激光輻照下半透明體光熱信號(hào)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(guó)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(shí)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(wú)損檢測(cè)以及材料物性測(cè)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(huì)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(hào)(光信號(hào))或溫度響應(yīng)(熱信號(hào))。對(duì)這些富含介質(zhì)內(nèi)部信息的光熱信號(hào)進(jìn)

2、行系統(tǒng)的分析,總結(jié)這些信號(hào)的影響因素和變化規(guī)律,是對(duì)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(hào)利用為主要研究背景,系統(tǒng)研究了邊界時(shí)頻域光熱信號(hào)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(cè)量等問(wèn)題。主要工作可以概括為以下四個(gè)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(shí)

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

4、。針對(duì)頻域模型,分析了頻域信號(hào)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(wèn)題研究中。采用時(shí)頻域光輻射信號(hào)結(jié)合微粒群及其改進(jìn)型算法對(duì)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(wèn)題研究。在隨機(jī)微粒群算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)微粒速度進(jìn)化公式引入任意方向搜索項(xiàng),得到了快速微粒群優(yōu)化算法。建立了基于峰值時(shí)域信號(hào)的微粒群反演模型,利用峰值時(shí)域

5、信號(hào)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(hào),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(duì)流換熱系數(shù)等因素對(duì)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