专利名称：一种微尺度界面波激发方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声学和超快激光技术测试领域，特指一种微尺度界面波激发和接收测试方法及装置，其适用于各类具有气/液，气/固，液/液，液/固，固/固界面结合特征的声学激发。
“微尺度界面波”是指空间尺度上波长和波幅都处于0到100纳米范畴内的界面波，其研究理论和实验迄今都是空白。界面波的尺度决定它的研究对象，由于现有的界面波空间尺度都在20微米以上，因此，其研究也相应局限于宏观体相材料，故称之为体材料宏观界面波。
体材料宏观界面波的理论完善是在近几年，1998年D.A.Sotiropoulos研究正交异性表面层弹性层界面导波，得出了基于弹性参数ci和质密度ρi与界面波相速度c、波数k的理想界面波耗散方程和并指出其存在条件；1999年S.Nair研究提出了不可压缩单斜晶系材料界面波耗散方程，且给出了上述弹性参数变化对波速作用的机制。同年S.Darmanyan报道了线性介质和二阶非线性介质界面界面导波的存在条件及参数关系，至此，宏观体相材料界面波波动理论已经逐步建立。但是，体材料宏观界面波的实验研究至今仍然集中在液/气、液/液和液/固界面，而固/固界面几乎没有(地震学除外)。
另外，应用传统纳秒级短脉冲激光超声技术进行微尺度界面波研究仍然是不现实的。2000年，德国学者D.Schneider领导课题组应用脉宽为0.2ns，能量为0.4mJ的nitrogen激光束，研究纯(100)硅基体上5、30、60、80、100nm的DLC膜(类金刚石膜)杨氏模量，测量结果在160Gpa到920Gpa区间递增，非线性效应非常明显，正如作者在论文中提到，0.2ns短脉冲激光激发的声表面波最高频率是250MHz，它决定表面波最小穿透深度是一个波长20μm，该值远大于DLC膜的厚度。因此测量结果既不直接反映薄膜也不直接反映界面以及基体，它只是膜基体系20μm厚表层的表观杨氏模量，它的非线性变化由DLC纳米膜的尺度效应造成。
传统宏观声表面波和兰姆波在超声检测中是十分有用的波形，特别是纳秒脉冲激光超声技术，由于激光光源可以聚焦成很小(或很细)的点源(或线源)，使得这两种波形能对小或薄的样品进行有效的检测。目前时间空间分辨率最高的纳秒激光超声激发超声的频率上限一般是250MHz。其产生的超声的空间分辨率也都在20微米以上。
总之，传统技术无法进行微尺度界面波研究的原因主要是以下几点受界面波激发和检测技术的限制。众所周知，在固体材料内部界面实现单一体源激发是界面波产生的必要条件。然而通常固体热弹超声波激发却是由表面源和体源共同激发产生。研究发现，对于单层金属材料，体源主要是由热扩散引起，而对于陶瓷和其它非金属材料，体源主要由光穿透引起。
空间尺度太大，产生波的波长和波幅都在几十微米以上，处于宏观尺度，连亚微米的介观尺度都达不到，远远大于薄膜法向尺度，因此无法实现界面波激发。
时间尺度大，我们知道一般固体中声速在1~-10微米/纳秒范围内，因此即便是传统纳秒级短脉冲激光超声技术，它的时间尺度导致空间分辨率也是在几到几十微米，无法进入微尺度界面波激发。
本发明是按下述技术方案实现的它将激光器发出的激光束经光路系统传输到试样界面，获得界面波，其特征在于所述的激光束是超快短脉冲激光，其经光路系统传输到安装在夹具中的双层介质试样界面，激发得到的是沿界面传播的微尺度界面波。
同时根据双层介质试样的尺度减小，可通过减小超快短脉冲激光束的脉宽(皮秒或飞秒)、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整微尺度界面波的穿透深度、强度和波长。
对于双层介质材料对入射激光都透明时，提出界面激发源染色局部技术，确保超快短脉冲在界面上的吸收，从而进一步激发界面波。
实现本发明的装置，其由激光器、外光路系统、工装夹具系统、试样体系、界面波信号激光干涉接收和控制系统组成，其特征在于激光为超快短脉冲激光器。
双层介质试样体系由宏观的微米级以上、介观的亚微米级或微观的纳米级的两层介质两两耦合而成。
界面波光接收系统和激光器通过光电触发开关连接，实现同时触发接收，或者根据激发源与测量点距离的大小，进行延迟接收界面波。
本发明提出超快短脉冲激光激发微尺度界面波的方法，它直接利用超快短脉冲激光束(脉冲宽度皮秒或飞秒量级)法向入射双层介质试样界面，通过电子激活移位激发沿膜基界面传播的界面波。在距离激发源不同距离的地方应用光干涉位移振动接收系统实时接收传播到达的界面波。通过理论分析建立的微尺度界面波耗散方程，得到双层介质材料弹性参数和质密度与耗散方程中波速和波数的定量关系。
本发明具有如下技术优势微尺度界面波具有超高空间分辨率。产生和接受到的声脉冲频率达～10Ghz到1THz，其相应的声脉冲波长范围是～1到500nm。以1-10nm的空间分辨率的对界面微结构和性能参量进行检测，现在已经激发出上限达440GHz的高频大带宽声，而飞秒激发的声脉冲时间空间分辨率更高。
微尺度界面波具有超高的时间分辨率。皮秒和飞秒超快激光脉冲的时间分辨率达10-9和10-12秒量级。
光穿透能力强，研究显示当激光辐射强度大约1016W/cm2时，超快短脉冲穿透深度达厘米量级，这对于低能量输出超快脉冲是很容易实现的。因此具备实现固体内部单一体源超声激发条件。
