Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии, Скворцов Л.А., 2017

Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии, Скворцов Л.А., 2017.

   В книге содержится последовательное изложение принципов фототермической раднометрии/спектроскопии и лазерной термографии - перспективного направления в спектроскопии и тепловидении. В основе нового метода исследований лежит радиометрическая регистрация поглощенной энергии в исследуемых средах при воздействии на них лазерного излучения. Подробно излагается современное состояние и перспективы развития нового направления, его преимущества и границы применимости по сравнению с другими фототермическими методами. Рассмотрены теоретические основы метода модуляционной и импульсной фототермической радиометрии, ее различные модификации, включая резонансную и pump-probe фототермическую радиометрию и термографию. Приводятся многочисленные примеры практической реализации фототермической радиометрии и лазерной термографии в различных областях науки и техники, в частности для дистанционного измерения температуры объектов, исследования слабопоглощающих сред, дистанционного обнаружения и идентификации следовых количеств вещества, неразрушающего контроля материалов и покрытий, измерения их теплофизических параметров. Обсуждаются вопросы, связанные с особенностями применения метода для контроля качества полупроводниковых материалов, например, в части обнаружения подповерхностных дефектов и примесей, измерения их концентрации и энергии активации. Особое внимание в книге уделяется возможностям метода применительно к таким практически значимым областям, как медицина и биология.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, работающих в области спектроскопии, лазерной физики, химии, биологии и также может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам старших курсов соответствующих специальностей.




Фотоакустический метод.
Суть фотоакустического метода заключается в следующем [3, 4]. Исследуемый образец, размещенный в специальной ячейке, облучают модулированным лазерным излучением, которое полностью или частично поглощается в нем, вызывая нагрев образца. Выделяющееся в образце тепло передается находящейся в акустической ячейке газовой среде, что приводит к периодическому изменению давления. Возбуждаемые таким образом акустические волны регистрируются высокочувствительным микрофоном, встроенным в ячейку (рис. 1.1).

Возможно также контактное измерение фотоакустического сигнала при исследовании, например, твердых тел с помощью пьезоэлектрического датчика, непосредственно размещенного на поверхности образца. В последнее время уделяется внимание развитию открытых фотоакустических систем с чувствительным элементом в виде настраиваемого кварцевого камертона (quartz tuning fork), которые рассматриваются как перспективные устройства для дистанционного детектирования химических соединений на поверхностях тел [5].

