徑)范圍內(nèi)產(chǎn)生非線性混頻信號。這表明相比于加熱源，激發(fā)源對于裂紋出現(xiàn)的位置更加敏感。另一方面，越接近裂紋，高階旁瓣越容易出現(xiàn)，表明非線性混頻信號的高階旁瓣(二階以上)相比低階旁瓣對裂紋位置更為敏感。進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)激發(fā)源遠(yuǎn)離裂紋到一定距離(約為激發(fā)光光斑直徑的2倍)時，非線性旁瓣信號消失，經(jīng)典的光聲非線性混頻產(chǎn)生機制不能解釋該試驗結(jié)果。通過進(jìn)一步試驗分析排除了加熱源功率不足，導(dǎo)致裂紋兩壁無法接觸從而無法產(chǎn)生非線性混頻，這說明激發(fā)源在聲學(xué)上的超聲高頻分量或受加熱源熱影響導(dǎo)致的超聲振幅變化對非線性混頻的產(chǎn)生有著重要影響，后續(xù)試驗將詳細(xì)地研究非線性混頻信號產(chǎn)生的兩種原因：激發(fā)源的熱影響使裂紋壁攜帶高頻位移分量；激發(fā)源受加熱源周期性變化的溫度場影響導(dǎo)致激發(fā)源激發(fā)超聲的振幅變化。