激光超声探测技术是一种结合了激光技术与超声波技术的先进无损检测方法。激光超声探测的原理主要包括激光发生和超声波探测两个重要部分。
- 激光激发： 利用高能脉冲激光束照射被检测材料表面，激光能量被材料吸收后转换为热能，引起材料局部瞬间膨胀，从而在材料内部产生超声波。
- 超声波传播： 产生的超声波会在材料内部以横波和纵波形式传播，其传播特性（如速度、衰减等）会受到材料内部结构（如缺陷、异物等）的影响。
超声波检测： 利用另一激光（或接触式/非接触式传感器）来探测经过材料内部结构影响后的超声波信号。通过分析这些信号，可以评估材料的内部特性。
激光超声测量技术由于其独特的非接触测量特性，在多个行业中显示出显著的优势。首先，这种技术的无损性使其成为检测敏感或不容易接触的物体的理想选择。由于激光不需与被测物体直接接触，它可以在不影响物体完整性或造成任何物理损伤的情况下进行精确测量，这对于航空航天或者高价值物体测量（比如古董艺术品，医疗等领域）尤为重要。其次，激光超声测量的高精度和高灵敏度使其能够在极小的区域内进行精确的缺陷检测和结构分析。这种高分辨率的探测能力对于半导体制造、精密工程以及科研中的材料性能分析等领域至关重要，可以揭示微小的缺陷和不规则性，这些细微差别往往是评估材料可靠性的关键因素。再者，激光超声技术的适应性强，可以在各种极端环境下工作，包括高温、有放射性以及其他具有潜在危险的环境。这种环境适应能力使得该技术特别适用于能源生产、核设施以及石油化工行业，这些行业常常涉及到恶劣的操作环境，而传统的检测方法可能无法适用。最后，激光超声测量的快速性和实时性为实时监控提供了可能。在现代制造业和生产线上，能够实时监测装备状态和生产质量是提高效率、保证产品质量的关键。快速的数据处理和实时反馈可以帮助操作员即时调整生产过程，优化操作条件，从而减少成本，提高生产效率。
综上所述，激光超声测量技术以其非接触、高精度、适应性强以及快速实时的特点，在现代工业和医疗领域中扮演着越来越重要的角色，比如在肿瘤诊断领域，激光超声技术尤其有助于检测体内软组织的肿瘤。肿瘤周围的血管通常比正常组织更为密集，这些区域在激光超声影像中表现出明显的特征。特别是在乳腺癌筛查中，这项技术因其高分辨率和能够清晰显示肿瘤边界的能力，被视为未来一种有前景的高精度显影方案。
激光超声探测技术虽然具备许多优点，但在实际应用过程中也面临一些技术和操作上的难点。以下是一些主要的挑战：
- 信号幅度小：激光激发产生的超声波信号脉冲带宽大，幅度可能很小，尤其是在材料吸收率低或激光功率不足的情况下。小幅度的信号很容易被背景噪声所掩盖，这就需要高灵敏度的探测设备来确保信号的有效捕捉。
- 高频信号的衰减快：超声波在材料中传播时，高频信号比低频信号更快地衰减。这意味着在深层材料或更复杂结构中，高频信号可能无法有效传达到材料的另一端，从而影响探测的深度和效果。同时对探测器高频测量的灵敏度提出了很高的要求
- 图像能力：激光超声探测技术最终需要生成检测图像，面临的一个关键技术挑战是探测器的阵列化和小型化，所有通道必须精确同步，以确保测量数据的时序准确性。而高精度的阵列探测系统使得系统复杂，成本高昂，因此，芯片化小型化的探测器是必然趋势。
挚感光子最近推出的MotionGo Plus高频激光多普勒测振仪为目前激光超声探测提供了一个可行的方案。MotionGo-Plus针高频测试优化了高频段的噪声性能，采用了低噪声的高性能高功率激光器。在高频段，比MotionGo拥有更好的底噪，在时域能测量到纳米以下的振动信号，在频域能精确测试DC到25MHz的振动信号。
上图显示了MotionGo-Plus优异大带宽高灵敏度探测能力，噪声底部低于0.1pm/√Hz , 能有效探测小于1纳米的微弱高频振动信号。
MotionGo-Plus设计使其能够接收内部或外部时钟信号，确保同步精度优于20纳秒。这一高精度的同步功能对于处理同步脉冲激发的信号尤为重要，因为它保证了信号捕捉的时间精确性，从而大幅提高了信号的可靠性和有效性。为了进一步增强信号的灵敏度和信号质量，MotionGo-Plus软件支持多次平均技术。多次平均是一种常见的信号处理技术，通过重复测量并计算平均值来减少随机噪声的影响。这种方法特别适用于低信噪比的环境，可以显著提高微弱信号的检测能力。在检测微弱信号尾部特征的应用中，这一技术尤其重要，因为尾部特征往往容易被背景噪声所掩盖。
在实际应用中，比如下图所示的情况，通过多次平均可以清楚地观察到原本由于随机背景噪声而无法检测的微弱信号特征。图中展示了未进行平均处理和经过多次平均处理的信号对比，明显可以看到经过处理的信号在信噪比上有显著提升，使得微弱信号的检测成为可能。多次平均不仅提高了信号的检测能力，还增强了整个系统对环境干扰的抵抗力。
