激光检测技术

激光检测技术（精选12篇）

激光检测技术 篇1

光漂白法制备聚合物光子器件技术研究

关键词:聚合物光漂白光子器件

项目简介:该项目研究了氧对聚合物薄膜光漂白过程的影响;用单光束扫描法、双光束扫描法及非扫描衰减全反射探测法研究光漂白过程对聚合物非线性光学性质的影响及折射率和热光系数等参数的变化;建立了Poly-3BCMU薄膜光漂白机理及过程的理论模型;利用光漂白技术制备出聚合物光波导器件;研究了偶氮有机聚合物、多孔硅复合薄膜的非线性光学性质和制备技术。

该成果解决了光漂白过程对聚合物非线性光学性质的影响及折射率和热光系数等参数测量方法中存在的技术难点, 为今后制备各类实用化的光器件开辟了新途径, 应用前景十分广阔。

X射线扫描式CCD直接数字成像技术研究

关键词:X射线CCD直接数字成像

项目简介:该项目在国内外现有技术基础上, 利用材料科学和微电子技术最新研究成果, 综合运用了新材料、精密加工、集成电路和图像数据采集、软件工程等一系列先进技术, 研制开发出新一代新型射线探测器及基本成像系统, 达到高成像质量、低检测成本、应用范围广等优点, 实现了检测图像的数字化及动态实时检测, 代替传统的X射线胶片照相法和X射线工业电视法, 并且拓展了X射线无损检测的应用领域。

双波段红外探测器组件

关键词:红外探测器双波段红外探测器

项目简介:双波段红外探测组件可为武器系统配套, 亦可提供民用。该线件由带调制盘的1.0-3.0UM响应的PBS探测器和3.5-7UM响应的低温光道INSB深测器以及精密结构件、快速启动微型J-T制冷器等组成。

低温光伏锑化铟红外探测器组件

关键词:红外探测器低温光伏器件锑化铟探测器

项目简介:该组件是由红外带通滤光片, 光伏锑化铟红外探测器芯片、精密结构件, 微型J-T制冷器等部件组装而成的具有红外光电转换功能的组件。主要用于红外被动寻的、红外热像仪等。其作用是探测目标的微小红外辐射, 并把它转变成信输出。

兰紫色氦-镉激光器

关键词:气体激光器金属蒸汽激光器零族元素

项目简介:该器件是以金属镉蒸汽及隋气体氦为工作物质的气体激光器, 它可近紫外光区可产生波长为441.6MM的兰色连续激光, 其输出激光功率可高达100MW以上, 紫外光区域可产生325NM的激光, 还可见光区产生绿色, 红色激光, 并可合成准白色激光。

该器件设计先进, 造形美观, 性能稳定。使用方便。具有广泛的应用前景。在光化分析, 全息摄像, 艺术全息, 拉曼光谱以及防伪商标的制作和激光医院中癌病变的早期诊断等方面有着独特的应用价值, 经国内专家技术鉴定认为:该激光器制作工艺先进, 具有创新性, 其国内专家技术, 先进水平, 超过了进口美、日的同类器件, 居国内领先地位。

光波导薄膜溶胶-凝胶制备及微细图形化技术研究

关键词:薄膜光波导薄膜薄膜制备集成光电器件溶胶凝胶法

项目简介:薄膜的微细图形化技术是溶胶-凝胶法在集成光电器件直接的关键技术之一。该课题申请人于1994年参加日本Kinki大学N.Tohge教授的课题组, 在Al2O3及Al2O3-SiO2薄膜制备及微细图形化方面作过大量研究工作, 并制备出线密度达到1000条线/mm的Al2O3的薄膜光栅。1999年回国后在有关部门资助下对SiO2薄膜的制备及微细图形化作了大量的工作, 研制成功感光性SiO2凝胶, 从而实现了用光对SiO2薄膜的微细加工。2001年起和中科院半导体研究所合作探讨这一技术在光波导器件上的应用, 现已制备出厚度达5μm的波导光栅, 已接近实用化, 这一技术在定向光束耦合器件、功率分束器件及WDM系统中有重要应用。

LS-9210S型He-NE激光器开关电源

关键词:激光器开关电源开关电源直流稳流电源

项目简介:LS-9210型电源是一种PWM直流稳流电源, 采用进口专用单片IC作为控制电路, 高频功率变换器。具有体积小、动态响应快和可靠高的优点。该电源具有控制方便、输出电流调节范围宽、保护功能齐全、源效应和负载效应好的特点。适用于1-10mW级的He-NE激光器。

激光加工系列机床产品

关键词:机床激光加工

项目简介:30W-500WC02激光器。复合型高新技术, 科技含量高, 寿命长, 多轴联动数控。30W-3000W不同规格系列激光加工机床及与之配套的智能化检测仪器及设备。

