1 引言
激光与材料相互作用机理研究一直是激光应用技术研究的重要课题，而由此引出的激光声技术则是一种很有价值的新型实用技术。
众所周知，新概念武器之一的高能激光武器具有以光速攻击目标、命中率高、在重新装填之前能与多个目标交战、作战效-费比高、抗电磁干扰等优点［1］，因而受到各国军界的重视。然而它的研制也相当不易。从技术角度看，需要解决5个方面的问题：研制高质量和高能量的激光器；研制精密的瞄准跟踪系统；研制重量轻、抗辐射的光束控制与发射系统；弄清大气传输效应；透彻了解激光对材料的破坏机理。
研究激光(主要是强激光)对材料的破坏机理就是要研究激光对金属(各种航空、航天器材、军用材料等)、非金属(各种复合材料等)及光电探测器件等材料及结构的破坏效应［2］。
当强激光(强度大于108 W／cm2，脉宽约10－9 s量级)照射材料时，材料表面将吸收和反射激光能量。反射和吸收的情况主要取决于材料表面的光学性质。随着激光强度的增加，材料表面吸收大量激光能量而温度升高，继而熔融气化、喷发、电离形成高温等离子体，其对外表现为强烈光辐射、高温、高热，并伴有强的声响［3，4］，它是强激光与材料作用时产生的特征信号之一。因此对它进行检测研究，就能够了解激光与材料相互作用的机理，为激光武器的总体设计和环节参数的合理选择提供依据，也为激光加工的自动控制、材料的检测及海洋探测提供了有效途径。
2 激光等离子体声波的产生机理
我们已经知道，强激光与材料相互作用时，在光照区域将形成等离子体。由热力学定律可知，这些等离子体必然以一定的形式向外膨胀，由等离子体与后续激光作用的结果，使得等离子体逆着激光方向发展。这种以一定速度离开靶面向着激光器方向运动的等离子体边缘叫做激光支持的吸收波(LSAW)。激光支持的吸收波会以不同的形状和特征出现，按其相对于波前气体的速度与气体中音速之比可分为两种：当其以超音速运动时称为激光支持的爆轰波(LSDW)；而以亚音速运动时称为激光支持的燃烧波(LSCW)［5］。而LSDW正是形成激光等离子体声波的基础。
需要说明的是在强激光照射下，所有材料均能产生等离子体［6］，进而形成LSDW，作用激光率密度越大、能量越高，所形成的LSDW越强。
由冲击波的形成原理，这种等离子体对周围介质快速高压的压缩在极短时间内即能在介质里产生冲击波，我们称其为激光等离子体冲击波［7］。这种冲击波在介质中传播时，服从能量、动量、质量守恒定律。以此为基础，我们可以证明，自由传播的激光等离子体冲击波随距离的增加其强度将逐渐减弱。当冲击波传播到一定距离后，即可视为等熵流、微扰动、在空气中以音速传播的机械波，此时我们说，极弱的冲击波就是普通意义上的声波，由于它来源于激光等离子体，因而称为激光等离子体声波［8］。声波的特性取决于激光参数、材料特性及传播介质。
3 激光等离子体声波的特性
我们知道，弹性介质中机械振动的传播就是声波。而激光等离子体声波则是激光与材料作用的结果，我们说它产生初期是强的，而后随传播距离增加而减弱。激光等离子体声波与普通声波有相似之处，也有很大不同。下面我们在理想气体中对它们进行比较［9］。
1)普通声波存在一个作周期性振荡的声源，波动是振动能量的传播，波的厚度较大，波动一般都是周期性的，可用频率、周期、相位、波速等参量来表征它。激光等离子体声波来源于激光等离子体对周围介质的压缩，同样是能量的传播，但波面两侧介质参数的差在初期不是微量，而是较大的有限量，只有在传播了一定距离后才可视波面两侧介质参数差是微量，波动是微扰动的传播，其波厚在初期极簿，随后逐渐增加；激光等离子体声波不是周期性波动，传播的仅是突跃脉冲，可用波面传播速度和其它热力学参量如温度、压强、密度等来表征它。
2）普通声波在传播过程中是绝热等熵的，而激光等离子体声波在初期熵是增加的，机械能不可逆转地变为介质的热能，是绝热不可逆过程，只有到后期才可视为等熵过程。
