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造波:检测透明材料损伤的非接触方式

科技创新 时间:2021-09-30 09:00:18

透明材料已成为各种技术应用的重要组成部分,从平板电脑和智能手机等日常电子产品,到太阳能电池板、医药和光学的更复杂用途。正如任何其他大规模生产的产品一样,这些材料的质量控制也很重要,已经开发了几种检测微观划痕或缺陷的技术。

扫描材料损伤的一种有吸引力的方法是使用“兰姆波”。兰姆波以英国数学家贺拉斯·兰姆爵士的名字命名,这是固体板在适当的机械激励下产生的弹性波。由于兰姆波的传播受到表面损伤(如划痕)的影响,因此可以利用兰姆波确保扫描材料没有缺陷。不幸的是,兰姆波在透明材料上的产生和后续测量并不简单。

虽然存在以非接触方式产生兰姆波的基于激光的技术,但需要仔细校准每种材料的激光参数,以避免造成损坏。此外,现有方法不能产生足够振幅的兰姆波;因此,必须进行重复测量并取平均值,以获得可靠的数据,这非常耗时。至于测量产生的兰姆波,没有任何现有技术能够快速检测并使用它们在透明表面上寻找亚毫米级损伤。

为了解决这些问题,由Shibaura理工学院的Naoki Hosoya教授和日本Photron有限公司的Takashi Onuma领导的一个研究小组开发了一种新的框架,用于在透明材料中产生和检测“S0模式”(零阶对称模式)兰姆波。他们的方法发表在最近在线出版的《光学与激光工程》杂志上。

首先,研究小组必须找到一种方便的技术,在不损坏样品的情况下产生兰姆波。为此,他们利用了一种方法,这种方法已经成功地应用于以非接触方式产生机械振动的其他努力中:激光诱导等离子体(LIP)冲击波。简单地说,LIP可以通过将高能激光束聚焦在微小体积的气体上产生。激光的能量激发气体分子并使其电离,在材料表面附近形成一个不稳定的“等离子体气泡”。Hosoya教授解释说:“等离子体气泡以超高速膨胀到周围,产生冲击波,作为激发力在目标结构上产生兰姆波。”。

接下来,研究人员需要测量产生的波。他们通过使用高速偏振照相机实现了这一点,顾名思义,它可以捕捉穿过透明样品的光的偏振。这种极化包含与材料的机械应力分布直接相关的信息,而机械应力分布又反映了兰姆波的传播。

为了测试他们的策略,研究小组在几块平坦透明的聚碳酸酯板上制造了微观划痕,并比较了兰姆波在受损和原始样品上的传播。正如预期的那样,当波在受损区域传播时,划痕导致板的应力分布出现明显差异,通过检测仅测量几十微米的划痕证明了这种新方法的潜力。

虽然研究结果令人振奋,但有必要进行进一步的研究,以更深入地了解他们的战略及其局限性。Hosoya教授说:“作为未来工作的一部分,需要验证损伤大小或类型、相机镜头放大率以及透明样品的特性对我们方法的可检测缺陷大小限制的影响。”

希望这种巧妙的非接触、非破坏性损伤检测方案将有助于降低高质量透明材料的生产成本。

标签: #科技创新

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