能够对固体/固体界面结合进行微尺度界面波激发，对于双层介质都透明的情况，采用界面染色技术，增加极薄的光吸收膜激发和接受微尺度界面波。
定量测量微尺度界面波耗散特征量定量反映了两相材料弹性参数和界面粘附性能。微观尺度界面波耗散特征量(相速度v，波数k，衰减系数ξ)与表征两相材料各自应力位移关系的弹性常数ci(如对于各向同性材料c1＝c3＝λ+2μ，c2＝λ，c4＝μ，λ、μ为介质拉曼常数)和质密度ρi之间的存在定量的数值联系，即微尺度界面波耗散方程。
无损非接触方式微尺度界面波激发和接收过程都采用光激发光接收，避免了传统测试方法这难以解决的系统装置引起的误差；同时由于激光技术的灵活性，如光斑、光路可控，光触发，决定整个测量过程可以实现实时、在线和非接触式。
图3两相材料均透明型的液/固界面微尺度界面波激发及染色技术。
1棱镜，2衰减器，3分光镜，4超快脉冲激光发生器，5界面波信号激光干涉接收系统，6泵束，7上层介质，8光吸收膜，9下层介质，10聚焦透镜，11探针束，12反射镜，13反射镜，14超快短脉冲激光束，15微尺度界面波，16双层介质界面。五、实施方式下面结合
图1说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
微尺度界面波激发装置由超快短脉冲激光发生器4，界面波信号激光干涉接收系统5，外光路系统和测试样品系统组成。外光路系统主要由棱镜1，衰减器2，分光镜3，聚焦透镜10，反射镜12，反射镜13组成。界面波信号激光干涉接收系统主要由泵束6，光吸收膜8、和探针束11组成。测试样品体系由不同尺度耦合的上层介质7和下层介质9组成。
超快短脉冲激光发生器4发出脉冲并实时同步或一定时间的延迟启动界面波信号激光干涉接收系统。最后，将记录的界面波波形输入计算分析系统进行界面波耗散性能分析，实现定量测试。
图2是微尺度界面波耗散示意图。超快皮秒或飞秒短脉冲激光束14辐射上层介质7和下层介质9耦合的界面，产生两相沿界面传播的界面波15，其传播过程的耗散特征量界面波声速v、波数k和衰减阻尼系数ξ，与表征材料弹性性能参数ci(如对于正交异性材料为c1，c2，c3，c4；对于各向同性材料c1＝c3＝λ+2μ，c2＝λ，c4＝μ，λ、μ为介质拉曼常数)和质密度ρi之间的关系表达式，即为耦合体系的微尺度界面波耗散方程，界面波随传播距离的加大而不断衰减，定量测定耦合体系界面波，可以对膜基体系的性能和结构进行定量测量。
图3是两相材料均透明型的液/固界面微尺度界面波激发及染色技术。上层介质7为液体薄膜和下层介质9为固体基体通过双层介质界面16耦合，由于待测液体薄膜与固体基体对入射激光束均为透明时，界面波的激发变得困难，此时可以在液体薄膜覆盖固体基体之前对超快短脉冲激光辐射激发区域和激光干涉仪界面波接收区域进行染色，如对532纳米波长激光束采用涂覆薯红色素的光吸收膜8的方法，这样就可以在染色区域有效地激发和非接触接收到达的微尺度界面波。
本发明所提出的实施例只对于技术方案进行说明，而不进行限制。
权利要求
1.一种微尺度界面波激发方法，其将激光器发出的激光束经光路系统传输到试样界面，获得界面波，其特征在于所述的激光束是超快短脉冲激光，其经光路系统传输到安装在夹具中的双层介质试样界面，激发得到的是沿界面传播的微尺度界面波。
2.根据权利要求1所述的一种激微尺度界面波激发方法，其特征在于根据双层介质试样的尺度减小，可通过减小超快短脉冲激光束的脉宽(皮秒或飞秒)、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整微尺度界面波的穿透深度、强度和波长。
3.根据权利要求1所述的一种微尺度界面波激发方法，其特征在于将界面激光源局部染色，以保证在双层介质材料对入射激光束都透明时，获得微尺度界面波。
4.实现权利要求1所述的一种微尺度界面波激发方法的装置，其由激光器、外光路系统、工装夹具系统、试样体系、界面波信号激光干涉接收和控制系统组成，其特征在于激光为超快短脉冲激光器(4)。
5.根据权利要求4所述的一种微尺度界面波激发装置，其特征在于双层介质试样体系由宏观的微米级以上、介观的亚微米级或微观的纳米级的两层介质两两耦合而成。
6.根据权利要求4所述的一种微尺度界面波激发装置，其特征在于界面波信号激光干涉接收系统(5)与超快短脉冲激光发生器(4)经光电触发开关连接。
全文摘要
本发明涉及超声学和超快激光技术测试领域,特指一种微尺度界面波激发和接收测试方法及装置,其适用于各类具有气/液,气/固,液/液,液/固,固/固界面结合特征的声学激发。它直接利用超快短脉冲激光束(脉冲宽度皮秒或飞秒量级)法向入射双层介质试样界面,通过电子激活移位激发沿膜基界面传播的界面波。在距离激发源不同距离的地方应用光干涉位移振动接收系统实时接收传播到达的界面波。通过理论分析建立的微尺度界面波耗散方程,得到双层介质材料弹性参数和质密度与耗散方程中波速和波数的定量关系。可充分利用微尺度界面波具有的超高空间、时间分辨率,光穿透能力强实现定量无损非接触方式测量。
文档编号H01S3/09GK1382984SQ0211278
公开日2002年12月4日 申请日期2002年3月21日 优先权日2002年3月21日
发明者周明, 张永康, 蔡兰 申请人:江苏大学