项目针对各种金属及非金属材料进行切割、打孔、雕刻、焊接热处理、涂镀、烧铸等多维轮廓快速成型。系列激光加工机床, 成本低、功能强。操作维修方便, 已有几种样机被列为陕西省重大技术创新项目。

旋转式激光扫描器

关键词:旋转式激光扫描器激光照排机

项目简介:该项产品是以激光照排机为应用目标进行研制工作, 也可以用于其它高精度光学扫描类仪器。其主要创新点是用气体动压轴承替代球轴承作为精密支撑元件, 实现轴系气浮工作, 显著地提高扫描器的工作速度、精度等性能指标;气体动压轴承采用球面结构, 用先进的理论设计, 具有工作可靠性高、支撑刚度和自定心的显著特点;扫描器总体结构紧凑、环境特性好, 输出信号与主机匹配, 具有完全自主知识产权。

印刷线路板激光钻孔装置

关键词:激光印刷线路板钻孔装置

项目简介:用于印刷线路板钻孔的激光加工装置由激光庇振腔内安置的内腔调制元件, 通过脉冲调制电源与计算机相接, 激光器输出端与光束传输单元相连, 在激光束轴线上依次安置折返镜、聚焦镜、带保护镜片和进气孔的接头, 接头下面固定喷气保护单元, 对应聚焦镜的下方固定一二维工作平台, 折返镜上方固定成象监视单元, 该装置由计算机与激光器、成象监视单元、二维工作平台的电机相连组成。

波分复用全光纤声光器件研究

关键词:全光纤声光器件波分复用多通道声表面波

项目简介:全光纤声光器件把超声波引入光纤, 与光纤中光导波相互作用, 采用外调制避免了耦合损耗、精密定位和噪声引入等, 具有体积小、带宽大、效率高、兼容性好等优点。

该项目创建了多频声波与光纤中的光波相互作用的耦合波方程;研制出全光纤声光器件并开拓研制出新型波分复用多通道全光纤声光调制器, 进行了全光纤光强调制和相干调制及解调实验;进行了光纤光栅分布式传感的理论和实验研究, 实现了分布式光纤光栅阵列对建筑结构的应变和温度检测。研制出普通单模光纤构成的多通道全光纤声光器件, 易与传输光纤连接, 并可实现多路并行调制, 具有重要的实用意义。

氧化锌紫外光电探测器器件制备技术

关键词:氧化锌光电探测器紫外光光电器件生产工艺

项目简介:该氧化锌紫外光电探测器器件制备技术包括以下步骤:1) 在氧化锌薄膜表面旋涂一层光刻胶, 一次光刻刻出电极图形, 除电极图形外, 其余部分仍覆盖光刻胶涂层;2) 用磁控溅射法在氧化锌薄膜表面沉积金属层, 使金属层的厚度小于光刻胶涂层的厚度;3) 将覆盖了金属层的氧化锌薄膜放到可溶解光刻胶的丙酮溶液中进行超声清洗, 洗去光刻胶及沉积在光刻胶表面的金属层;4) 在保护气氛下退火, 去除电极表面有机沾污、提高欧姆接触特性。该技术与传统的化学湿法腐蚀法相比, 可以有效防止由于ZnO表面被腐蚀而使器件性能变差。

半导体泵浦激光器

关键词:泵浦半导体泵浦半导体激光器放大器

项目简介:半导体808激光器作泵浦源、YVO2晶体作激光晶体, 再出KTP晶体作腔内倍频, 产生332nm绿激光。YVO2晶体对808nm激光具有很高的吸收系数和较高的吸收带宽。使用YVO2可以制成无温控的中小型绿激光器, 结构简单, 转换效率高, 寿命长, 同时利用选膜技术可以提高出光的稳定性。采用半导体制冷温控技术, 可以进一步提高其出光的稳定性。目前已经过中试, 可以进行小批量生产。

长波长激光器制作技术

关键词:长波长分布反馈激光器固体激光器光纤器件

项目简介:长波长分布反馈 (DFB) 激光器为采用超薄层纳米级应变多量子阱材料和内光栅增益耦合设计开发出的短腔长、单纵模、窄线宽、高速光发射器件。主要技术指标:波长:1.3μm系列1280-1330nm, 1.55μm系列1530-1570nm;调制速率:155Mb/s, 622Mb/s, 1.5Gb/s, 2.5Gb/s;阈值电流Ith:20mA;出纤功率:1.0mW, 2.0 mW;边模拟制比:30dB;-3dB静态线宽:20MHz。应用范围:该品在光纤通信、密集波分复用以及在光纤陀螺系统中作为高保真长距离信息传输光源具有很广的用途。

市场前景及经济效益分析:国内本身潜伏着巨大的市场, 批量投入后的经济效益应十分可观。随着光纤通信新建网的建立和发展、原有通信网的不断扩容、升级改造以及边远山区和西部开发提供的巨大商机, 尤其是中国军工、国防信道的开发, 对国产化高速DFB激光器的需求将持续扩大, 市场前景广阔。对投资者和投资环境的要求:投资者对光电子行业要有一般性的了解, 是市场的主要开拓者。

