激光超声（LUS)

分类介绍

一、产品概述

激光超声检测系统（LUS）是一种非接触、高精度、无损的新型超声检测系统。系统利用短脉冲激光在被检工件表面激发超声波，并采用激光干涉仪探测由超声引起的工作表面微振动，从而获取工件厚度、内部及表面缺陷、材料弹性参数等信息。激光超声将超声检测的高精度与光学检测的非接触优势集于一身，具有亚纳米级灵敏度与GHz级检测带宽，特别适用于高温、粗糙表面、远距离及自动化在线检测等常规超声难以胜任的场合。

图1 激光超声检测系统与传统压电超声检测系统原理对比

二、检测原理

与传统超声采用压电换能器激励和接收超声波不同，激光超声系统中超声波的产生与探测均由激光完成——材料本身就是"发射换能器"，换能过程由光实现，从而实现完全非接触、可远距离（数厘米至数米）、可在真空或减压环境下工作的检测。

2.1 超声的激光产生

激光在材料中产生超声波主要有两种机制：

（1）热弹机制（无损）：激光光能被材料表面吸收至一定深度并就地释放热量，受热区域膨胀产生应变与应力，从而辐射出弹性波（纵波、横波与表面波同时产生）。该机制完全无损，是激光超声无损检测的首选工作模式，检测带宽可轻松达到GHz量级。

（2）烧蚀/汽化机制：当激光能量密度足够高时，材料表面发生烧蚀或表面层汽化，产生更强、更陡的冲击波信号。该机制对材料表面有轻微影响，适用于对表面损伤不敏感或需要强信号的场合。

2.2 超声的激光探测

探测原理是感知超声传播到工件表面引起的表面微位移（或振动速度）。根据应用场合，干涉仪主要有三种方案：

（1）迈克尔逊（Michelson）干涉仪：结构简单，适用于镜面/光滑表面，如微电子行业的光滑晶圆检测。

（2）共焦法布里-珀罗（Confocal Fabry-Pérot）干涉仪：基于多光束干涉与光学滤波解调，可接收粗糙表面的散射光，是工业激光超声探测的主流方案，已成功应用于钢管在线测厚等产线环境。

（3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪：基于平衡探测的光纤干涉方案，无需参考臂，对表面粗糙度与环境振动、温度漂移不敏感，且无需反馈稳定，灵敏度接近高性能压电探测器，非常适合航空航天复合材料等粗糙表面的现场检测。

图2 光纤萨格纳克干涉仪探测光路原理（平衡探测）

三、系统组成

一套完整的激光超声检测系统通常由以下核心单元组成：

（1）泵浦（产生）激光器：短脉冲纳秒激光器，输出能量密度可调，用于在工件表面激发超声波；可采用高重复频率（可达数十kHz）光纤激光器以大幅提升扫描检测速度。

（2）探测激光器：连续波（CW）激光器或超辐射发光二极管（SLD），作为干涉仪的照明光源，波长按应用选择（如1550nm通信波段）。

（3）激光干涉仪：迈克尔逊、共焦法布里-珀罗或萨格纳克方案，将表面微振动转换为光强/相位信号，是系统的核心敏感单元。

（4）数据采集与处理：高速ADC（如14bit/100MS/s以上）对干涉仪输出信号进行数字化，配合同步触发、A/B/C扫描成像与缺陷识别算法，输出厚度、缺陷及材料参数结果。

（5）扫描与运动机构：二维/三维平移台或机械手，实现大范围扫描成像；光学头可通过光纤柔性导光，适应复杂外形结构。

图3 全光纤激光超声检测系统组成（泵浦-探测-干涉-采集）

四、技术特点与优势

① 完全非接触：无需耦合剂，可在高温（如热态钢管）、腐蚀、真空环境下工作；② 高灵敏度：干涉探测灵敏度可达亚纳米级，等效于高性能接触式压电探头；③ 超宽频带：GHz级带宽，轴向分辨率高（脉冲响应可压缩至约95ns，较常规压电探头提升约3倍）；④ 适应粗糙表面：共焦法布里-珀罗与萨格纳克方案对表面粗糙度不敏感；⑤ 远距离与柔性导光：探测距离数厘米至数米，光纤导光适合复杂结构与自动化产线集成；⑥ 高重复频率扫描：光纤泵浦激光器重复频率可达数十kHz，检测速度远超常规系统。

五、典型应用

① 航空航天复合材料无损检测（机身蒙皮、蜂窝结构、搭接腐蚀等）；② 无缝钢管热态在线测厚与偏心度测量；③ 激光焊接焊缝质量在线监控；④ 风力发电机叶片检测；⑤ 高温陶瓷、金属与复合材料检测；⑥ 电子元器件/半导体封装质量检测；⑦ 材料涂层缺陷检测；⑧ 微电子薄膜厚度与弹性常数测量。

六、服务保障

尚朴光电提供激光超声检测系统的定制设计与集成服务，可根据检测对象（材料、厚度、表面状态）、检测目标（测厚、探伤、材料表征）与产线节拍，选配泵浦/探测激光器、干涉仪方案、扫描机构与软件算法，并提供现场安装调试、操作培训与长期技术支持。