3)普通声波的波速C0由介质的特性确定，与声波及本身特性无关，对于确定的介质而言C0是恒量。而激光等离子体声波则不然，其传播速度由本身强度和传播距离所决定，因而速度D是变化的，只有传播一定距离其强度充分弱以后才有D＝C0，这时D可视为与强度无关且仅由介质所确定。
4）激光等离子体声波通过后，介质获得一个与波的传播方向相同的位移速度，只有在充分弱时才与普通声波类似，质点在平衡位置附近往复运动。
5）激光等离子体声波的传播速度相对于波前气体是超音速成的，相对于波后气体是亚音速的，只有在充分弱以后才有D＝C0。
4 激光等离子体声波的军事应用及展望
1)用于激光等离子体的测量，为武器激光参数的选择提供依据。以能量守恒、动量守恒、质量守恒定律为基础，利用热力学有关定律，结合所使用的激光脉冲参数在测得距离光照点r处的声压后，可计算激光与材料相互作用时激光等离子体膨胀波面上的等离子体温度、电子密度、压强、质点速度及LSDW波速等有关激光等离子体的参数［10］。利用此法测激光等离子体参数，方法简单，容易实现。
人们目前已认识到，激光对材料的破坏机理有3种［11］：热烧蚀效应；激波效应；辐射效应。因此对等离子体参数的测量计算，可了解到热烧蚀效应与激波效应对材料的破坏情况，并分析激光与材料的作用过程，经过计算，为武器激光参数的合理选择提供依据。
2）在自动控制中的应用。由于激光能聚集到极小的范围，工作时无须直接接触，并且易于进行自动控制。因此被广泛地用于航空工业、军事工业、电子工业及特种行业中的精密打孔、金属表面热处理、焊接、精细刻划等，不仅工效高，而且精度好。
在激光加工过程中，处于激光照射区的材料及周围气体，由于吸收激光能量将形成等离子体，其对外表现之一就是发出激光等离子体声波，此声波的频率、强度等参数随加工程度的不同将发生变化，利用超声敏感元件即可检测该声波信号［12］，经分析、处理实现对加工的实时监视，通过控制系统，即可实现自动控制。
3）在材料检测中的应用。当强激光照金属表面时，由于烧蚀作用，在材料内部将激起超声纵波(激光等离子体声波)，该超声波在固体两表面之间来回反射并呈指数衰减。利用He-Ne稳频激光器提供另一检测光，入射时正对固体的另一表面上，超声波产生的表面振动对入射激光产生多普勒频移，经表面反射后的激光被收集后，由Fabry-Perot干涉仪解调，得出超声波在两表面间传播的时间，再由超声波在固体中的传播速度即可推算出固体厚度［13］。利用此法可测量那些不便于直接测量的恶劣环境(如刚出炉的热扎钢板测厚)中的材料，且测量精度高。这种方法还可测量超簿材料(如大小30 mm×5 mm，厚度50 μm，处于1000 ℃以上的硅片)。
利用激光声技术，能够精确地测量材料中的声速、衰减系数及其它随温度、频率而变化的特性参数。
4）在海洋探测中的应用。一般情况下，对水下目标进行航空探测主要是利用声纳浮标、吊放声纳和磁探仪等，而声纳浮标回收代价高，吊放声纳繁琐、搜索速度慢等。随着科学技术发展，人们自然想到了激光这一新型工具。
脉冲激光与水面相互作用，就产生了水中的激光等离子体声脉冲(当然空气里也有)，其声压与光辐射强度成正比，且通过对光脉冲的选择，可得到不同频率的声脉冲波。
当机载激光脉冲打在水面上，即在水中产生声波。声波被海底或水中物体反射后，再穿过水-空气界面被飞机上的声接收系统接收，从而完成遥感水深及水下目标探测。由于激光在水中诱发的声脉冲很窄(10－1 ns量级)，故测距精度高；空气中接收器方向性很尖锐，因而定向精度高；声波从水中射击出水面的折射角集中在26°立体角，使得容易实现多波束全景显示与搜索；机载系统进行遥感探测，搜索速度快，使大面积水域的快速探测成为可能。另外根据回波声脉冲的频谱，还可辨别不同物体的硬度及类型。
激光在水中激发的声波，近似于球面波，如果将激光器和声接收系统放在水下，并采用适当的装置将声波能量集中到一定的立体角范围，则可望实现对水下目标的扫瞄探测和识别。这在军事上有极大的实用价值。激光声技术是一种新型实用技术，其应用前景令人鼓舞。随着激光技术发展，它必将得到更加广泛的应用。