用激光代替传统激发源的激光超声技术具有非接触激发、同时获得多种模态、激发声波频带宽等优点,在材料评估和缺陷检测领域具有重要应用。材料的评估检测是基于对材料内激发的声波幅值、波速等特性的准确掌握。不同介质中声波差异较大,增加了波形的分析难度。为了揭示激光超声在介质中的特性,本文采用理论分析和数值模拟相结合的手段,研究了不同结构的固体中声波传播和演化规律,对于模态特征明显声波优化激励方式实现波束调控,对于模态难辨的声波提出了缺陷特征提取方案,以期在实际应用中提高材料检测的准确性。金属和非金属对激光的吸收特性差异导致内部的声场可能不同,因此首先对非金属固体石英玻璃中的激光超声波进行研究。采用有限元法建立了热弹机制下脉冲激光超声的二维数值模型。通过数值模拟对内部的温度场进行了分析,获得了激发背面不同位置的时域波形,并且对不同厚度的固体中激光激发的超声波传播特性进行了计算。结果表明,激光照射区域的热影响区域较深,可视为具有一定深度的体力源,因此,在对心波形中的前驱小波表现出双极性。石英玻璃由薄变厚的过程中,声波演化规律同金属基本相同,由Lamb波转化为表面波,这也就意味着非金属材料石英玻璃中的声波调控优化方案可借鉴金属材料。金属材料中,针对对半无限大金属固体,研究了阵列激光激发会聚波束的增强方法。在理论上分析了超声波的几何扩散衰减函数对声波幅值的影响,设计了同时考虑几何扩散衰减和指向分布函数的阵列空间分布方案,并且给出了只考虑指向分布的阵列作为对比,理论上证明了改善后的阵列可有效增强阵列激光能量利用率。采用有限元法建立了两种阵列垂直照射到铝材表面二维数值模型,通过模拟计算对理论进行验证。结果表明,相对于只考虑指向分布的阵列激光,优化后的阵列得到的会聚波束幅值增强了42.1%,时域波形的上升时间缩短了25.0%,会聚波束的空间尺度在横向和纵向分别缩小了50.6%及41.9%。考虑热弹机制下材料热膨胀对超声波特性有重要的影响,进一步讨论了相邻脉冲热扩散区域时空特性对会聚波束的影响。结果表明,当相邻脉冲激发时间差小于辐照区域温度回落到初始值所需时间时,阵列空间距离应适当增大以避免热扩散区域在空间的叠加,从而避免对会聚波束质量的影响。该工作为半无限大固体材料中激光超声信号的增强和波束改善提供了理论依据。金属材料中,针对薄板金属固体,激光超声波以Lamb波的形式传播,波形具有多模式以及频散特性。本文研究了烧蚀机制下非对称激发对Lamb波模态的调控。考虑到零阶模态没有截止频率,且携带了大部分能量,我们选择零阶对称S0模态和反对称A0模态进行分析。采用有限元法建立了烧蚀机制下线源激光倾斜照射到铝材表面的二维数值模型,计算非对称激发情况下,力源倾斜角度对时域波形的影响,并将结果和垂直照射的情况进行对比。结果表明,倾斜入射激光通过烧蚀形成非对称力源,可使不同模态携带的能量发生变化,其中增大的横向分量会使S0模态位移增大,且该模态面内位移比离面位移增大更为明显,同时,减小的垂直分量使A0模态的离面位移减小。该工作为烧蚀机制下Lamb波的模态调控提供了可能性。以上研究提出了不同固体中特性明显的体波、Lamb波的波形调控方法,改善的超声信号有助于不同介质的检测。然而,对于某些涂层-基底固体,激光激发的超声波形杂乱,导致难以通过模态分析获得缺陷特征。本文进一步展开了涂层-基底结构中界面的缺陷检测研究,以期从复杂波形中提取出所需信息。对涂层-基底固体,本文提出了基于皮尔逊相关系数运算的界面缺陷的探测方法,并建立了缺陷特征提取算法。针对有参考样品和没有参考样品的两种情况,提出了两种模型进行分析。建立了热弹机制下有限长度的线源激光辐照涂层-基底材料的三维数值模型,对理论模型的有效性进行验证。首先,对涂层-基底材料中的波形特性进行分析并确定材料结构,该结构的涂层和基底硬度差异较大,波形为复杂的杂化波形;其次,分析了两种方法适合的信号类型,指出有参考样品的情况适合采用时域信号进行计算,没有参考样品时适合采用频域信号进行计算,讨论了信号长度对检测结果的影响并确定出合理的信号长度;再次,采用建立的特征提取算法对交界处的缺陷进行检测。结果表明,基于皮尔逊相关系数运算的理论模型可以有效地表征出缺陷的位置和边界信息,有参考样品得到的检测结果同实际更为接近,通过对不同高度、长度以及形状的缺陷进行计算,进一步验证了方法的有效性;最后,分析了两种数据处理方法的优缺点,讨论了各自的适用范围和拓展方案。该方法明确了隐藏的缺陷对相关系数的影响,给通过复杂波形获取缺陷信息的问题提供了新的途径,该途径避免了具体模态的分析,有效简化了缺陷信息的分析方法。