光热辐射技术(PTR)是一种测量材料热物理性质非常有效的无损检测方法。硬化样品的表层(硬化层)结构是一个不均匀层，其热物理性质参数从表面到未硬化的核心部分连续变化。为了重建不均匀硬化层的热性质深度轮廓，人们提出并证明了很多反演算法。然而在反演算法中，为了使数学算法成为可能，必须采用一维的理论模型，严重限制了该技术的发展。本文在理论上提出一种新的用光热辐射技术对连续不均匀材料热物理性质深度轮廓重建的方法。我们首次建立了一个符合热物理性质连续变化的不均匀材料性质的三维理论模型，得到了计算激光光热辐射场的理论递推公式。我们进而发展了一种数学拟合算法来重建热物理性质的深度轮廓，并用表面硬化的钢铁样品进行了实验验证。光热辐射实验的结果与传统的显微硬度测试法得到的硬度轮廓的比较证明了本文所提出的理论和算法的可行性。