为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响，根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理，使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件，将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联，实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒，明确了质量损失与能量消耗的数学关系，使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响，结果表明：污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小，且减小的速率会逐渐变慢，当激光功率过大时，基材会出现损伤；污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大，但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法，并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析，得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。
激光清洗 热烧蚀 有限元分析 薄层-基底系统 动态能量守恒 laser cleaning thermal ablation FEA thin layer-base system dynamic energy conservation 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220779
中国电子科技集团公司 第二十四研究所， 重庆 400060
在DC-DC变换器变压器寄生参数模型基础上，利用有限元仿真分析方法求解变压器寄生参数。结合电路仿真分析方法，通过研究不同的变压器绕制策略，分析了不同绕组策略对变压器寄生参数，以及对电路电压应力和噪声的影响。
DC-DC变换器 变压器 FEA仿真 寄生参数 共模电容 DC-DC converter transformer FEA simulation parasitic parameter common-mode capacitance
1 中北大学 仪器与电子学院, 太原 030051
2 中北大学 南通智能光机电研究院, 南通 226000
3 中北大学 前沿交叉学科研究院, 太原 030051
针对MEMS系统中硅通孔(TSV)的热可靠性, 利用快速热处理技术(RTP)进行了温度影响的实验分析。通过有限元分析(FEA)方法得到不同温度热处理后TSV结构的变化趋势, 利用RTP对实验样品进行了不同温度的热处理实验, 使用扫描电子显微镜和光学轮廓仪表征了样品发生的变化。结果表明, 热处理后TSV中Cu柱的凸起程度与表面粗糙度均随热处理温度的升高而增加, 多次重复热处理与单次热处理的结果基本相同。该项研究为TSV应用于极端环境下MEMS小型化封装提供了一种解决方案。
硅通孔 热可靠性 快速热处理技术 有限元分析 TSV thermal reliability RTP FEA
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室, 中国科学院纳米科学卓越创新中心, 国家纳米科学中心纳米加工实验室, 北京 100190
表面增强拉曼散射(SERS)是一种无损、 高灵敏、 快速检测痕量重金属离子的光谱技术。 通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振(LSPR)与表面等离子体激元(SPP)的耦合以提升电磁场强度, 是获得高性能SERS芯片的重要新途径。 提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片。 利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、 批量制备。 该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测。 采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟, 通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计。 模拟结果表明, 纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、 低两个应力分区, 其中, 高应力区占图案~72%的面积, 其应力均匀性比单层模板提升17%; 低应力区分布在图案边缘~28%的区域, 可有效减小脱模切应力。 当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm, 界面应力整体提升1~2个数量级, 将显著提高压印成功率。 使用不同横向尺寸的单、 双层模板进行压印实验结果表明, 尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备, 这与模拟结果高度一致。 在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片。 此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10-12 mol·L-1, 增强因子达3×108, 检测均一性RSD为8.07%。 该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10-11 mol·L-1), 浓度线性工作范围为5.0×10-11~5.0×10-5 mol·L-1, 跨度达6个数量级, 呈现良好的线性关系(R2=0.966), 在目前汞离子检测技术中具有显著优势。 提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法。 这种基于光学原理芯片“结构设计-批量制备-实际应用”的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点, 推动其实际应用。
表面增强拉曼散射(SERS) 痕量检测 纳米压印(NIL) 三维纳米结构 有限元分析 Surface enhanced Raman scattering (SERS) Design and fabrication of 3D SERS chips Finite element analysis (FEA) Nanoimprint lithography (NIL) Trace detection 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3782
红外与激光工程
2021, 50(8): 20210025
Author Affiliations
Abstract
1 MOE Key Laboratory of Laser Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China
2 Institute of Laser Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China
We constructed a flexible gold-polydimethylsiloxane (gold-PDMS) nanocomposites film with controllable thickness and light transmittance, to realize optically-excited simultaneous photoacoustic (PA) and ultrasound (US) imaging under a single laser pulse irradiation. Benefiting from the excellent thermoelastic properties, the gold-PDMS film absorbs part of the incident laser energy and produces a high-intensity US, which is used to realize US imaging. Meanwhile, the partly transmitted light is used to excite samples for PA imaging. By controlling the thickness of the gold-PDMS, we can control the center frequency in the US imaging. We experimentally analyzed the frequency of the produced US signal by the gold-PDMS film and compared it with the finite element analysis (FEA) method, where the experiments agree with the FEA results. This method is demonstrated by the experiments on phantoms and a mouse model. Our work provides a cost-effective methodology for simultaneous PA and US imaging.
