阶跃光激励的光热光偏转技术的研究

摘要

光热光偏转技术是一种基于光热效应建立和发展起来的无损检测技术，因其具有灵敏度高、无需对样品进行预处理、可实时检测等优点，已在物理、材料科学等领域获得了广泛的应用。传统的光热光偏转技术主要集中在对激励光进行周期性调制和激励光为脉冲激光这两个方面，主要关注信号的幅值和相位，较少对光热光偏转时变信号进行研究。传统方法的实验装置和过程相对复杂，所获信号还需较复杂的后续处理。阶跃光激励的光热光偏转技术与传统方法相比，具有实验装置简单、紧凑，操作简便、检测快捷等特点。本文简要回顾了光热光偏转技术的发展和应用，并就阶跃光激励的光热光偏转技术的实验、理论和应用方面开展了如下研究工作： 1.对阶跃光激励的光热光偏转技术进行了较系统的实验研究。建立了一套阶跃光激励的光热光偏转实验系统，阐述了实验系统的结构和调节方法，研究了样品物理参数和实验条件对光热光偏转时变信号的影响，探索了光热光偏转信号与激励光功率的关系，获得了信号随样品热扩散率以及探测光离样品表面距离的变化规律，给出了实验时探测光离样品表面距离和激励光功率的一些建议。 2.对阶跃光激励的光热光偏转技术进行了较系统的理论研究。建立了新的一维理论模型，推导了样品内及样品表面空气的温度场分布，并根据温度场分布得到了光热光偏转信号的表达式。通过数值模拟，分析了样品和样品表面空气的温度场及温度梯度随时间和空间的变化规律，对探测光离样品表面距离以及样品热扩散率对光热光偏转信号的影响进行了理论分析。理论模型可以较好地拟合整个实验信号曲线，研究结果可以很好地解释实验现象。 3.提出了两种测量材料热扩散率的新方法。根据阶跃光激励的光热光偏转时变信号的规律，提出了测量材料热扩散率的特征时间比较法和上下沿拟合法，并在上下沿拟合法中提出了光热光偏转时变信号的简化模型，该模型可以很好地拟合实验曲线。这两种方法通过实际测量获得了满意的结果，可以快速方便地获得待测样品的热扩散率。两种方法进行了讨论和对比，并给出了提高测量准确度的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2光热光偏转技术的原理和特点

1.2.1光热光偏转技术的原理

1.2.2光热光偏转技术的特点

1.3光热光偏转技术的实验装置

1.4光热光偏转技术的发展

1.5光热光偏转技术的应用

1.5.1测定材料的热学参数

1.5.2测定材料的光吸收系数

1.5.3光热光偏转成像

1.6论文选题的指导思想和研究工作介绍

第2章阶跃光激励的光热光偏转实验系统及实验结果分析

2.1引言

2.2二象限光电探测技术

2.3实验系统

2.4实验系统的搭建及调节

2.4.1实验系统的搭建

2.4.2实验系统的调节

2.5实验结果及讨论

2.5.1激励光波形与相应的光热光偏转信号

2.5.2光热光偏转信号与激励光功率的关系

2.5.3探测光离样品表面的距离对光热光偏转信号的影响

2.5.4样品特性对光热光偏转信号的影响

2.6小结

第3章阶跃光激励的光热光偏转技术的理论研究

3.1引言

3.2单位阶跃函数

3.3阶跃光激励的光热光偏转理论模型

3.4数值模拟

3.4.1样品表面空气和样品中的温度场和温度梯度

3.4.2以空气作为偏转媒质时的光热光偏转信号

3.4.3以样品作为偏转媒质时的光热光偏转信号

3.4.4样品的热扩散率对光热光偏转信号的影响

3.5小结

第4章 阶跃光激励的光热光偏转信号测量材料的热扩散率

4.1引言

4.2实验

4.3特征时间对比法测量材料热扩散率

4.4上下沿拟合法测量材料热扩散率

4.4.1基本原理

4.4.2拟合结果

4.5两种测量方法的讨论与比较

4.6小结

第5章总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致 谢