垂直腔面发射激光器光接受模块

关键词:垂直腔面发射激光器面发射激光器光接受固体激光器

项目简介:该成果目前该项目已实现了低阈值GaAs垂直腔面发射激光器室温连续激射, 具有国内领先水平, 并已研制出2×3、1×10VCSEL集成列阵。主要技术指标:工作波长:0.85μm信道传输速率:155Mb/s, 622Mb/s, 1250Mb/s, 2500Mb/s;阈值电压:≤1.5V;阈值电流:≤3mA;工作电流:≤10mA输出功率:2mW带宽:>4GHz。

应用范围:垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 列阵光接受发射模块具有高速大容量并行处理功能。充分利用了微电子电路的逻辑控制多功能性、相当成熟的大规模集成技术和光电子集成器件的高密度并行操作、高速度光输出能力。由该模块构成的光互连、光交换系统将在计算技术和光通信、光网络技术、ATM光交换系统中有广泛的应用。

TO激光器模块生产技术

关键词:激光器激光器模块TO封装光通信光纤器件

项目简介:全金属化耦合封装622Mb/s, 2.5Gb/sTO激光器, 器件的性能指标达到相应光通信系统要求。所采用的激光器芯片的频率响应位6GHz。TO激光器的频率响应超过5GHz。出纤功率大于1.5mW。利用现有实验室设备可进行小批量试制。应用范围:在光纤传输设备重, 光发射和接受模块占设备材料成本的20%左右。

该技术可实现低成本的高速光电子器件及模块, 提高产品的市场竞争力。市场前景及经济效益分析:该项目产品属光纤通信网络的关键器件之一, 体积小, 功能强, 技术附加值高, 满足光纤通信领域日益增长的市场需求。发达国家已有商品化的2.5Gb/s、10Gb/s的光发射和接受器件。但国内虽有几家单位一直进行相关技术的研究, 由于技术难度高, 均未有进一步开展批量生产的计划。

该项目开发的高速低成本TO封装激光器为代表的光电子器件, 可填补国内该类产品批量生产的空白, 打破国外对中国的技术封锁和垄断。对投资者和投资环境的要求:它使项目产品达到批量生产, 尚需完成批量生产工艺研究, 购置规模化生产设备;信息产业的发展非常快, 必要而充足的资金投入才能保证, 研发和生产在计划的时间内顺利实施;产品本身和生产过程对环境无污染, 但要求较高的超净环境。

超短脉冲数字全息术及在激光微加工中应用

关键词:激光微加工数字全息术超短脉冲飞秒脉冲

项目简介:该项目研究采用脉冲数字全息术实现对飞秒激光微小加工进行实时记录和三维显示的技术和实验系统。其中根据CCD的结构, 提出了一种立体角分复用的记录方法;设计并建立了可记录飞秒级超快瞬态过程的立体角分复用和波分复用脉冲数字显微全息系统;采用该系统, 实现了物光拍摄角度不变的曝光时间为50飞秒, 拍摄间隔可在100飞秒至500飞秒间连续可调的多幅强度和位相的空间尺度为微米数量级的显微图像, 为激光微加工过程, 提供了参考数据。此外, 还研究了利用飞秒激光的短相干的特点提高数字全息的空间分辨率的技术, 设计了无透镜傅里叶变换短相干光源数字全息分层记录系统。

激光冲击成形与强化关键技术研究

关键词:冲击波激光冲击成形制造

项目简介:该项目原创性提出激光冲击成形的概念, 即利用高功率密度、短脉冲的强激光冲击金属板料表面的能量转换体, 使光能转变为冲击波机械能, 高达数GPa的冲击波压力使板材发生宏观塑性变形, 通过冲击轨迹的规划实现工件宏观复杂三维形状的半模/无模成形。通过系统的工艺研究, 首次实现了难成形钛合金板料的小曲率激光冲击成形。当冲击能量密度仅使材料表层发生微观塑性变形时, 体现为冲击强化功能, 此时可显著改善零件的机械性能。

激光湍流火焰三维结构探测器

关键词:激光湍流火焰三维结构探测器诱导荧光

项目简介:该仪器的实质是用于测量火焰的平面激光诱导荧光 (PLIF) , 其探测火焰组分场的基本原理是用片状激光束穿越火焰, 流场中痕量组分的分子 (如OH、CH、NO、CO等) 在激光的作用下发生内部能态变化, 发出非弹性散射光谱, 特定谱线上散射光的强度与组分的摩尔浓度相关, 探测散射光强度可以得到截面内的组分浓度场。PLIF系统集成了激光、光电子、几何光学、数字图像采集和处理、燃烧学等领域的知识和硬件设备, 具有高灵敏度, 高信噪比, 高时间、空间分辨率, PLIF能够精确探测火焰中关键性组分的瞬时浓度场、化学反应区的位置、燃料-空气的掺混过程, 是现代燃烧学研究的主流测试手段。