一、产品概述

激光超声检测系统（LUS）是一种非接触、高精度、无损的新型超声检测系统。系统利用短脉冲激光在被检工件表面激发超声波，并采用激光干涉仪探测由超声引起的工作表面微振动，从而获取工件厚度、内部及表面缺陷、材料弹性参数等信息。激光超声将超声检测的高精度与光学检测的非接触优势集于一身，具有亚纳米级灵敏度与GHz级检测带宽，特别适用于高温、粗糙表面、远距离及自动化在线检测等常规超声难以胜任的场合。

图1 激光超声检测系统与传统压电超声检测系统原理对比

二、检测原理

与传统超声采用压电换能器激励和接收超声波不同，激光超声系统中超声波的产生与探测均由激光完成——材料本身就是"发射换能器"，换能过程由光实现，从而实现完全非接触、可远距离（数厘米至数米）、可在真空或减压环境下工作的检测。

2.1 超声的激光产生

激光在材料中产生超声波主要有两种机制：

（1）热弹机制（无损）：激光光能被材料表面吸收至一定深度并就地释放热量，受热区域膨胀产生应变与应力，从而辐射出弹性波（纵波、横波与表面波同时产生）。该机制完全无损，是激光超声无损检测的首选工作模式，检测带宽可轻松达到GHz量级。

（2）烧蚀/汽化机制：当激光能量密度足够高时，材料表面发生烧蚀或表面层汽化，产生更强、更陡的冲击波信号。该机制对材料表面有轻微影响，适用于对表面损伤不敏感或需要强信号的场合。

2.2 超声的激光探测

探测原理是感知超声传播到工件表面引起的表面微位移（或振动速度）。根据应用场合，干涉仪主要有三种方案：

（1）迈克尔逊（Michelson）干涉仪：结构简单，适用于镜面/光滑表面，如微电子行业的光滑晶圆检测。

（2）共焦法布里-珀罗（Confocal Fabry-Pérot）干涉仪：基于多光束干涉与光学滤波解调，可接收粗糙表面的散射光，是工业激光超声探测的主流方案，已成功应用于钢管在线测厚等产线环境。

（3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪：基于平衡探测的光纤干涉方案，无需参考臂，对表面粗糙度与环境振动、温度漂移不敏感，且无需反馈稳定，灵敏度接近高性能压电探测器，非常适合航空航天复合材料等粗糙表面的现场检测。

图2 光纤萨格纳克干涉仪探测光路原理（平衡探测）

三、系统组成

一套完整的激光超声检测系统通常由以下核心单元组成：

（1）泵浦（产生）激光器：短脉冲纳秒激光器，输出能量密度可调，用于在工件表面激发超声波；可采用高重复频率（可达数十kHz）光纤激光器以大幅提升扫描检测速度。

（2）探测激光器：连续波（CW）激光器或超辐射发光二极管（SLD），作为干涉仪的照明光源，波长按应用选择（如1550nm通信波段）。

（3）激光干涉仪：迈克尔逊、共焦法布里-珀罗或萨格纳克方案，将表面微振动转换为光强/相位信号，是系统的核心敏感单元。

（4）数据采集与处理：高速ADC（如14bit/100MS/s以上）对干涉仪输出信号进行数字化，配合同步触发、A/B/C扫描成像与缺陷识别算法，输出厚度、缺陷及材料参数结果。

（5）扫描与运动机构：二维/三维平移台或机械手，实现大范围扫描成像；光学头可通过光纤柔性导光，适应复杂外形结构。

图3 全光纤激光超声检测系统组成（泵浦-探测-干涉-采集）

四、技术特点与优势

① 完全非接触：无需耦合剂，可在高温（如热态钢管）、腐蚀、真空环境下工作；② 高灵敏度：干涉探测灵敏度可达亚纳米级，等效于高性能接触式压电探头；③ 超宽频带：GHz级带宽，轴向分辨率高（脉冲响应可压缩至约95ns，较常规压电探头提升约3倍）；④ 适应粗糙表面：共焦法布里-珀罗与萨格纳克方案对表面粗糙度不敏感；⑤ 远距离与柔性导光：探测距离数厘米至数米，光纤导光适合复杂结构与自动化产线集成；⑥ 高重复频率扫描：光纤泵浦激光器重复频率可达数十kHz，检测速度远超常规系统。

五、典型应用

① 航空航天复合材料无损检测（机身蒙皮、蜂窝结构、搭接腐蚀等）；② 无缝钢管热态在线测厚与偏心度测量；③ 激光焊接焊缝质量在线监控；④ 风力发电机叶片检测；⑤ 高温陶瓷、金属与复合材料检测；⑥ 电子元器件/半导体封装质量检测；⑦ 材料涂层缺陷检测；⑧ 微电子薄膜厚度与弹性常数测量。

六、服务保障

尚朴光电提供激光超声检测系统的定制设计与集成服务，可根据检测对象（材料、厚度、表面状态）、检测目标（测厚、探伤、材料表征）与产线节拍，选配泵浦/探测激光器、干涉仪方案、扫描机构与软件算法，并提供现场安装调试、操作培训与长期技术支持。

产品特点

• [{"name": "非接触检测"}, {"name": "GHz级带宽"}, {"name": "可定制集成"}]