脉冲激光光热失调技术

将脉冲激光作为加热光引入光热失调测量技术中,提出了脉冲激光光热失调测量技术,介绍了其基本原理,分析了脉冲激光光热失调测量技术用于测量光学薄膜微弱吸收的可行性.实验以532 nm的高反射光学薄膜为样品,采用波长为632.8 nm的探测光,研究了脉冲激光光热失调技术信号振幅的时间特性以及最大信号幅值与样品表面加热光能量密度、加热光斑与探测光斑相对位置的变化关系.研究结果表明,光热信号随时间先增大后减小,而随表面加热光能量密度的提高而增大,当样品表面加热和探测光斑重合时光热信号最大.     

光源对激光超声信号特性的影响分析

通过已搭建好的激光超声检测实验平台,在保持相同激光脉冲能量和相同探测位置的条件下,重点研究了点光源与线光源产生的超声信号的特点和区别。研究了不同探测位置点光源与线光源激发出的超声信号幅值以及产生的超声信号波形。实验发现:在同一探测位置下,将点光源换成线光源后,产生的超声信号幅值由1.3 V提高到1.7 V,提高了0.4 V;在探测位置逐渐增大的情况下,点光源激发出超声信号幅值的衰减幅度为75.78%,而线光源激发出的超声信号幅值的衰减幅度为34.92%。结果表明,在功率密度相同的情况下,线光源产生的超声信号要比点光源产生的超声信号幅值提高40.86%,产生较强的表面波,提高了信噪比。     

合金钢的激光诱导击穿光谱实验条件优化

利用1 064 nm波长Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿合金钢产生激光等离子体光谱,采用高分辨率及门宽控制的ICCD探测LIBS信号光谱。选用铁元素原子谱线404.581,414.387,427.176和438.355 nm进行分析,研究了不同实验参数对LIBS光谱信号强度的影响结果。实验结果表明,激光脉冲能量、激光聚焦位置以及ICCD探测器的延时等实验参数对合金钢LIBS信号有较大影响。通过优化这些实验参数,获得高光谱强度和信背比的LIBS信号,确定了LIBS技术用于合金钢微量元素成分分析的最佳实验条件,从而开展合金钢样品成分分析。     

不同能量水下激光诱导等离子体的轴向辐射分布特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一项新兴的水下原位探测技术,备受海洋探测技术领域的关注。将这项技术推向实用化的关键之一是改善LIBS的远程探测能力,因此需要采用超击穿阈值的高能量探测激光。为观察超击穿阈值情况下的等离子体辐射和动态击穿特性,采用图像与光谱相结合的方法,以KCl溶液为样品进行了系列实验研究。通过对1～20 mJ不同能量激发下的等离子体图像分析,获得了不同激发条件下总辐射的轴向跨度和最亮点位置信息。随激光脉冲能量增大,等离子体长度增加,从1 mJ时的0.49 mm增加到20 mJ时的1.83 mm,同时辐射最亮点位置向激光入射方向移动了0.79 mm。结合光谱探测分析,得出等离子体特征辐射的轴向空间分布也对激光能量有明显的依赖性。虽然不同能量下谱线强度呈相似的轴向空间分布,但钾原子辐射最强处的位置和相应强度均随能量变化,在5 mJ激发下获得最佳辐射强度。实验结果表明,为满足远程LIBS应用需求,提高激光能量时应考虑其对原子辐射的影响。还对不同能量下的谱线的半高宽和信背比进行了观测分析。     

激光激发瑞利波检测表面倾斜缺陷的研究

研究激光激发瑞利波检测样品的表面倾斜缺陷。基于频域热弹耦合方程,采用有限元方法建立激光激发瑞利波检测倾斜缺陷的数值模型,研究倾斜缺陷的检测机理。数值计算含不同的长度及倾斜角度缺陷的样品中瞬态位移波形,分析瑞利波在倾斜缺陷处模式转换的过程,研究各种瑞利波的传播路径。在此基础上,研究缺陷宽度与材料黏性对瑞利波传播及缺陷检测的影响。结果表明:瑞利波在缺陷处产生的反射及透射瑞利波的到达观测点的时间可以检测缺陷位置和长度,瑞利波在缺陷的底部发生模式转换产生的切变波可以检测缺陷倾斜角度。数值结果和已有的实验结果一致,从而为表面倾斜缺陷的检测提供有效的理论依据。      

脉冲激光在镀层圆柱表面激发的表面波

分别从理论和实验上研究了脉冲激光在快、慢镀层圆柱表面激发的表面波声场.脉冲激光线源在镀层圆柱周向上激发超声波信号并利用激光干涉仪检测.对钢基底锌镀层圆柱和锡基底铜镀层圆柱试样表面波的理论频散和实验信号估计频散进行了比较,瞬态位移场则利用留数定理与FFT技术数值仿真得到并与实验波形进行对比.结果显示:理论频散和仿真波形与...     

Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

基于光纤耦合与相干探测的无损检测方法

提出了一种将空间激光注入光纤与相干探测技术相结合的激光无损检测方法。分析了激光超声信号的传输特征和相干光探测原理,探讨了激光无损检测的信号处理及噪声抑制方法,构建了以激光激励与检测为基础,激光注入与保偏传输为核心,图形化编程语言LabVIEW人机交互为监测手段的实验系统。实验结果表明,该系统能减小背景光的抖动对信号检测的影响;通过控制激光的光斑直径及能量可获得不同超声信号的反射波峰,有效提高了超声回波信号对材料缺陷检测的敏感性和平稳性。检测方法为工程应用提供了新的技术途径。     

氧化锆纳米薄膜的激光诱导击穿光谱(LIBS)分析技术研究

为了发展一种实时、快速、非接触,能对金属氧化物纳米薄膜中元素成分进行分析的检测方法,搭建了一套基于LIBS技术的薄膜检测分析系统。该系统可同时实现样品平面的精确定位,样品烧蚀坑形貌实时观测,等离子体成像和光谱采集等功能。样品为在单晶硅基底上利用溶胶-凝胶法制备的约40 nm厚的氧化锆功能薄膜,实验中将其放置在一个位移精度为0.01 mm的三维平移台上。系统测试结果表明,在两束聚焦的连续激光辅助下,样品平面的定位精度达到了20 μm,LIBS单脉冲检测光谱信号的面积分强度的重复性的相对标准偏差(RSD)达到了1.6%。在室温和大气环境下,对等离子体空间分布、信号强度随激发能量、时间参数和LTSD(激光聚焦点到样品表面的距离)参数而变化的情况从光谱角度进行了实验研究,并优化了实验参数和探测参数。利用实验得到的光谱数据,用玻尔兹曼方计算了等离子体的电子温度,利用硅的原子线计算了电子密度,对定量检测所必须的局部热力学平衡(LTE)条件进行了评价。     

混沌激光实现异质物大小和位置的光学检测

利用混沌激光实现一定浓度脂肪乳液中异质物大小和位置的光学检测,实验采用混沌激光作为光源,并将光信号分为两路,一路信号用于探测脂肪乳液中的异质物信息,另外一路直接经过光电探测器作为参考信号,将两路光信号由光电探测器接收,通过信号处理系统进行互相关,分析混沌激光的互相关峰值信息,可得到异质物的大小和位置信息;通过混沌激光实现异质物信息分析的理论模型,建立混沌相关信号峰值信息与异质物大小和位置之间的关系,并且通过实验验证。结果表明:采用混沌互相关法可以对异质物大小和位置坐标进行探测。     

Interaction of a scanning laser-generated ultrasonic line source with a surface-breaking flaw

The scanning laser source (SLS) technique has been proposed recently as an effective way to investigate small surface-breaking cracks. By monitoring the amplitude and frequency changes of the ultrasound generated as the SLS scans over a defect, the SLS technique has provided enhanced signal-to-noise performance compared to the traditional pitch-catch or pulse-echo ultrasonic methods. In previous work, either a point source or a short line source was used for generation of ultrasound. The resulting Rayleigh wave was typically bipolar in nature. In this paper, a scanning laser line source (SLLS) technique using a true thermoelastic line source (which leads to generation of monopolar surface waves) is demonstrated experimentally and through numerical simulation. Experiments are performed using a line-focused Nd:YAG laser and interferometric detection. For the numerical simulation, a hybrid model combining a mass-spring lattice method (MSLM) and a finite difference method (FDM) is used. As the SLLS is scanned over a surface-breaking flaw, it is shown both experimentally and numerically that the monopolar Rayleigh wave becomes bipolar, dramatically indicating the presence of the flaw.     

激光超声检测带过渡圆角平板表面缺陷的数值研究

为了研究激光激发出的超声波在带过渡圆角的金属平板上的传播规律和检测表面缺陷的方法，采用有限元法模拟了该类平板中的激光超声现象，分析了表面波在圆角区域的传播规律和与表面缺陷的作用过程。数值结果表明:激光激发出纵波、横波和Rayleigh波等，其中Rayleigh波主要存在于表面mm量级，并且在过渡圆角处发生模式转换生成了直达波R′和模式转换波R_R等多种表面波；经过过渡区域后的声波在表面缺陷处发生了反射和透射现象，通过B扫图可以检测缺陷的位置。随着缺陷深度的增加，表面波的透射系数不断减小，且透射波R_t和R_st存在0.5 μs左右的到达时间差，该时间差与缺陷深度近似成线性正相关。数值结果为激光超声检测带过渡圆角的平板表面缺陷提供了有价值的参考。     

The experimental study of fatigue crack detection using scanning laser point source technique

For the purpose of better understanding the interaction of Rayleigh wave and the fatigue crack in a metallic sample, a set of experimental setups is built, based on the scanning laser source (SLS) technique, utilizing a point source to take place of the line source to generate surface acoustic waves (SAWs), and an interferometer is to detect the SAWs signal. The information of the crack (such as position and length) can be obtained by utilizing a two-dimensional scan of the material surface. This paper focuses on the detection of visible and invisible fatigue crack by using this point-source-based scanning laser source technique, and comparing the results with those of conventional pitch-catch technique. The result shows that with two-dimensional scanning, and analyzing the amplitude of the generated SAWs, not only the visible fatigue can be identified, but also the invisible fatigue crack can be discriminated. As a result, the sensitivity of the scanning point laser source technique is higher than the conventional pitch-catch technique.     

