1 南京理工大学理学院，江苏 南京 210094
2 中国商飞上海飞机制造有限公司，上海 201324
通过测量板状材料中Lamb波的频散曲线可以反演出材料的特性参数，因而这种方法在材料表征、评价和无损检测等领域具有广阔的应用前景。基于移动激光源法测量了薄板中Lamb波的频散曲线，通过高速转镜使聚焦的激光线源在样品表面以与相应Lamb波模式匹配的速度移动，当激光移动速度与Lamb波相速度一致时，可以以较高的效率激发出此Lamb波模式。通过改变转镜的转速，即改变激光线源的移动速度，记录不同移动速度下所激发的Lamb波频谱，可以得到Lamb波的频散曲线。在此基础上，结合粒子群优化算法反演了铝板以及聚苯乙烯板中的纵波波速与横波波速。在仿真中，开展了不同模式和频厚积处频散特性对材料参数的敏感度分析，并比较了不同噪声水平下以及不同模态频散数据选取所对应的拟合效果，讨论了2500~4000 m/s相速度区间基于频散曲线的反演敏感度问题。最终基于移动激光源实验中所提取的铝板中Lamb波的频散数据进行参数反演，结果显示，纵波声速和横波声速的反演误差均小于1.5%，证明了该方案的有效性。
测量 激光超声 参数反演 移动连续激光源 粒子群优化算法
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 南京理工大学理学院，江苏 南京 210094
3 南京理工大学计算机科学与工程学院，江苏 南京 210094
全聚焦方法（TFM）具有成像分辨率高、缺陷表征能力强的优点，但其存在数据需求量大、计算复杂、耗时过长等问题。针对上述问题，并结合激光超声检测技术，进行了基于ZYNQ平台加速的激光超声全聚焦技术研究。首先建立了基于激光超声的全聚焦算法，并引入激光超声方向性系数进行优化；进一步，搭建了激光超声扫描检测装置进行实验验证，使用线激光源激发超声信号，利用多普勒测振仪探测回波信号；然后使用形成的激光超声全聚焦成像算法进行内部缺陷的检测和定位，并与合成孔径聚焦算法获得的结果进行比较，从而验证了算法的正确性和可行性；最后将形成的激光超声全聚焦成像算法移植到ZYNQ平台上，对激光超声全聚焦成像算法进行了并行优化及双核设计，实现了算法加速。研究结果表明：激光超声全聚焦技术相比于合成孔径聚焦技术，成像信噪比更高、定位更准确；基于ZYNQ加速的激光超声全聚焦成像算法不会降低成像质量，且耗时相比于计算机缩短了86%。
测量 激光超声 全聚焦成像算法 ZYNQ平台 无损检测 中国激光
2023, 50(18): 1804002
采用波长为1070 nm的连续激光对亚音速切向空气流下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）的穿孔效应进行了研究。通过实验研究了功率密度（848~1556 W/cm2）和切向气流流速（0~1个马赫数）对穿孔形貌、穿孔点温度和穿孔时间的影响。结果表明：切向气流流速为0.5个马赫数（Ma）时靶材穿孔时间随功率密度的增加而减小，最大减小了46%；功率密度为848 W/cm2时穿孔时间随气流流速的增加呈先减小后增加的规律，与无气流（0 Ma）时相比，最大仅减小8%。激光功率密度的增加加速了热解气体的产生，使得孔隙压力升高，促进了靶材的剥蚀。切向空气流对作用过程的影响主要包括：降低树脂基体热解所产生的残炭含量，进而改变靶材吸收方式；产生切向剪切力，加速靶材的力学剥蚀；加速对流换热，降低靶材表面温度。当切向气流速度较小（≤0.4 Ma）时，切向气流的作用主要是促进树脂热解，降低残炭含量，转变靶材吸收方式；当切向空气流速较大（0.8~1.0 Ma）时，气流的冷却作用表现得较为明显。
激光光学 激光损伤 连续激光 玻璃纤维增强树脂基复合材料 切向空气流 穿孔效应 中国激光
2023, 50(14): 1401002
为了研究7075铝合金在激光与外载荷联合加载下的失效行为, 采用最大拉力50 kN的拉伸伺服试验机与工作波长为1070 nm的6 kW连续光纤激光系统对7075铝合金进行了不同预载荷与不同激光功率密度下的联合加载实验, 获得了该材料的拉应力-时间曲线、温度-时间曲线、失效时间-功率密度曲线、失效温度-功率密度曲线等, 分析了功率密度与预载荷对失效过程、失效温度和断裂形貌的影响。结果表明, 在相同的预载荷下, 激光功率密度的增大会导致失效时间非线性下降, 失效温度是否有较大变化取决于预载荷的大小, 当预载荷大(330 MPa, 440 MPa)时, 失效温度随功率密度增加略有升高, 预载荷较小(110 MPa,220 MPa)时, 失效温度变化规律不单调; 在相同的激光功率密度下, 预载荷增大, 失效时间减少, 功率密度较大、预载荷较小时, 失效行为变得相似; 在一定的功率密度(315 W/cm2,351 W/cm2)下, 失效温度随预载荷的增大先增大后减小。该结果进一步揭示了7075铝合金的失效机理。
激光技术 失效温度 失效时间 预载荷 7075铝合金 laser technique fracture temperature fracture time preload 7075 aluminum alloy
红外与激光工程
2022, 51(2): 20210890
不同气流速度作用下激光辐照靶材的穿孔效应不同。实验研究了亚音速气流（0~0.7 Ma）环境下，1 070 nm连续激光辐照7075铝合金的穿孔效应。对铝合金中心点温度历史、穿孔时间、穿孔孔径以及表面形貌变化进行了分析，结果表明：在相同气流速度下，随着入射激光功率密度的增加，铝合金表面温升速度加快且最终熔融层所达到的平衡温度增大；铝合金的穿孔时间呈指数减小；孔径增大速率呈指数减小。在相同激光功率密度下，随着气流速度的增加，铝合金穿孔时间总体呈先增大后减小至平稳之后再增大的趋势；熔融物移除速度和气流的冷却作用这两方面共同导致在0.1 Ma附近出现最长穿孔时间，在0.3 Ma附近出现最短穿孔时间，0.6 Ma的穿孔时间与0 Ma的穿孔时间大致相等在5.5 s左右；随着气流速度增大冷却效应增强，在0.7 Ma之后铝合金并未出现穿孔。对流冷却导致熔融物快速冷凝，被移除的熔融物集中在气流的下游区域。