全固态准连续绿光激光器

关键词:全固态高功率绿光激光器半导体激光泵浦

项目简介:该项目成功开发的“半导体激光泵浦的高功率全固态准连续绿光激光器”属于光电子技术领域新技术类, 拥有自主知识产权、专利, 是“国家中长期科学和技术发展规划纲要”确定的国家重点开发领域。该型激光器采用了半导体激光泵浦N d:YAG双棒串接、HGTR-K T P晶体倍频、双声光调Q等自主创新技术, 输出功率 (>185W) 、光-光转化效率 (>64%) 、不稳定性 (<1.3%) 、光束质量 (TEM00) 等主要技术指标均达到国内领先、国际先进水平。与传统气体、液体、灯泵激光器相比, 能源转换效率提高10倍, 寿命提高100倍, 体积减小10倍, 可靠性提高10倍, 并具有绿色环保的优点。2004～2006年, 该项目陆续通过了陕西省科技厅成果鉴定和省计量测试研究院技术测试。

全固态倍频拉曼激光器

关键词:固体拉曼激光器黄光激光器

项目简介:该项目采用激光二极管侧面抽运Nd:YAG晶体产生1064nm激光, 由BaWO4对基频光进行拉曼转换, 用KTP晶体对拉曼激光进行腔内倍频转换, 获得590.43nm黄光激光最大平均输出功率为3.10W, 典型平均输出功率为2.82W, 2小时不稳定性为0.5%, 光束质量M2因子为1.68, 脉冲重复率为10kHz, 脉冲宽度为31ns。该激光光源在激光医疗、军事、气象、光谱学、信息存储、激光雷达等领域有广泛的应用。

凝聚原子的混沌运动及其控制

关键词:混沌原子激光玻色-爱因斯坦凝聚

项目简介:该项目提出了基于微扰通解和Melnikov判据的混沌分析和控制方法, 研究了BEC系统时间演化的混沌特征及其与各种宏观量子效应的关系, 发现了系统从规则运动进入混沌的规律;发现了谐振子的多波包相干态, 并用以揭示了囚禁BEC的孤子运动特征, 得到与Nature上报道的BEC孤子传播实验一致的理论结果;首次将著名的O t tGrebogi-Yorker混沌控制方法用于强光格中B E C空间分布的混沌控制问题, 采用激光脉冲作控制信号, 将混沌分布的B E C控制到具有周期结构, 从而在理论上提供了一种可控的原子激光源。

激光相变强化工艺及装备研究与应用

关键词:激光强化相变

项目简介:该项目在以往对材料的LTH影响层的温度场及各微区冷却速度分布的研究基础上对LTH影响层的梯度组织特征进行了深入研究。研制成功以Ti的氧化物等混合氧化物为骨料的吸光涂料, 近年来又进一步研制成功以纳米氧化物为骨料的对二氧化碳激光吸收率高达93.57%的吸光涂料。以LTH处理后材料耐磨性研究为工程应用研究的突破口, 得到了明确的LTH工艺可大幅提高材料耐磨性的结果。以计算机控制的激光加工机床及相关软件开发为LTH工艺与激光处理装备集成的纽带, 研制成功JRX200-1型激光强化处理机, 搭建了LTH工艺的工程应用平台。

Nd:YAG脉冲激光焊波形可控电源

关键词:激光焊脉冲波型智能电源

项目简介:该成果研制的新型Nd:YAG脉冲激光器, 可通过良好的人机界面任意设置放电脉冲波形。通过对不同材料特性的分析和相应的工艺试验, 可以找出恰当波形, 提高焊接质量。激光器采用全数字化控制技术, 人机界面友好, 可方便的实现各项参数的设定, 放电波形0.1ms连续可置。新型激光器采用先进的软开关电源技术, 包括升压控制、电流控制、脉冲输出反馈控制等部分。电源控制系统采用高速单片机实现智能控制, 可方便的实现各项参数的设定, 获得稳定的脉冲能量输出, 并对脉冲氙进行实时保护。激光器采用全数字化控制技术, 放电波形0.1ms连续可置。在波形控制方式下, 激光器输出功率可达400W, 单脉冲能量60J。

投影电视实用化效果演示样机研制

关键词:激光彩色投影电视

项目简介:该项目针对超大屏幕激光电视的商用化研究了适合激光显示用的高光效光学引擎, 高光效、低成本激光消干涉及光场匀化系统, 多光束同频激光高效耦合技术, 实时色域映射与色域扩展技术 (硬件实时处理芯片) , 激光电视整机结构的轻量化、小型化, 产品标准及生产工艺。

项目研究了高精度三色图像合成与成像系统, 低成本、长寿命消干涉匀光系统, 多光束同频激光耦合技术, 兼容模拟、数字、高清信号的激光视频处理系统, 提出并采用实时色域映射与色域扩展技术、匀光器消干涉技术、多束激光耦合技术。

