使用激光投射光热法构造加热的地下缺陷定位

Summary

该方法旨在定位垂直的地下缺陷。在这里，我们将激光与空间光调制器耦合，并触发其视频输入，以确定性地用两个反相调制线加热样品表面，同时获得高分辨率的热图像。从评估热波干扰最小值来检索缺陷位置。

Abstract

所提出的方法用于定位垂直于表面定向的地下缺陷。为了实现这一点，我们创造了被缺陷所扰乱的破坏性的干扰热波场。测量这种效应并用于定位缺陷。我们通过使用改进的投影仪形成破坏性干扰波场。投影机的原始光引擎被替换为光纤耦合的大功率二极管激光器。其光束被成形并对齐于投影仪的空间光调制器，并通过首先表征光束轮廓而优化用于最佳光学吞吐量和均匀投影，以及第二，其机械和数字校正。根据紧凑的几何情况（包括几何图像失真的校正）和检测样品表面的弱温度振荡的要求，建立了高性能红外（IR）摄像机。数据采集​​可以执行一次同步通过使用专门的实验装置来建立各个热波场源，扫描阶段和红外相机之间的谐波，这需要调整到被调查的具体材料。在数据后处理期间，提取关于在样品表面下存在缺陷的相关信息。从获取的来自样品表面的所谓耗尽线的热辐射的振荡部分中取出。在最终步骤中，从这些振荡的空间 - 时间形状的分析中推导出缺陷的确切位置。该方法无参考，对热波场内的变化非常敏感。迄今为止，该方法已经用钢样品进行了测试，但也适用于不同的材料，特别是温度敏感材料。

Introduction

激光投射光热法（LPPT）方法用于定位埋在试样体积中并且主要垂直于其表面定向的地下缺陷。

该方法使用了相同延伸率和频率的两个反相热波场的破坏性干扰， 如图1b所示 。在各向同性无缺陷材料中，热波通过相干叠加在对称平面上中和破坏性（ 即零温度振荡）。在具有地下缺陷的材料的情况下，该方法利用瞬态热流与该缺陷之间的横向（ 即面内）分量的相互作用。这种相互作用可以在样品表面上的对称线上以重现的振荡温度伸长率来测量。现在，通过叠加的热波场扫描含有缺陷的样品相对于样品位置测量温度伸长的水平。由于对称性，当缺陷穿过对称平面时，再次满足破坏性干扰条件;这使我们能够非常敏感地定位缺陷。此外，由于破坏性干扰的最大扰动水平与缺陷的深度相关，因此可以通过分析温度扫描¹来确定其深度。

LPPT可以分配到有源热成像方法，一种已建立的非破坏性方法，其中主动产生瞬态加热，并且通过热红外相机测量所得到的瞬态温度分布。通常，该方法的灵敏度限于基本上垂直于瞬态热流定向的缺陷。此外，由于控制瞬态热传导方程是抛物线部分不同的中性方程式，进入体积的热流强烈衰减。因此，有源热成像方法的探测深度被限制在近表面区域，通常在毫米范围内。两种最常见的有源热成像技术是脉冲和锁定热成像技术。它们由于平面光学表面照明²

Protocol

注意:注意:请注意激光安全，因为设置使用4级激光。请戴上正确的防护眼镜和衣服。另外，小心处理飞行员激光。

将二极管激光器耦合到投影仪开发套件（PDK）

1. 准备面包板。
   1. 将所有设备预装配到面包板， 如图3所示 。将所有预装的设备放在激光实验室中。
2. 将激光光纤安装在面板上。
   1. 将光纤连接到激光光纤安装座（ 参见 图3 ）。
   2. 开关二极管激光器的快门和激光阈值。通过使用高功率红外传感器卡，检查光束的输出直径（40 mm）。关闭激光阈值并打开导频激光。通过使用将激光光纤安装光轴的高度调整到PDK的入口实验室插孔（ 参见 图4a，4d ）。
   3. 沿着导轨移动激光光纤安装座。观察导频激光器在一定距离处的位置。它的中心点不应该移动。如果是，请检查实验室插孔和激光光纤安装座之间的安装位置。之后修复激光光纤安装。
      注意:轨道是光轴的参考点，并且应平行于面包板对齐。望远镜镜头必须事先取下。
3. 调整望远镜。
   1. 使用望远镜将光束直径从40 mm减小到15 mm，以适应PDK的入口（ 参见 图4a....