Photoacoustic and ultrasound imaging Gold-polydimethylsiloxane (gold-PDMS) nanocomposit finite element analysis (FEA) Journal of Innovative Optical Health Sciences
2020, 13(4): 2050012
针对红外与可见光图像融合时，易产生细节丢失、噪声抑制不佳等问题，本文提出了一种改进的滚动引导滤波融合算法。该算法充分利用了滚动引导滤波边缘和局部亮度保持特性，在通过均值滤波将输入图像分解为基础层与细节层的基础上，结合滚动引导滤波与高斯滤波获取输入图像的显著图，利用不同尺度参数的引导滤波对显著图优化得到权重图，将权重图作为权重分别指导基础层与细节层的融合，最后联合融合后的子图重构得到融合图像。针对 3类测试数据进行的融合实验表明，与非下采样轮廓波变换、基于引导滤波、基于显著性检测的两个尺度的图像融合等经典方法相比，本文方法得到的融合图像不但从主观视觉效果上细节信息更丰富、目标对比度加强，并且在非线性相关信息熵、相位一致性等 6项客观评价指标上均具有较好的效果。
滚动引导滤波 显著图 图像融合 权重图 the rolling guidance filter(RGF), the saliency fea
提出利用数字剪切散斑干涉技术对复合材料层压板缺陷进行检测, 搭建了实验系统和仿真系统, 通过与X光探伤技术及超声C扫的检测结果进行了对比, 证明了所提出方法有效性; 通过对不同曲率层压板的实验结果进行分析, 证明了所提出方法的有效性。此外, 本文还提出了相对形变相位阈值作为检测缺陷是否有效的判断标准, 并根据此标准推测不同温度加载条件下的缺陷检测能力, 为数字剪切散斑技术应用于复合材料缺陷检测加载参数设置提供参考。
数字剪切散斑 复合材料层压板 曲面壳 有限元分析 缺陷检测 laser shear speckle interferometry carbon composite laminates curved shell FEA method defect detection
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 100033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为研究人体红外热成像和体内肿瘤热源的关联, 本文构建了包括骨层、肌肉层、脂肪层、皮肤层的人体腿部有限元模型。根据体内温度沿径向分布的特点, 给出了各区域内动脉血液灌注热生成率随径向坐标变化的情况, 解决了有限元建模中动脉血灌注热生成率随温度变化的非线性问题。进而用有限元方法数值计算了不同尺寸和不同深度的体内肿瘤所带来的温度变化。结果表明: 在所研究的肿瘤尺寸范围内, 肿瘤尺寸越小, 体内温度提升越高,体表的峰值温度越高, 体表温度分布半峰宽越窄, 温度变化越陡峭。对于特定尺寸的肿瘤, 肿瘤越深, 体内峰值温度越高,体表的峰值温度越低, 体表温度分布半峰宽越宽, 温度变化越平缓。
有限元分析 红外光学 热传导分析 红外医学成像 finite element analysis(FEA) infrared optics heat transfer analysis infrared medical imaging
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191
对光子晶体光纤的端面研磨过程进行研究， 讨论了光子晶体光纤端面研磨损伤的特点。针对光子晶体光纤的结构特点，应用有限元法建立了数值仿真模型。通过单一磨粒切削孔壁的仿真实验， 分析了不同切削深度下裂纹损伤的产生情况以及不同磨粒直径对光纤孔壁结构造成的损伤。最后通过实际研磨实验验证了分析结果。结果表明: 有限元法能够很好地模拟光子晶体光纤的端面研磨过程; 研磨过程中，相对于非孔洞区域，孔壁边缘更容易出现损伤，呈现出沿圆周分布的崩塌区域; 边缘崩塌区域尺寸随磨粒直径的增加而增加。实验用光子晶体光纤孔壁边缘无崩塌的最大切削深度低于普通光纤脆塑转变的临界切削深度，使用0.02 μm的砂纸进行抛光可以有效地避免对光子晶体光纤孔壁造成损伤。
光子晶体光纤 光纤端面 研磨损伤 有限元分析 photonic crystal fiber fiber end face lap damage FEA 光学 精密工程
2017, 25(11): 2895