多重三维激光扫描在山海关长城中应用

关键词:激光雷达激光扫描数字长城

项目简介:该技术采用机载激光雷达航测时, 同时使用高分辨率数码相机进行同步正投影拍照, 由机载和地面的全球定位系统确定每一瞬间激光雷达和数码相机所在的空间水平位置;利用机载二维激光雷达和地面三维激光雷达, 结合高分辨率的数码相机, 从空中和地上对山海关的老龙头长城段进行精细的三维数字扫描试验, 快速生成建筑物的三维和二维CAD图, 三维模型图。该技术集合创新程度高, 有着广泛的推广应用价值, 为测绘在数字城市、数字区域建设提供新的高科技手段, 为应用部门推出新的数字平台, 具有广阔的推广前景。

经尿道电切与钬激光联合治疗重度BPH

关键词:钬激光电切重度BPH前列腺;

项目简介:用电切环代替作钬激光时必须用的进口组织粉碎器, 不但降低了费用, 还解决了中国人尿道直径相对较细, F26～27镜鞘不容易顺利进入膀胱和易损伤尿道的问题。利用钬激光术中视野清楚、凝固止血可靠等特点, 利用电切术修整腺窝快速随意的优点, 在保持手术连续性的前提下钬激光-电切-钬激光反复进行操作, 使手术操作几乎在无血视野下, 出血和水吸收现象较少, 因而高龄患者手术无电磁场效应及水中毒的发生。

城域网半导体激光器

关键词:半导体激光器低成本城域网

项目简介:该课题主要针对城域网用高速、低成本半导体激光器芯片目标产品进行科研攻关。总体目标是研制出2.5Gb/s速率的FP及DFB激光器芯片, 以及速率达10Gb/s的FP和DFB激光器芯片系列产品;全面掌握高速、低成本半导体激光器芯片的关键工艺和技术;解决半导体激光器芯片产品的规模化生产的工艺技术难题, 形成批量生产能力。通过该项目的实施, 按时全面完成了课题计划任务。研制出了具有自主知识产权的2.5Gb/s速率的FP及DFB激光器芯片, 以及速率达10Gb/s的FP和DFB激光器芯片系列产品, 产品各项技术指标均达到或超过计划指标, 达到国际先进水平。

高效黑液提取机

北京捷水科技有限责任公司用两年时间, 自主研发完成了高效黑液提取机工业化样机研制与调试, 其研发的高效黑液提取机技术全自动控制, 效果显著。

2008年6月11日, 该技术通过中国环保产业协会水污染治理委员会专家评审。专家认为:“设备结构简单, 能耗低。利用气囊充入压缩空气挤压浆料提取黑液采用新技术。综合评价各项指标, 技术先进, 符合国家节能减排政策。”

黑液提取实质是固液分离, 固液分离效果取决于固液分离作用力大小与作用时间。

该专利设备采用压缩空气作为固液分离的动力, 中空囊内压缩空气的压力越大, 固液分离作用力就越强;因此, 当中空囊内气压达到5个大气压时, 专利设备的固液分离作用力就远远超过现有设备固液分离作用力。专利设备采用间歇式操作, 中空囊的保压时间可以随意调节, 作用时间也大大超过现有设备作用时间。

现场试验结果表明, 在碱法麦草化学浆进浆浓度2%—3%, 压力0.7Mpa—0.8Mpa时, 单机设备黑液固形物提取率为56%—71%, 比真空转鼓三段串联黑液提取率高。

国内外现有用于草类制浆黑液提取设备主要分为两类。一类是高浓进浆的挤浆机, 如螺旋挤浆机, 主要具有挤压过滤提取黑液的功能;另一类是低浓进浆的洗浆机, 如鼓式真空洗浆机, 主要具有扩散、置换洗涤提取黑液的功能。高效黑液提取机既完全具有现有多种型式挤浆机挤压过滤的功能, 更具有鼓式真空洗浆机良好的扩散洗涤功能。该机集现有两大类黑液提取设备的主要优点于一身, 其黑液提取效果优于国内外同类设备;是制浆企业节水减排的首选利器。

摘要：“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词, 在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年, 钱学森院士提议取名为“激光”, 既反映了“受激辐射”的科学内涵, 又表明它是一种很强烈的新光源, 贴切、传神而简洁, 得到我国科学界一致认同并沿用至今。从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今, 在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下, 我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域, 并在产业化上取得可喜进步, 为我国科学技术、国民经济和国防建设做出了积极贡献, 在国际上也争得了一席之地。

激光检测技术 篇2

一、技术概述

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：

1．激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

2．激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。

二、现状及国内外发展趋势

作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。

激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据1997~1998年的最新激光市场评述和预测，1997年全世界总激光器市场销售额达32.2亿美元，比1996年增长14％，其中材料加工为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19％，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加工预计超过10亿美元，医用激光器是国外第二大应用。

