该方法旨在定位垂直的地下缺陷。在此，我们将激光器与空间光调制器耦合，并触发其视频输入，以两束相位相反的调制线对样品表面进行确定性的加热，同时采集高分辨率的热图像。通过分析热波干涉极小值，可确定缺陷的位置。
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摘要
摘要
本方法用于定位垂直于表面的亚表面缺陷。为实现这一目标，我们构建了具有破坏性干涉的热波场，当热波场受到缺陷扰动时，通过测量该效应来确定缺陷位置。我们使用经过改造的投影仪来生成具有破坏性干涉的波场，将投影仪原有的光源替换为光纤耦合的高功率二极管激光器。通过首先表征激光束的光束轮廓，然后进行机械和数值校正，对激光束进行整形和准直，使其与投影仪的空间光调制器匹配，从而实现最佳的光学透过率和均匀的投影效果。根据严格的几何条件（包括对几何图像畸变的校正）以及检测样品表面微弱温度振荡的需求，配置高性能红外（IR）相机。在建立各个热波场源、扫描平台与红外相机之间的同步后，即可进行数据采集，该同步需通过专门的实验装置实现，并根据所研究的具体材料进行调谐。在数据后处理过程中，提取样品表面下方存在缺陷的相关信息。这些信息来源于样品表面所谓耗尽线区域所采集热辐射中的振荡部分。最终通过分析这些振荡信号的时空分布特征，推断出缺陷的精确位置。该方法无需参考样本，且对热波场内的变化极为敏感。目前该方法已在钢样品上进行了测试，但同样适用于其他材料，特别是对温度敏感的材料。
引言
激光投影光热热成像（LPPT）方法用于定位嵌入在试样内部且主要垂直于其表面的亚表面缺陷。
该方法利用两个相位相反、振幅和频率相同的热波场之间的相消干涉，如图1b所示。在各向同性且无缺陷的材料中，热波通过相干叠加在对称平面处发生相消干涉（即温度振荡为零）。当材料中存在亚表面缺陷时，该方法利用瞬态热流的横向（即面内）分量与该缺陷之间的相互作用。这种相互作用可在样品表面的对称线上测得一个重新产生的振荡温度振幅。此时，通过叠加的热波场对含有缺陷的样品进行扫描，并测量温度振幅随样品位置的变化关系。由于对称性，当缺陷穿过对称平面时，相消干涉条件再次得到满足，从而可高灵敏度地定位缺陷。此外，由于相消干涉最大扰动程度与缺陷深度相关，因此可通过分析温度扫描曲线来确定缺陷的深度1。
激光局部热激励测温法（LPPT）属于主动热成像方法，这是一种成熟的无损检测技术，通过主动产生瞬态加热，并利用红外热像仪测量由此产生的瞬态温度分布。通常情况下，该方法对缺陷的检测灵敏度仅限于那些取向基本垂直于瞬态热流方向的缺陷。此外，由于控制瞬态热传导的方程是一个抛物型偏微分方程，热量向材料内部的传播会受到强烈衰减。因此，主动热成像方法的探测深度仅限于近表面区域，通常在毫米量级。最常见的两种主动热成像技术是脉冲热成像和锁相热成像。由于采用平面光学表....
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方案
注意：警告：由于本实验装置使用了4类激光器，请注意激光安全。请佩戴合适的防护眼镜和防护服。同时，请小心操作导引激光器。
1. 将二极管激光器耦合到投影仪开发套件（PDK）
- 准备面包板。
- 按照图示将所有设备预组装到面包板上 图3将已预装所有器件的面包板放置于激光实验室中。
- 将激光光纤支架放置在光学平台上。
- 将光纤连接至激光光纤支架（参见 图3).
- 打开二极管激光器的快门和激光阈值。使用高功率红外传感器卡检查光束的输出直径（40 mm）。关闭激光阈值，打开导引激光器。使用实验室升降台调节激光光纤支架处的光轴高度，使其与PDK的入口对齐。参见 图4a，4d).
- 沿导轨移动激光光纤支架。从远处观察导引激光的位置，其中心点不应发生移动。若出现移动，应检查实验室支架与激光光纤支架之间的连接。随后固定激光光纤支架。
注意：导轨是光轴的参考基准，应与光学平台平行对齐。需预先取下望远镜透镜。
- 调节望远镜。
- 使用望远镜将光束直径从40 mm减小至15 mm，....