Results

按照方案，选择具有0.25mm深度的地下缺陷的钢样品的侧面1以产生代表性的结果。该缺陷最初位于照明区域的中心附近。然后将样品通过线性级以0.05mm / s的速度从-5mm移动到5mm。使用这些参数， 图11a显示了从耗尽线提取扫描数据后的扫描数据。在这个阶段，可以估计实验的成功，因为可以从IR摄像机控制软件获得原始数据作为预览（可选:使用线工具预览数据， 参见 图8 ，步骤i.4） 。进一步信号后处理后， 图11b示出了在0.3mm处的希尔伯特曲线（蓝色）的最小值处的缺陷位置。

为了验证实验，曲线应该h具有以下属性:它应该是对称的，在对称平面处具有显着的最小值，并且在其左右两个具有相等的最大值。最大值出现是因为来自一个线源的热流由于在缺陷处的热积累而在另一个之上占主导地位。当缺陷靠近对称平面定位时尤其如此。缺陷形成热流的障碍，因此我.......

Discussion

所提出的协议描述了如何定位垂直于表面定向的人造地下缺陷。该方法的主要思想是产生与地下缺陷相互作用的干扰热波场。最重要的步骤是（i）将SLM与二极管激光器组合，以便在样品表面产生两个交替的高功率照明图案;这些图案被光热转换成相干热波场，（ii）让它们在与地下缺陷相互作用的同时被破坏性地干扰，以及（iii）使用热成像从样品表面的动态温度的表面扫描中定位这些缺陷红外摄像机由于只需要相对的温度周围温度变化平均值而不是绝对温度值，这种方法对隐藏的缺陷非常敏感¹ 。

