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《哈尔滨工业大学》 2013年
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激光辐照下半透明体光热信号模拟及内部参数重构

王大林  
【摘要】:继上世纪60年代至今,激光技术一直得到不断地发展,在国防、生物医疗、通信、信息处理、工业加工及探伤诊断等领域得到广泛应用。这些应用的实质是各种类型激光与不同物质的相互作用。激光与半透明介质相互作用的研究在大气遥感、激光推进、光学成像、红外无损检测以及材料物性测量等领域有着重要的科学意义。很多情况下,激光与半透明体的相互作用都会伴随着光热效应的产生,即在介质边界产生辐射信号(光信号)或温度响应(热信号)。对这些富含介质内部信息的光热信号进行系统的分析,总结这些信号的影响因素和变化规律,是对介质内部光学参数、内含物几何尺度和缺陷介质形状大小等参数进行准确重构的理论前提。 论文以激光辐照半透明介质的光热信号利用为主要研究背景,系统研究了边界时频域光热信号模拟、介质内部参数重构以及半透明体辐射特性测量等问题。主要工作可以概括为以下四个方面: 1.基于有限体积法建立了方形和高斯型短脉冲激光在半透明介质内的瞬态辐射传输模型和频域辐射模型,模拟了介质表面出射的时频域光辐射信号(透射信号和反射信号)。总结了不同激光参数和介质光学物性对光辐射信号的影响。开展了短脉冲激光瞬态辐射传输相似性问题的研究,提出了反射信号的最优探测距离(ODD)和一维介质临界光学厚度(COT)的概念。研究了激光参数和介质的光学物性对时域光辐射信号的敏感性,确定了用于参数重构研究中时域测量信号的选取准则。研究了折射率匹配和不匹配时,高斯型脉冲激光辐照下时域反射信号峰值与无量纲脉冲宽度的变化关系,提出了无量纲反射信号峰值的概念。针对频域模型,分析了频域信号幅值和相位角随脉冲宽度和介质衰减系数、反照率的变化规律。 2.将微粒群及其改进型算法引入到瞬态辐射传输及导热辐射耦合反问题研究中。采用时频域光辐射信号结合微粒群及其改进型算法对一维均匀介质、一维多层介质、二维介质内部的光学参数和几何特性进行了反问题研究。在随机微粒群算法的基础上,通过对微粒速度进化公式引入任意方向搜索项,得到了快速微粒群优化算法。建立了基于峰值时域信号的微粒群反演模型,利用峰值时域信号可以准确的重构出均匀介质和两层介质的吸收、散射系数。 3.建立了激光作用半透明介质的导热辐射耦合换热模型,利用有限体积法模拟了介质表面的温度响应热信号,采用微粒群优化算法反演了一维均匀介质的导热辐射参数、反照率和发射率。进一步研究了含缺陷的二维介质表面温度响应,分析了缺陷尺寸、对流换热系数等因素对介质边界瞬态温度的敏感性,利用微粒群模型重构了介质内部缺陷的位置和大小。 4.总结了半透明材料常见的光辐射特性(反射透射特性,吸收散射特性、发射特性)的测量方法。基于傅立叶红外光谱仪响应特性和半透明体发射率的定义,搭建了半透明介质发射特性测量系统,给出了扣除背景辐射的介质光谱发射率计算公式,在国内率先开展了半透明材料光谱发射特性的实验研究,并对蓝宝石等半透明材料进行了实验测量。对表面涂黑处理的玻璃材料进行了光热物性参数测量,并对导热辐射耦合换热的有限体积法模型进行了实验验证。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN24

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