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结果
根据实验方案，选择在深度为0.25 mm处具有亚表面缺陷的钢样侧面1以获取代表性结果。缺陷初始位置大致位于照明区域中心。随后，样品通过线性平台以0.05 mm/s的速度从-5 mm移动至5 mm。使用这些参数，图11a展示了从耗尽线提取后的扫描数据。在此阶段，由于红外相机控制软件可提供原始数据预览，因此可初步评估实验是否成功（可选：使用线工具预览数据，参见图8，步骤i.4）。经过进一步的信号后处理后，图11b显示缺陷位于0.3 mm处Hilbert曲线（蓝色）的最小值位置。
为了验证实验结果，曲线应具备以下特征：曲线应对称，在对称平面处有明显的最小值，并在其左右两侧出现两个相等的最大值。最大值的出现是由于缺陷处热量积聚，导致其中一个线热源的热流占主导地位。当缺陷靠近对称平面时，这一现象尤为明显。缺陷会形成热流屏障，因此我们可以观察到占.......
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讨论
本方案描述了如何定位垂直于表面的人工亚表面缺陷。该方法的核心思想是产生相互干涉的热波场，并使其与亚表面缺陷发生相互作用。其中最关键的步骤包括：（i）将空间光调制器（SLM）与二极管激光器结合，以在样品表面生成两个交替的高功率照明图案；这些图案通过光热转换产生相干的热波场；（ii）使这些热波场在与亚表面缺陷相互作用时发生相消干涉；（iii）利用热成像红外相机对样品表面的动态温度进行扫描，从而定位这些缺陷。由于该方法仅需检测温度相对于缓慢变化的平均值的相对振荡，而无需测量绝对温度值，因此对隐藏缺陷具有极高的灵敏度1。
在使用SLM耦合激光源进行结构化加热时，该方案中最关键的步骤之一是确保照明光束轮廓具有足够的均匀性（参见步骤1.10）。半导体激光器可提供高辐照度，但必须以正确的光束直径和方向性输入至包含SLM的投影仪中。由于与投影仪内部专有光路存在轻微且不可避免的几何和光谱失配，样品上的生成图像会发生畸变。因此，需通过参考光束轮廓测量对控制投影图像的图像强度值进行数值校正。成功实验的第二个关键步骤是实现红外图像的高空间分辨率（参见步骤3........
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢Taarna Studemund和Hagen Wendler拍摄实验装置照片，并将其整理用于图表发表。此外，我们感谢Anne Hildebrandt进行样品制备，感谢Sreedhar Unnikrishnakurup、Alexander Battig和Felix Fritzsche对文稿的校对。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 500 W 二极管激光系统，940 nm | Laserline | LDM 500 - 20 | 650 nm 二类激光指示器 纳米，二极管激光器为4类激光系统——> 无需特殊实验室 |
| 激光控制箱 | Laserline | 激光控制箱 LDM | 激光系统附加功能，用于电子切换，激光阈值，快门，激光开启 0 V–5 V TTL |
| 控制箱扫描仪 | Laserline | 通过模拟信号调节激光系统的光学输出功率，范围从 0 开始 V..10 V | |
| 光纤激光器支架 2"，f = 80 mm | Laserline | 激光系统的扩展 | |
| 多功能数据采集（DAQ）设备 + BNC接线端子 | National Instruments | NI-USB 6251 | DAQ 卡用于触发红外（IR）相机， DLP Light Commander 5500，控制激光器和二极管PDA 36A |
| 标准 - 个人电脑 | 控制计算机——支持双屏幕的显卡，至少4个USB接口，基于Windows系统 | ||
| BNC 电缆 | 标准电缆 | ||
| HDMI 线缆 | 标准电缆 | ||
| Micro USB 转 USB 数据线 | 标准电缆 | ||
| LabVIEW 2013 SP1 开发系统 | National Instruments | 设备控制的开发环境 | |
| LPPT 控制软件 | BAM | LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分 | |
| LPPT 强度 软件 | BAM | LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分 | |
| LPPT 激光控制软件 | BAM | LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分 | |
| Matlab 2016b | MathWorks | 测量数据的后处理 | |
| LPPT 后处理软件 | BAM | 测量数据的后处理 | |
| 红外相机控制电脑 | InfraTec | 控制计算机由相机供应商提供 | |
| 红外相机控制软件 | InfraTec | Irbis 3 Professional | |
| InfraTec SDK | InfraTec | 动态链接库作为 Infratec 原生数据采集格式与 Matlab 之间的接口 | |
| 红外相机 | InfraTec | Image IR 8300 | 640 × 512，制冷型InSb探测器，波长2 µm..5.7 µm，噪声 = 20 mK + 配件（网线、数字输入/输出电缆、间隔环、电源、机箱） |
| 三脚架 | 曼富图 | 161MK2B | |
| 红外相机支架 | 曼富图 | 405 | |