带缺陷二维光子晶体的透射谱研究

在一维线缺陷的研究基础上进一步应用转移矩阵方法数值研究带其它缺陷的二维正方晶格圆柱光子晶体的透射谱,缺陷的引入使得原来不透电磁波的禁带中,出现了缺陷模,即某一波长的电磁波可以透过,计算结果表明禁带位置、宽度,缺陷模的位置与透过率随着缺陷的种类、介质、程度有关,特别是都受到波源的入射角调制.     

红外热波无损检测中材料表面下缺陷类型识别的有限元模拟及分析

鉴于红外热波无损检测中被检测物的形状、尺寸、材料和缺陷类型的不同，为给红外热波无损检测提供前期实验结果的预演，利用大型有限元分析软件ANSYS选择3种热特性差异较大的均匀材料，设计了三维模型。利用软件的前处理器和通用后处理器，绘出不同时刻模型表面的温度场分布，以此确定温度分布材料缺陷的类型。通过对模拟数据进行分析，绘出不同缺陷的温度变化曲线。根据曲线斜率的不同，可定性确定缺陷的类型。模拟结果说明：大型有限元分析软件ANSYS可用于红外热波无损检测实验过程的模拟,模拟结果与实验结果相符。该方法可用于其他不同缺陷类型的模拟及定量识别。     

基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法

针对接触式超声检测方法在金属板结构内部缺陷实际工程检测中存在的环境要求高、效率低、操作难度高等问题,提出了空耦超声Lamb波检测方法,该方法能更好地适应现场应用环境,提高检测效率,减少传感器数量。通过有限元仿真和实验分析比较了空耦超声检测与接触式超声检测两种方法接收到的信号和成像效果。结果表明:有限元仿真和实验中,空耦超声检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和3.6 mm,接触式检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和11.3 mm,空耦检测具有较高的定位精度;单侧激励条件下,适合采用A0模态Lamb波对板内缺陷进行检测;空耦超声检测可以通过调整信号接收角度接收单一模态Lamb波,避免伪像产生。该方法为后续金属板状结构内部缺陷的空耦超声检测提供参考。     

基于虚拟刻度原理对放射性体源效率刻度方法的发展

采用蒙特卡罗模拟计算的方法,标定能够适用于不同HPGe探测器上的体源虚拟点源位置,需要对点源、体源的探测效率进行模拟计算。通过 241Am、137Cs、60Co点源和体源研究了HPGe晶体尺寸、类型对它们的虚拟点源位置的影响,模拟结果表明241Am虚拟点源位置随着探测器尺寸、类型的不同呈现明显的差异性,说明虚拟刻度原理对于探测器表面的小体积样品测量在低能区间是不可取的,最后采用 137Cs、60Co源得出体源高度与虚拟点源位置的半经验公式。通过实验室两台HPGe探测系统对尺寸Φ70 mm×65 mm标准土壤体源的探测效率进行计算,与模拟探测效率值、虚拟点源效率表征结果对比分析,验证了拟合一组表征虚拟点源位置的半经验公式是可行的。实验结果表明,对$\gamma $能量区间在300~2 000 keV进行体源的虚拟刻度时,选择可靠的定标源即可建立体源和虚拟点源位置的关系。这为解决监测工作中样品与探测器之间重复进行探测效率校准的问题提供了新的途径。     

Detection of defects in cylindrical structures using a time reverse method and a finite-difference approach

The detection and characterization of defects in structures is an important issue in non-destructive testing. To avoid the scanning of large samples, guided elastic waves, which propagate along the structure, are excited. These waves interact with a defect, which results in a scattered wave field. In an experiment, the displacements of these scattered waves are recorded over time for a fixed axial coordinate at a number of circumferential positions of a circular cylindrical tube. Since in complex structures it is difficult to determine the axial and particularly circumferential position of the defect directly from the time signals, a time reversed numerical simulation is performed. There the measured displacement histories are reversed in time and used as displacement excitations in a simulation of the tested structure. A three-dimensional code in cylindrical coordinates, based on a velocity-stress finite-difference method, is used to simulate the wave propagation. As long as the geometric and material parameters are chosen equivalent to the performed experiment, the scattered waves travel back through the simulated structure and interfere, even if no defect is present in the numerical model. The result is an increase of the amplitudes of the stress and displacement components at the location where the defect was in the tested sample.     

利用激光超声技术研究表面微裂纹缺陷材料的低通滤波效应

利用激光激发声表面波的理论模型,研究了被激发宽带声表面波在具有表面微裂纹缺陷金属材料上的传播特性.对具有不同形状的表面缺陷模型进行了数值分析.结果表明:表面微裂纹缺陷有明显的低通效应,缺陷深度越大高频截止频率就越低,缺陷深度与低通滤波的截止频率呈近似线性关系;缺陷的宽度增大对表面波透射能量有明显的衰减作用. 关键词： 激光超声 声表面波 有限元方法 低通滤波器