激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70％和20％，表面处理则不到10％。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50％）和切割（15％）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80％。我国激光加工中以切割为主的占10％，其中98％以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范围内，而以热处理为主的约占15％，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。

在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。

到了80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。

目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达30~50kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。

目前激光加工技术研究开发的重点可归纳为：

－－新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；

－－精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6％，1997年翻了一倍达12％，1998年已增加到19％；

－－加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。

激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。

存在的主要问题：

－－科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；

－－激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。

－－对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。

－－激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。

三、“十五”目标及主要研究内容

1．目标

“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。

2．主要研究内容

（1）激光加工用大功率CO2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，提高国产机水平；同时开发和研制专用配套的激光加工机床，提高激光器产品在生产线上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器的生产基地。

（2）建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。

（3）激光切割技术研究。对现有的激光切割系统进行二次开发和产业化，提供性能好、价格便宜的2－3轴数控CO2切割机，并开展相应的切割工艺的研究，使该工艺广泛用于材料加工、汽车、航天及造船等领域。为此应着重在激光器外围装置，如：导光系统、过程监测和控制、喷咀、浮动装置的设计和研制以及CAD／CAM等方面开展工作。

（4）激光焊接技术研究。开展激光焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。

（5）激光表面处理技术研究。开展维CAD／CAM技术、激光表面处理工艺、材料性能及激光表面处理工艺参数监测和控制研究，使激光表面处理工艺能较大幅度的应用于生产。

（6）激光加工光束质量及加工外围装置研究。研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术，光学系统及加工头设计和研制。

激光探测系统接口技术 篇3

关键词：激光探测；接口

1引言

激光具有波长单一和良好的方向性，所以和传统的探测方法相比，激光探测具有精度高，抗干扰能力强等特点，在激光测距、激光雷达、激光告警、激光制导、目标识别等军事领域，都得到了广泛应用。针对不同武器系统的需求，激光探测系统接口呈现出多样性。

近年来，随着应用需求和集成化度的增加，激光探测系内部、激光探测系统和各武器平台之间集成了不同厂商的硬件设备、数据平台、网络协议等，由此带来的异构性给探测系统的互操作性、兼容性及平滑升级能力带来了问题。

对激光探测系统而言，接口技术的设计是整个系统集成的关键技术。一个激光探测系统的设计、实施，有很大的工作量是在接口的处理上，好的接口设计可以提高系统的稳定性、运行效率、升级能力等，本文以激光探测系统接口技术为研究对象，着重分析其接口技术类型、设计考虑因素和验证方法。

2激光探测系统几种主要接口技术

接口是多要素或多系统之间的公共边界部分，对激光探测系统的接口包括机械接口、电气接口、电子接口、软件接口等，本文着重讨论电子接口。按物理电气特性划分，常用的激光探测系统接口类型可分为以下几类：

1TTL电平接口：最通用的接口类型，常用做系统内及系统间接口信号标准。驱动能力一般为几毫安到几十毫安，在激光探测系统中主要应用是作为长距离的总线数据和控制信号的传输

2CMOS电平接口：速度范围与TTL相仿，驱动能力要弱一些。

3ECL电平接口：为高速电气接口，速率可达几百兆，但相应功耗较大，电磁辐射与干扰与较大。

4LVDS电平接口：在标准中推荐的最大操作速率是655Mbps，电流驱动模式，信号的噪声和EMI都较小。

5GTL接口电平：低电压，低摆幅，常用作背板总线型信号的传输，虽然使用频率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比较陡，特别是对沿敏感的信号，如时钟信号。

6RS-232电平接口：为低速串行通信接口标准，电平为±12V，用于DTE与DCE之间的连接。RS-232接口采用不平衡传输方式，收、发端的数据信号是相对于信号地的电平而言，其共模抑制能力低，传输距离近，多用于点对点接口通讯。

7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式传输，采用差分方式，使其在通讯速率、抗干扰性和传输距离较RS-232接口有较大改善。多用于多点接口通迅。RS485电平接口可驱动32个负载，忍受-7V到12V共模干扰。

9光隔离接口：能实现电气隔离，更高速率的器件价格较昂贵。

10线圈耦合接口：电气隔离特性好，但允许信号带宽有限

11以太网：经常采用的是10Base-T和100Base-T两种主流标准，主要应用激光探测系统和分系统之间的接口通讯和数据传输。以太网接口具有性价比高、数据传输速率高、资源共享能力强和广泛的技术支持等众多优点。

12USB接口：USB总线接口是一种基于令牌的接口，USB主控制器广播令牌，总线上的设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过发送和接收数据对主机作出响应，其最大的优点是安装配置简单。

3激光探测系统接口方案设计考虑因素

随着大规模数字处理芯片和高速接口芯片的迅猛发展，激光探测系统也呈现出智能化、小型化、模块化的趋势。在激光探测系统中，信息接口的设计逐渐向标准化、网络化、多节点、高速等方向展

