金属材料在服役过程中,长期承受荷载以及高温、高压、腐蚀、辐射等恶劣环境的影响,材料结构将会发生改变,例如在表面及内部产生裂纹等缺陷,若未对其及时检测,将会导致零部件的失效和设备故障,因此,对材料结构进行无损检测与评估,实现其表面及内部健康结构检测具有重要的研究意义和经济价值。激光超声技术作为一种非接触式的检测方法,可同时在材料表面和内部激发多种模式的超声波,可以远距离实现金属材料表面和内部结构健康监测。本文基于激光热弹效应,开展金属材料表面和内部缺陷检测方法研究,分析铝板表面缺陷和内部缺陷与激光超声波复杂的作用过程,深入研究不同类型缺陷的定量检测方法,并开展激光超声技术对钢轨踏面缺陷检测的仿真与实验研究。论文主要研究内容如下:（1）阐述激光超声的激发和探测理论,建立激光热弹超声的有限元模型,分析激光激励超声波的声场分布和传播特性。深入分析激光源能量、脉宽以及半径对材料表面温度场和所激发超声波的幅值、带宽、中心频率以及各频率成分的影响。（2）对于材料内部缺陷的检测,建立针对内部亚毫米级缺陷检测的激光超声相控阵有限元模型,结合合成孔径聚焦技术（SAFT）和全聚焦方法（TFM）对内部缺陷进行成像。分析激光激励的纵波分量与内部缺陷的复杂作用过程,通过两种纵波反射模式波分量分别对内部进行成像,讨论不同成像方式以及扫描阵列参数对成像结果的影响。与单激光源激发的检测方式相比,验证了基于纵波的激光超声相控阵成像方法在内部缺陷检测能力和定量评估上的优势。（3）针对金属材料表面缺陷的检测,首先建立表面裂纹的有限元模型,分析表面裂纹的声表面波响应,采用扫描激光源法（SLS）得到缺陷的B扫图并进行分析,实现表面裂纹的准确定位。研究缺陷深度对反射声表面波r R波和透射声表面波T波时域波形及其频域分布的影响,提出基于反射系数(Rcoi)和透射系数(Tcoi)的方法对表面裂纹深度进行定量表征。（4）由裂纹深度与Rcoi、Tcoi的非线性关系,在一些实际应用中拟合曲线受材料属性和激光参数影响较大。针对该特点,提出基于量子行为粒子群算法（QPSO）优化支持向量回归（SVR）的方法对表面裂纹进行定量评估;使用主成分分析（PCA）对反射和透射表面波的特征进行降维得到不同缺陷的融合特征,通过对正则化参数c和核参数g的优化,使优化后的模型对缺陷深度进行快速评估,与未优化的评估结果相比,模型在检测精度和鲁棒性上均明显提升。（5）传统钢轨探伤存在超声检测盲区,本文通过模型仿真与实验分析全面验证了基于激光超声技术对钢轨踏面缺陷检测的有效性。建立钢轨踏面缺陷检测有限元模型,研究激光超声在钢轨内部的传播特性以及对踏面缺陷的超声响应。探索踏面裂纹扩展深度以及缺陷形貌对声表面波传播的影响,定量分析不同缺陷的反射和透射声表面波的时域波形、中心频率及各频率成分的分布。搭建激光超声钢轨踏面缺陷检测的实验平台,对不同激发位置以及不同类型的踏面缺陷进行试验,通过连续小波变化（CWT）获取不同缺陷下的时频图,并对各类波的时域到达时间及频域分布进行分析,全面验证了激光超声技术对钢轨踏面缺陷检测的可行性和适用性。