在过去的几十年中,结构健康一直是关注的热点,开发高效、精确的缺陷检测手段显得尤为迫切,非线性光声继承了非线性声学与激光超声的优点而在微裂纹（微米、亚微米量级）检测领域应用前景广阔,但目前为止一些非线性现象背后的物理机制仍不明确,这也阻碍了基于非线性光声的缺陷定性、定量评估的发展,本文将通过理论和实验研究对这些非线性现象给出合理的解释。理论研究方面,裂纹壁的建模表征始终是建立声波与裂纹相互作用物理模型的难点,本文从接触力学角度,基于罚函数法来施加裂纹壁间的接触约束。将实验中两束作用于靶材的强度调制的连续光简化为模型中裂纹壁两侧两个周期性变化的温度场。讨论了高频激发源和低频泵浦源与裂纹相对位置对非线性旁瓣幅值的影响,得到了和实验一致的结果,并对此现象产生的原因进行了分析。微观上,发现了两种典型的接触机制,并讨论了微观接触机制与接收到的光声非线性信号之间的关系。基于光声非线性混频方法进行微裂纹检测时,非线性现象受裂纹接触状态的影响,由于微裂纹本身结构复杂,同一条裂纹的不同位置（例如裂纹开口位置与裂纹尖端）接触状态会大不相同,除此之外裂纹的接触状态仍会受泵浦与激发参数等诸多因素的影响,这就使得检测过程中声波与微裂纹相互作用的非线性现象复杂多变。研究裂纹不同接触状态下的非线性特性,对实际检测中激发源、泵浦源参数的选取,以及微裂纹各项参数的评估意义重大。本文进一步对不同接触状态下的裂纹进行了研究,得到了裂纹不同接触状态下的应力—应变关系,也由此解释了实验中裂纹在“半开半合”状态下非线性信号最强的原因,为实际裂纹检测时的激发参数的选取提供了理论指导。考虑到裂纹壁的复杂性,本文通过在裂纹壁间引入定刚度弹簧来表征裂纹壁间的弱连接,而发展出了包含弱连接的非线性双刚度模型。模型中包含了多种非线性机制,一方面非线性来自于接触力学,另一方面的非线性来自于裂纹“呼吸”时的双刚度效应。模拟中改变泵浦源幅值观察到了旁瓣缺级现象,且随着泵浦源幅值进一步增大旁瓣幅值变化趋势与实验结果有很好的对应。在分析了理论与实验结果中存在的一些差异后,讨论了基础位移的作用。传统的光声非线性混频实验以一束强度低频调制的连续光作为泵浦源来调制裂纹状态,强度高频调制的连续光作为激发源来激发声波。本文实验上改进了原有的实验方案,通过增加第三束光来充当加热源为裂纹提供基础位移,实验上研究了基础位移对非线性混频现象的贡献作用,也研究了基础位移对缺陷定位的影响。