3.1接口信号传输中的干扰噪声

3.1.1接口信号传输中的主要干扰形式

a)串模干扰：杂散信号通过感应和辐射的方式进入接口信道的干扰。串模干扰的产生原因主要是传输中插件等所产生的接触电势、热电势等噪声引起的。

b) 共模干扰：干扰同时作用在两根信号往返线上，而且幅指相同。共模干扰产生的原因，主要是传输线路较长，在发送端和接收端之间存在着接地的电位差。

3.1.2接口信号传输中的抗干扰措施

a)传输线的选择

为了抑制由于杂散电磁场通过电磁感应和静电感应进入信道的干扰，接口传输线应尽量选用双绞线和屏蔽线，并将屏蔽层接地，而且屏蔽层的接地要于激光探测系统一端浮地的结构形式配合，不要将屏蔽线层当作信号线和公用线。

b)传输线的平衡和匹配

采用平衡电路和平衡传输结构是抑制共模干扰的有力措施。目前广泛使用的是差分式平衢性线电路，例如RS-422/RS-485标准串口电路。

接口信号传输时还要考虑与传输线特性阻抗的匹配问题。一般长线传输的驱动器接收器都适用于驱动特性阻抗为50Ω—150Ω的同轴电缆和双绞线，一般接口接收器的输入阻抗要比传输线的特性阻抗大，因此要设法将两者匹配，最好将发送端和接收端匹配。

控制信号线的具体配置：控制信号线要和强电、数据总线、地址总线分开，尽量选用双绞线和屏蔽线，并将屏蔽层接地。

c)隔离技术：电位隔离是常用的抗干扰方法，接口信号采用光电隔离和电磁隔离可以切断接口内外线路的电气连接，从而减弱露流、地阻抗耦合等传导性干扰的影响。

3.2接口硬件的选择原则：

3.2.1为各类接口选择合适的总线接口芯片、接口总线，并设计具体的接口电路。

3.2.3选择接口芯片时应根据激光探测系统CPU/MPU类型，总线类型／宽度和系统所完成的功能并按照高效、经济、可靠，方便、简单的原则来确定。

3.2.4设计具体的接口电路应具体考虑电源问题

3.2.5数据／命令的锁存和驱动

激光探测系统内部及激光探测系统和其他系统间实施数据／命令传输时，一般采用数据锁存技术来适应双方读写的时间要求。

3.3接口的实时性

由于激光探测系统对数据处理和传输的实时性要求很高，设计时要使时钟抖动、通道间时延、工作周期失真以及系统噪声最小化，所以设计接口时尽量选用高通讯速率和同步工作方式。

接口软件的设计原则

同步通讯系统软件设计要充分考虑数据流量的控制，最好在数据发送方发送数据时每隔一段时间插入一段空闲时间，从而保证数据同步传输的可靠性。

异步通讯系统软件设计要充分考虑合理的数据校验方式，可以根据系统要求选择冗余校验、校验和、冗余校验的方法。

4激光探测系统接口方案设计验证

构建高速有效的激光探测系统接口是非常有挑战性的，并且设计者需要在设计接口前后就考虑多个因素，详细的系统级的验证都是必须的。

4.1设计前的验证

基于指令集模拟器和硬件模拟器软硬件模拟技术是一种高效、低代价的系统验证方法。接口设计软件采用汇编，C，C++等语言编写，用户编写的接口源程序经过交叉编译器和连接器编译，输入到软件指令集模拟器进行软件模拟。而接口硬件验证则采用硬件描述语言如VHDL设计，经过编译后由硬件模拟器模拟。但设计前的验证也有一定的局限性，比如只能验证数字接口和验证环境理想化等缺点。这些都需要设计后的验证

4.2设计后的验证

最常见的验证方法是制作模拟激光探测系统内部接口和系统间外部接口的通用信号源，通用信号源可以模拟探测系统内部的如主回波、时统、显示、键盘等信号，也可以模拟输入外部操控命令，并将激光探测系统状态、测量数据等信息显示输出。

4.3通过验证，发现问题，修改设计，然后再模拟，最终完成满足要求的软硬件接口设计。

5结束语

激光钻井技术研究展望 篇4

激光技术是20世纪60年代在量子物理学、光子光谱学及无线电电子技术基础上兴起的一门多学科结合的科学技术。这种基于受激辐射而获得的特殊光具有一些重要的特性, 如亮度高、单色性方向性好等[1,2]。基于以上特点, 为了发展快速钻井技术, 人们积极推进激光钻井技术的研究。

激光钻井破岩思想的提出, 源于1994年美国国会通过的“星球大战”计划中军用大功率激光器向工业转化的议案。上世纪70年代末和80年代初, 以苏美两国为代表的东西方阵营的军事冷战进人“白热化”阶段, 美国加紧了“星球大战”所用的各类激光器的研制, 促进了激光技术取得迅速发展。随着1991年苏联的政治解体和东西方对抗的结束, 美国政府向工业界提出了授权转化冷战军事技术的计划, 于是, 激光钻井破岩技术被纳入美国能源部石油天然气勘探开发中重大战略新技术的议事日程[3]。