| 用于数字光处理（DLP）技术的投影仪开发套件（PDK）（DLP Light Commander 5500） | Logic PD | DLP-LC-DLP5500-10R | 包含德州仪器（Texas Instruments）的 DLP5500 数字微镜器件，需拆卸光机和外壳 |
| PDK 控制软件 | Logic PD | 交付时包含，DLP Light Commander 控制软件 | |
| PDK的机械平台 | BAM | 自制（140 × 230 × 420）mm3 | |
| 功率计控制单元 | Ophir | Vega | USB接口 |
| 30 W 功率计探头 | Ophir | 30(150)A-LP1-18 | 用于测定投影系统透射率的功率计探头 |
| 500 W 功率计探头 | Ophir | FL500A | 用于过程监控的功率计 |
| 运动控制器 | Newport | ESP301 | 带USB接口 |
| 平移台 | Newport | M-ILS200CC | 与 ESP301 连接 |
| 带放大器的光电二极管 | Thorlabs | PDA 36A-EC | 1" 安装 |
| 反射滤光片 ND1 | Thorlabs | ND10A | 安装至 PDA 36A |
| 针孔1" | Thorlabs | P1000S | 安装至 PDA 36A |
| 光学铝制平台 | Thorlabs | MB60120/M | （1,200 mm × 900 mm）基板 |
| 平凸透镜 f = 200 mm | Thorlabs | LA1979-B | 用于红外的镀膜，第一级望远镜透镜 |
| 平凸透镜 f = 75 mm | Thorlabs | LA1145-B | 用于红外的镀膜，第二望远镜透镜 |
| xy-平移台 | Newport | M401 | 用于调节望远镜 |
| 分束器 | Thorlabs | BSF20-B | 分光输出，用于降低投影系统的光学输入 |
| 镜子 | Thorlabs | BB2-E03 | 用于将光束耦合至DLP Light Commander的反射镜 |
| 重型实验室升降台 | Thorlabs | L490 | 用于光纤安装架及线性平台顶部以固定样品（2个） |
| PDK-目标 | 尼康 | 尼康 AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D | DLP Light Commander 的目标，50 毫米 |
| 平凸透镜 f = 100 mm | Thorlabs | LA1050 -B | 镜头已安装至尼康物镜 |
| 双凸透镜 f = 60 mm | Thorlabs | LB1723 -B | 用于连接尼康物镜的透镜，以使用30 W测量头测定光学透过率 |
| 方形保护金镜 | Thorlabs | PFSQ20-03-M01 | |
| 高功率红外传感器卡 | Newport | F-IRC-HP-M | 用于检查光路的传感器卡 |
| 2" 十字准线 | BAM | 自制 | |
| 1" 十字线 | BAM | 自制 | |
| 靶心水平 | Thorlabs | LCL01 | |
| 扫描平台 | Newport | M-UMR8.25 | 用于测量光束轮廓 |
| 千分尺螺钉 | Newport | DM17-25 | 与 M-UMR8.25 型平移台配合使用 |
| 安装式零孔径光阑 | Thorlabs | ID75Z/M | 用于检查光路 |
| 基座与支架杆基本套装，公制与通用组件 | Thorlabs | ESK01/M | 基础 |
| 帖子 &安培；附件基本套件，公制和通用组件 | Thorlabs | ESK03/M | |
| M6 内六角圆柱头螺钉及紧固件套装 | Thorlabs | HW-KIT2/M | |
| 构造导轨 | Thorlabs | XE25L700/M | |
| 1" 构建立方体 | Thorlabs | RM1G | 用于安装构造导轨 |
| 电火花加工 | Sodick | AG60L | www.sodick.de |
| St37 钢块 (100 × 100 × 40) mm3 | BAM | 自制的隐藏缺陷，剩余壁厚为0.25 毫米，0.5 毫米，0.70 毫米，1.25 毫米（如图所示） 图5) | |
| St37 钢块 (100 × 100 × 40) mm | BAM | 自制的隐藏缺陷，剩余壁厚为1 毫米，1.5 毫米，1.75 毫米，2 毫米（如图所示） 图5) | |
| 石墨喷雾 | CRC Industries Europe NV | GRAPHIT 33 | Ref. 20760，200 mL 喷雾剂（Kontakt-Chemie） |
| 保护胶带 | Tesa | tesakrepp 4348 | 用于在涂覆过程中保护隐藏缺陷 |
参考文献
- Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. Laser-projected photothermal thermography using thermal wave field interference for subsurface defect characterization. Appl. Phys. Lett. 109 (12), 123504(2016).
- Ibarra-Castanedo, C., Tarpani, J. R., Maldague, X. P. V. Nondestructive testing with thermography. Eur. J. Phys. 34 (6), 91-109 (2013).
- Maldague, X. P.
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