ОГЛАВЛЕНИЕ.
Предисловие.
Глава 1. Краткий обзор методов исследования, основанных на фототермическом эффекте.
1.1. Фотоакустический метод.
1.2. Дефлекционный метод (мираж-эффект).
1.3. Метод термолинзы.
1.4. Поверхностная термическая линза.
1.5. Метод фототерм и ческой радиометрии.
1.6. Метод фототермического отражения.
1.7. Интерференционный метод.
Глава 2. Основы классической радиометрии.
2.1. Радиометрические величины и их количественные соотношения.
2.2. Законы теплового излучения.
2.2.1. Излучательная и поглощательная способность тел.
2.2.2. Закон Кирхгофа.
2.2.3. Закон Планка.
2.2.4. Закон смешения Вина и закон Стефана—Больцмана.
Глава 3. Общие сведения о фотоприемниках и радиометрических свойствах инфракрасной системы.
3.1. Основные характеристики приемников излучения.
3.2. Параметры, характеризующие радиометрические свойства инфракрасной системы.
Глава 4. Теоретическое обоснование метода фототермической радиометрии и лазерной термографии.
4.1. Диффузионные волны.
4.1.1. Введение.
4.1.2. Математика диффузионных волн.
4.1.3. Физика диффузионных волн.
4.2. Концепция тепловых волн.
4.2.1. Импульсные и периодически модулированные тепловые волны.
4.2.2. Свойства тепловых волн.
4.3. Плазменные волны носителей заряда в полупроводниках.
4.3.1. Происхождение плазменных волн.
4.3.2. Свойства плазменных волн и их детектирование.
Глава 5. Измерение теплофизических параметров тел с помощью методов фототермической радиометрии и лазерной термографии.
5.1. Введение.
5.2. Эффект фототермического «насыщения».
5.3. Метод лазерной вспышки.
5.4. Метод термоволновой интерферометрии (TWI-метод).
5.5. Термографические методы.
5.5.1. Термографический метод I (регистрация пространственного распределения температуры при нагреве поверхности ограниченным пучком).
5.5.2. Термографический метод II (регистрация температуры вдоль стержня при возбуждении в нем поперечных тепловых волн).
5.5.3. Термографический метод III (конфигурация «отражения» при импульсном нагреве, односторонний метод вспышки).
5.6. Выводы.
Глава 6. Дистанционное измерение температуры тел при лазерной активации поверхности.
6.1. Физические основы измерения температуры поверхности тел с помощью лазерной фототермической радиометрии.
6.1.1. Основные проблемы классической пирометрии.
6.1.2. Внешняя модуляция собственного теплового потока как способ устранения влияния фоновых сигналов.
6.2. Особенности измерения температуры при воздействии на объект модулированного по амплитуде лазерного излучения.
6.2.1. Физические принципы, лежащие в основе метода.
6.2.2. Область высоких температур (Т > 750 К).
6.2.3. Область низких температур (260—340 К).
6.3. Особенности измерения температуры при импульсном режиме облучения.
6.3.1. Физические принципы, лежащие в основе метода.
6.3.2. Временная зависимость фототермического сигнала.
6.3.3. Влияние экспериментальных параметров на результат измерений.
6.3.4. Результаты измерений и их обсуждение.
6.4. Измерение температуры поверхности путем анализа кривой затухания фототермического сигнала.
Глава 7. Неразрушающий контроль.
7.1. Применение лазерной термографии для обнаружения поверхностных трещин.
7.1.1. Введение.
7.1.2. Особенности активной термографии для неразрушающего контроля материалов при использовании лазерного (точечного) источника нагрева.
7.1.3. Практическая реализация метода лазерной термографии.
7.1.4. Моделирование теплового поля при наличии вертикальной трещины.
7.1.5. Визуализация трещины при наличии теплового фона от лазерного воздействия.
7.2. Неразрушающий контроль силы адгезии гальванических покрытий и обнаружение дефектов отслоения.
7.2.1. Введение.
7.2.2. Основные представления о распространении тепловых волн на границе раздела сред.
7.2.3. Измерение толщины упрочняющего слоя на поверхности стали.
7.2.4. Контроль силы адгезии гальванически осажденных слоев.
7.2.5. Обнаружение дефектов отслоения гальванических покрытий.
7.3. Особенности применения термографической системы с лазерным сканирующим устройством.
7.3.1. Численное 2D-моделирование тепловых полей, индуцируемых лазерным воздействием.
7.3.2. Пространственное (поперечное) разрешение при лазерном сканировании.
7.3.3. Выводы.
Глава 8. Измерение поглощения в оптических материалах и покрытиях.
8.1. Введение.
8.2. Теоретическое рассмотрение метода фототермической радиометрии применительно к измерению малых поглощений.
8.3. Измерение потерь на поглощение в оптических покрытиях.
8.4. Измерение объемного коэффициента поглощения в прозрачных материалах.
8.5. Оценка толщины излучающего тепловой поток слоя вещества и верхней граничной частоты повторения лазерных импульсов. Границы применения метода.
8.6. Внутрирезонаторная лазерная фототермическая радиометрия
8.6.1. Измерение поглощения в образцах с просветляющими покрытиями.
8.6.2. Измерение поглощения в образцах без покрытий.
8.6.3. Измерение поглощения в зеркальных покрытиях.
8.7. Измерение поверхностного поглощения в оптических материалах
8.7.1. Введение.
8.7.2. Метод измерений.
8.7.3. Пример практической реализации метода
8.8. Неразрушающий контроль лазерной прочности оптических покрытий.
Глава 9. Двухлучевая (pump-probe) лазерная фототермическая радиометрия.
9.1. Введение.
9.2. Оценка чувствительности метода.
9.3. Пример реализации метода pump-probe фототермической радиометрии.
9.4. Выводы.
Глава 10. Резонансная инфракрасная фототермическая спектроскопия.
10.1. Введение.
10.2. Лазерные источники излучения в среднем и дальнем ИК-диапазоне спектра.
10.3. Примеры практической реализации метода активного формирования гипер/мультиспектральных изображений в спектре теплового излучения.
10.3.1. Дистанционное обнаружение следовых количеств вещества с помощью квантово-каскадных лазеров.
10.3.2. Применение СО2-лазера для практической реализации метода.
10.4. Оценка чувствительности метода.
10.4.1. Расчет температуры нагрева.
10.4.2. Расчет мощности теплового излучения.
10.4.3. Расчет минимальной концентрации вещества и дальности обнаружения.
10.6. Выводы.
Глава 11. Применение лазерной фототермической радиометрии для исследования полупроводниковых материалов.
11.1. Введение.
11.2. Особенности применения метода для полупроводниковых материалов.
11.3. Практическая реализация метода на примере МОП-структур.
11.4. Измерение времени жизни носителей заряда и контроль наличия примесей.
11.5. Метрология ионной имплантации.
11.6. Выводы.
Глава 12. Применение лазерной фототермической радиометрии для медицинской диагностики и лечения заболеваний.
12.1. Введение.
12.2. Импульсная лазерная фототермическая радиометрия как метод диагностики и лечения заболеваний.
12.3. Примеры практической реализации метода при лечении и диагностике заболеваний.
12.3.1. Диагностика родимых пятен «цвета портвейна» (винное пятно).
12.3.2. Определение степени гидратации кожи.
12.3.3. Диагностика структурных преобразований ткани под действием лазерного излучения в процессе хирургического вмешательства.
12.3.4. Лазерная инженерия хрящей.
12.3.5. Фототермическая томография.
12.4. Выводы.
Заключение.
Литература.

Купить .





Теги: учебник по физике :: физика :: Скворцов :: радиометрия :: термография :: спектроскопия