最关键的步骤之一在协议中是为了在使用SLM耦合的激光源进行结构化加热时建立足够的照明光束分布均匀性（参见步骤1.10）。二极管激光器提供高辐照度，但必须以正确的光束直径和方向性将其馈送到包含SLM的投影机中。由于投影机内专有光路的轻微不可避免的几何和频谱不匹配，样品上产生的图像失真。因此，通过参考光束轮廓测量来执行控制投影图像的图像强度值的数值校正。成功实验的第二个关键步骤是实现IR图像的高空间分辨率（参见3.3.7- 3.3.8）。耗尽区必须足够空间解决，否则不会耗尽，因此无法测量.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
500 W 二极管激光系统，940 nm	Laserline	LDM 500 - 20	Pilot 激光器 2 级 @ 650 nm，二极管激光器是4类激光系统 --需要>特殊实验室
激光控制箱	Laserline	激光控制箱 LDM	添加到激光系统，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		添加到激光系统，用于通过模拟信号从0 V调整光输出功率。10 V
光纤激光支架 2"，f = 80 mm	Laserline		激光系统附加组件
多功能数据采集 （DAQ） 设备 + BNC 终端	National Instruments	NI-USB 6251	DAQ 卡用于触发红外摄像头，  DLP Light Commander 5500，控制激光器和二极管 PDA 36A
标准 - PC			控制 PC - 用于两个屏幕的图形卡，至少 4 个 USB，基于 Windows 的
BNC 电缆			标准电缆
HDMI 电缆			标准电缆
Micro USB 转 USB 电缆			标准电缆
LabVIEW 2013 SP1 开发系统	National Instruments		设备控制
LPPT 开发环境控制软件	BAM		LabVIEW 2013 SP1 LPPT 软件包的一部分 LPPT
强度  软件	BAM		LabVIEW 2013 SP1 LPPT
激光控制软件	BAM		LabVIEW 2013 SP1 LPPT 软件包的一部分
Matlab 2016b	MathWorks		数据的
后处理LPPT后处理软件	BAM		测量数据的后处理
红外摄像机控制PC	InfraTec		控制PC由相机经销商提供
红外摄像机控制软件 红外摄像机控制软件	InfraTec	Irbis 3 Professional
InfraTec SDK	InfraTec		动态链接库作为Infratec和Matlab的本地数据采集格式之间的接口
红外热像仪	InfraTec	Image IR 8300	640 x 512，制冷型 InSb 探测器，波长 2 &微;m..5.7 &微;m，噪声 = 20 mK + 配件 （LAN 电缆、数字输入/输出电缆、空间环、电源、外壳）
三脚架	曼富图	161MK2B
红外摄像机支架	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）	逻辑	PD DLP-LC-DLP5500-10R	包括 DLP5500 德州仪器 （TI） 的数字微镜设备，需要拆卸光引擎和外壳 嵌入式
PDK 控制软件	交付		时包括 DLP Light Commander 控制软件
用于 PDK	BAM		自制 （140 x 230 x 420） mm3
功率计控制单元	Ophir	Vega	USB 接口
30 W 功率计头	Ophir	30（150）A-LP1-18	功率计头确定投影仪系统的传输
500 W 功率计头	Ophir	FL500A	用于过程监控的功率计
运动控制器	Newport	ESP301	带 USB 接口
转换台	Newport	M-ILS200CC	Thorlabs 的 ESP301
光电二极管		PDA 36A-EC	1" 安装
反射滤光片 ND1	Thorlabs	ND10A	安装到 PDA 36A
针孔 1"	Thorlabs	P1000S	安装到 PDA 36A
光学铝制面包板	Thorlabs	MB60120/M	（1,200 mm x 900 mm） 底座
平面凸透镜 f = 200 mm	Thorlabs	LA1979-B	红外涂层，第一个望远镜镜头
平面凸透镜 f = 75 mm	Thorlabs	LA1145-B	红外涂层，第二个望远镜镜头
xy 平移台	Newport	M401	用于调整伸缩
光束采样器	Thorlabs	BSF20-B	拆分光纤输出，用于减少投影仪系统的光纤输入
镜子	Thorlabs	BB2-E03	用于将光束耦合到 DLP Light Commander 的镜子
重型实验室插孔	Thorlabs	L490	用于光纤支架和线性平台的顶部，以定位样品 （2x）
PDK-物镜	尼康	尼康 AF 尼克尔 50 毫米 1：1：8：D	用于 DLP Light Commander 的物镜，50 mm
平凸镜头 f = 100 mm	Thorlabs	LA1050 -B	镜头连接到尼康物镜
双凸镜头 f = 60 mm	Thorlabs	LB1723 -B	镜头连接到尼康物镜上，以便使用 30 W 测量头确定光传输
方形保护金镜	Thorlabs	PFSQ20-03-M01
高功率红外传感器卡	Newport	F-IRC-HP-M	传感器卡，用于检查光路
2" 十字准线	BAM		自制
1" 十字准线	BAM		自制靶
心水平仪	Thorlabs	LCL01
平移台	Newport	M-UMR8.25	用于测量光束轮廓
千分尺螺钉	Newport	DM17-25	用于平移台 M-UMR8.25
安装零孔径光圈 Thorlabs		ID75Z/M	用于检查光学pathway
底座和柱支架 Essentials 套件、公制和通用组件	Thorlabs	ESK01/M	基础
柱和配件 基本套件 公制和通用组件	Thorlabs	ESK03/M
M6 帽螺钉和硬件套件	Thorlabs	HW-KIT2/M
建筑钢轨	Thorlabs	XE25L700/M
1" 建筑立方体	Thorlabs	RM1G	用于安装建筑钢轨
放电加工	Sodick	AG60L	www.sodick.de
St37 钢块 （100 x 100 x 40） mm3	BAM		自制，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 mm（如图 图 5）
St37 钢块 （100 x 100 x 40） mm	BAM		自制，隐藏缺陷，剩余壁厚为 1 毫米，1.5 mm、1.75 mm、2 mm（如图所示<强>图 5）
石墨喷涂	CRC Industries Europe NV	GRAPHIT 33	Ref. 20760,200 mL 气雾剂 （Kontakt-Chemie）
保护胶带	tesa	tesakrepp 4348	用于在涂层时保护隐藏的缺陷