基于光热效应的热波成像检测系统及其应用的研究

论文题目: 基于光热效应的热波成像检测系统及其应用的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 沈剑峰

导师: 施柏煊

关键词: 热波成像,无损检测,光热偏转检测,次表面成像,激光损伤阈值

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 基于光热效应的热波成像检测技术应用于固体材料的无损检测是目前很有潜力的研究方向。该技术具有灵敏度高,非接触、非破坏性的优点,且在理论上具有对固体材料不同深度处可进行非破坏性剖析检测的独特本领,适合于金属固体、半导体集成电路和薄膜材料等的分层成像分析,受到许多应用部门的重视。 本文在阅读大量中外文献的基础上,叙述了热波成像检测技术的原理,总结了热波成像技术的研究现状和发展趋势,提出本文研究的新目标。为此,建立了体吸收热传导模型,利用热波扩散的特性,通过求解热传导方程,得到样品的表面温度与缺陷深度及泵浦光调制频率的关系;并精心设计了基于光热偏转技术的小型化成像检测系统,对系统中泵浦光路和探测光路进行了专门的设计,对光、机、电、算各部分组件作了合理的配置和设计,使系统具有结构紧凑、易操作、小型化等优点;建立了采用全半导体激光器作泵浦光和探测光的结构紧凑的实验装置,在大量实验的基础上,验证了由模型导出的理论关系,并获得了试样次表面不同深度处信息的图像及差分处理后的薄层信息,达到分层成像检测试样次表面信息的目的;同时还实验研究了热波成像检测中幅值信号与相位信号的空间分辨率,得到了热波成像检测技术只能应用于薄层材料的结论。经过对介质薄膜和金属薄膜的激光损伤作了热波成像检测和研究后,获得了光学薄膜的热波图象,该图象直观地反映了光学薄膜激光损伤的程度与空间位置,通过对光学薄膜激光损伤处光热幅值信号的线性外推处理,可以推算薄膜的损伤阈值。在应用热波成像检测技术的同时还提出了基于薄膜多种光学和热学性质的光学薄膜综合质量评价方法。由于热波成像检测技术的高灵敏性、对材料的无损性及检测结果的直观性,使其在光学薄膜的无损评估中同样具有广泛的应用前景。 研究结果显示:(1)采用不同调制频率的泵浦光,可获得试样次表面不同深度处的结构信息,泵浦光的调制频率越低,热波的幅值信号能够反映材料次表面结构的深度越深;(2)泵浦光的调制频率相同时,热波的相位信号比幅值信号可以反映更深的材料次表面结构,但热波相位信号的横向空间分辨率不及幅值信号的空间分辨率,相位信息不能分辨材料内部横向尺寸小于深度的次表面结构;(3)热波的深度探测能力随泵浦光调制频率的减小而增大,但具有探测极限,实验显示,当泵浦光的调制频率过低时,信号出现饱和并衰减。例如对金属铝材料,泵浦光的调制频率在40Hz以上可以获得满

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 无损评价概述

1.1.1 无损评价的目标和作用

1.1.2 无损评价的检测技术

1.1.3 无损评价的新成员—热波检测技术

1.2 光热效应概述

1.2.1 光热效应产生的原理

1.2.2 光热效应的检测技术及其分类

1.2.3 光热光声效应的应用

1.3 热波检测技术

1.3.1 光热偏转检测技术

1.3.2 光热偏转技术的检测方式

1.3.3 热波成像技术

1.3.4 热波成像技术的最新发展

1.4 热波检测技术的现状及本研究的目标

1.4.1 国际研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.4.3 本研究目标的提出

1.5 本研究的内容和技术关键

1.5.1 研究内容

1.5.2 拟解决的关键问题

1.6 本章小结

第二章 热波检测技术的理论

2.1 激光对物质的热作用

2.1.1 固体材料的热物理性质

2.1.2 材料对激光的吸收

2.2 热传导方程及其解析解

2.2.1 热传导方程

2.2.2 对于热物性参数为恒量的无限大介质内热传导方程的解

2.3 温度场的三层介质模型

2.3.1 三层介质模型

2.3.2 三层介质模型的解

2.4 光束偏转角的计算

2.5 固体光热效应的热传导模型

2.6 本章小结

第三章 热波检测系统的设计

3.1 检测系统总体介绍

3.2 泵浦光源及其频率调制控制

3.2.1 半导体激光器

3.2.2 恒流调制电源

3.3 探测光源及其光机机构

3.4 样品台与三维扫描机构

3.4.1 样品台

3.4.2 三维扫描机构

3.5 检测系统的器件与电路

3.5.1 光电转换系统的组成

3.5.2 位置探测器及差分偏置电路

3.5.3 步进电机控制电路

3.6 软件设计

3.6.1 电机控制和数据采集软件的设计

3.6.2 数据处理软件的设计

3.7 热波成像检测系统中的仪器及其作用

3.8 影响热波成像检测系统信号的因素

3.8.1 测量精度

3.8.2 测量速度

3.9 本章小结

第四章 金属材料次表面结构的检测

4.1 引言

4.2 固体材料次表面缺陷的检测

4.3 信号与样品的厚度及频率的关系

4.4 不同激发频率下试样的次表面信息

4.5 差分运算后试样的薄层信息

4.6 幅值信号与相位信号的空间分辨率

4.7 结论

4.8 讨论

4.9 本章小结

第五章 光学薄膜激光损伤的检测

5.1 光学薄膜激光损伤研究的目的和意义

5.2 光学薄膜激光损伤研究的研究现状

5.3 光学薄膜激光损伤的机理

5.3.1 本征吸收和热损伤

5.3.2 自聚焦效应

5.3.3 电子崩和多光子电离

5.3.4 杂质缺陷、超声波和非线性吸收

5.4 检测光学薄膜损伤的几种主要研究方法

5.4.1 透射反射扫描法

5.4.2 散射光检测法

5.4.3 光声检测法

5.5 金属薄膜激光损伤的检测

5.5.1 金属薄膜损伤阈值的检测装置

5.5.2 实验方法

5.5.3 实验结果与分析

5.6 介质薄膜激光损伤阈值的检测

5.6.1 介质薄膜损伤阈值的透射OBD检测装置

5.6.2 实验方法

5.6.3 实验结果与分析

5.7 结论

5.8 本章小结

第六章 薄膜质量综合评价方法

6.1 光学薄膜多参数质量评价的原理

6.2 光学薄膜多参数检测装置及样品

6.3 光学薄膜的多参数检测与结果

6.4 热波成像技术在薄膜评价中的特点

6.5 结论

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研工作

攻读博士学位期间发表的学术论文

致射

发布时间: 2005-07-27

参考文献

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