激光輻照下半透明體光熱信號模擬及內(nèi)部參數(shù)重構(gòu).pdf

1、繼上世紀(jì)60年代至今,激光技術(shù)一直得到不斷地發(fā)展,在國防、生物醫(yī)療、通信、信息處理、工業(yè)加工及探傷診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用的實質(zhì)是各種類型激光與不同物質(zhì)的相互作用。激光與半透明介質(zhì)相互作用的研究在大氣遙感、激光推進(jìn)、光學(xué)成像、紅外無損檢測以及材料物性測量等領(lǐng)域有著重要的科學(xué)意義。很多情況下,激光與半透明體的相互作用都會伴隨著光熱效應(yīng)的產(chǎn)生,即在介質(zhì)邊界產(chǎn)生輻射信號(光信號)或溫度響應(yīng)(熱信號)。對這些富含介質(zhì)內(nèi)部信息的光熱信號進(jìn)

2、行系統(tǒng)的分析,總結(jié)這些信號的影響因素和變化規(guī)律,是對介質(zhì)內(nèi)部光學(xué)參數(shù)、內(nèi)含物幾何尺度和缺陷介質(zhì)形狀大小等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確重構(gòu)的理論前提。
　　論文以激光輻照半透明介質(zhì)的光熱信號利用為主要研究背景,系統(tǒng)研究了邊界時頻域光熱信號模擬、介質(zhì)內(nèi)部參數(shù)重構(gòu)以及半透明體輻射特性測量等問題。主要工作可以概括為以下四個方面:
　　1.基于有限體積法建立了方形和高斯型短脈沖激光在半透明介質(zhì)內(nèi)的瞬態(tài)輻射傳輸模型和頻域輻射模型,模擬了介質(zhì)表面出射的時

3、頻域光輻射信號(透射信號和反射信號)。總結(jié)了不同激光參數(shù)和介質(zhì)光學(xué)物性對光輻射信號的影響。開展了短脈沖激光瞬態(tài)輻射傳輸相似性問題的研究,提出了反射信號的最優(yōu)探測距離(ODD)和一維介質(zhì)臨界光學(xué)厚度(COT)的概念。研究了激光參數(shù)和介質(zhì)的光學(xué)物性對時域光輻射信號的敏感性,確定了用于參數(shù)重構(gòu)研究中時域測量信號的選取準(zhǔn)則。研究了折射率匹配和不匹配時,高斯型脈沖激光輻照下時域反射信號峰值與無量綱脈沖寬度的變化關(guān)系,提出了無量綱反射信號峰值的概念

4、。針對頻域模型,分析了頻域信號幅值和相位角隨脈沖寬度和介質(zhì)衰減系數(shù)、反照率的變化規(guī)律。
　　2.將微粒群及其改進(jìn)型算法引入到瞬態(tài)輻射傳輸及導(dǎo)熱輻射耦合反問題研究中。采用時頻域光輻射信號結(jié)合微粒群及其改進(jìn)型算法對一維均勻介質(zhì)、一維多層介質(zhì)、二維介質(zhì)內(nèi)部的光學(xué)參數(shù)和幾何特性進(jìn)行了反問題研究。在隨機微粒群算法的基礎(chǔ)上,通過對微粒速度進(jìn)化公式引入任意方向搜索項,得到了快速微粒群優(yōu)化算法。建立了基于峰值時域信號的微粒群反演模型,利用峰值時域

5、信號可以準(zhǔn)確的重構(gòu)出均勻介質(zhì)和兩層介質(zhì)的吸收、散射系數(shù)。
　　3.建立了激光作用半透明介質(zhì)的導(dǎo)熱輻射耦合換熱模型,利用有限體積法模擬了介質(zhì)表面的溫度響應(yīng)熱信號,采用微粒群優(yōu)化算法反演了一維均勻介質(zhì)的導(dǎo)熱輻射參數(shù)、反照率和發(fā)射率。進(jìn)一步研究了含缺陷的二維介質(zhì)表面溫度響應(yīng),分析了缺陷尺寸、對流換熱系數(shù)等因素對介質(zhì)邊界瞬態(tài)溫度的敏感性,利用微粒群模型重構(gòu)了介質(zhì)內(nèi)部缺陷的位置和大小。
　　4.總結(jié)了半透明材料常見的光輻射特性(反射透