连续激光 亚音速气流 温度场 穿孔效应 CW laser subsonic flow temperature field perforation effect 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210883
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 MIIT Key Laboratory of Semiconductor Microstructure and Quantum Sensing, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
The propagating of laser-generated ultrasonic waves in K9 glass was investigated. Many methods have been developed to detect the laser ultrasound since laser ultrasonic waves can be used to measure material parameters or characterize materials properties. In order to reduce the measuring time, a Mach–Zehnder interferometer, a full field measuring tool, was preferred in this paper. The ultrasonic wave was produced on the K9 glass surface by a -switched Nd:YAG laser absorbed in a liquid layer. The interferograms were then taken at various delay times by a CCD camera after single pulse induced laser ultrasonic waves. Ultrasonic waves in the K9 glass can be observed from interferogram images. The results provide an understanding of laser ultrasound propagation in K9 glass in the lifetime.
laser ultrasound K9 glass optical interferometry Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 021203
为了研究连续激光作用下层叠型碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的铺层结构对材料温度的影响, 采用有限元软件COMSOL模拟连续激光辐照5种典型层叠型CFRP的烧蚀过程。通过材料表面的温度偏差, 获得了5种典型层叠型CFRP的温度分布和演化规律; 通过对材料整体温度分布进行统计分析, 获得了材料温度均匀性随激光辐照时间的变化规律。结果表明, 由单向层叠加而成的CFRP在材料表面光斑边缘附近温度对铺层结构最为敏感, 呈非单调变化; 在5种典型的结构中45°夹角铺层结构的CFRP整体温度分布最为均匀。此研究结果有助于进一步研究激光辐照下复合材料的热力学破坏。
激光技术 温度演变 烧蚀模型 碳纤维增强环氧树脂 铺层结构 laser technique temperature evolution the ablation model carbon fiber reinforced polymer laminated structure
1 南京理工大学理学院，江苏 南京 210094
2 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
基于光声非线性混频方法检测微裂纹时，非线性声信号特性受裂纹接触状态的影响，而裂纹的接触状态受其初始宽度、壁面形貌、调制强度等因素的影响，导致检测过程中声波与微裂纹相互作用的非线性机制发生变化。因此，建立了光声非线性混频微裂纹检测的二维物理模型，利用罚函数法实现裂纹壁间的接触约束。将本模型的实验结果与现有实验结果进行对比分析，验证了本模型的适用性；研究了不同接触状态下的声信号特性，进而分析了非线性机制受裂纹接触状态变化的影响，为研究微裂纹的光声非线性检测提供了理论参考。
测量与计量 无损检测 非线性混频 罚函数法 接触状态 非线性旁瓣 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0712003
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094
非线性激光超声裂纹检测技术的核心是使用机械/光热加载的方式在裂纹上施加载荷,使裂纹实现周期性开合。针对关于这一裂纹闭合机理研究较少的问题,在加热激光辐照区域内,使用时域激光超声方法对真实微裂纹的闭合响应及裂纹闭合引起的裂纹局部塑性/弹性微观变化进行研究。通过分析各模态超声波在裂纹不同闭合状态下的峰峰值、到达时间变化,可以获得裂纹闭合的相关信息。结果表明,信号峰峰值和到达时间的变化过程与裂纹闭合出现的早晚有关,裂纹闭合出现早晚的顺序与裂纹宽度对应。
测量 激光超声 无损检测 光热调制 声表面波 中国激光
2020, 47(12): 1204006