激光钻井技术为钻井技术带来的最根本变化是改进了钻速, 是深井中破碎较硬岩石更有效、更清洁的方式。

2 激光技术

激光设备就是将一种形式的能量转换成具有电磁辐射的光子。在激光、岩石和钻井液之间相互作用的实验和理论研究的进步使激光钻井技术成为石油工业的一个明智的选择。从石油工业角度来看, 有实用价值的激光技术主要有七种[3]:

◇ 氟化氢和氟化氘激光器:波长范围2.6～4.2 μm。油藏岩石测试使用中红外高级化学激光器。

◇ 化学氧碘激光器:波长范围1.315 μm, 是大范围高精度的破坏投射器, 能成功处理井下大量的问题。

◇ 二氧化碳激光器:波长范围10.6 μm, 平均功率1 MW。能够产生连续波和斩波脉冲, 但由于波长大, 在穿过纤维装置时易衰减。

◇ 一氧化碳激光器:波长范围5～6 μm, 能够产生连续波和斩波脉冲, 平均功率2 MW。

◇ 自由电子激光器:连续波可以转变成任何波长的波, 是将来能量最高的激光。它的波长可以根据反射和黑体辐射进行调整。

◇ 钕钇铝石榴石激光器:波长1.06 μm, 平均功率4 MW。

◇ 氟化克激光器:波长0.248 μm, 平均功率10 kW, 产生斩波脉冲。在这种激光器中, 氟化克中的氟原子和克原子处于激发状态。

激光器按激光参数如波的类型、波长、工作方式、功率密度和光速剖面等进行分类。因此, 为了保证最高效的钻井, 应对激光器的类型进行选择。

3 激光破岩的基础科学研究与未来的发展方向

美国、俄罗斯、日本和加拿大等国在激光钻井破岩基础理论的研究方面各有侧重点, 但对基本科学问题的认识却趋于一致。概括起来, 它主要包括以下五大基础科学研究[4]:

◇ 激光/岩石/流体相互作用原理 (即微观物理过程和岩石热破坏理论) ;

◇ 岩石快速相变的热力学与传热学;

◇ 强激光的传输变换与微型化原理;

◇ 激光破岩岩屑运移的多相流动理论;

◇ 激光钻井的安全与环境保护科学。

对于这五大基础科学问题, 前三种研究较多, 发展较快。在激光/岩石/流体相互作用原理方面, 美国科罗拉多矿业学院以GravesR.M.教授为代表的研究组已完成了6种典型的激光器, 发现岩石主要是以熔融、气化和碎裂等形式破坏, 但随着激光工作参数的不同, 其破坏形式呈现多样性;岩石表面出现致密的釉化层, 亦会有微裂纹产生;岩石对CO2、CO和MIRAL三种波长较长的光束吸收率大。随着岩石硬度的增加, 比能量降低。同时还发现, 激光采用脉冲波形的破岩方式, 其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。

在岩石快速相变的热力学与传热学方面, 美国科罗拉多矿业学院BatarsehS.等人试验研究发现, 受激光辐射后, 岩石的孔隙度增加, 渗透率普遍提高4～5倍, 但岩石的强度极限降低, 弹性模量约减少15%～50%。在激光钻井破岩中, 温度是引起岩石微观物性、宏观性质发生变化的最重要的因素。Dalhousie大学的BjorndalenN.等人采用移动界面模型分析激光破岩的温度场, 长江大学易先中等人是应用等焓模型。这2个模型都近似认为岩石的导热系数、比热等物性参数与工作温度无关, 不考虑岩屑在井眼周壁的沉积和重凝现象, 其模型的精度有待试验修正。

在后两种基础科学研究上, 目前尚未见到有关文献, 有待深入研究。纵观以上研究发展状况, 下一步研究方向应该考虑以下几个方面:

(1) 在激光/岩石/流体相互作用原理上, 主要应集中在以下几点:

◇ 岩石的能量吸收效率和能量转换规律;

◇ 激光破岩中温度场的精确分析和研究;

◇ 岩石热破坏模型和准则;

◇ 岩石在熔融、气化和碎裂等过程中的晶粒微观组织变化和特征;

◇ 辅助冷却气流的速度、方向和环绕形式对岩石破坏过程和微观晶格的影响;

◇ 脉冲波形的能量密度、前峰后沿特征对岩石破岩速度、晶格相变过程、微观力学性能和物理特性等的影响。

(2) 在岩石相变的热力学与传热学上, 激光钻井破岩的热应力场、热应变场、井眼变形和残余应力场等有待深入研究, 物理场与岩石物性参数的基本关系有待建立。

(3) 在强激光的传输变换与微型化方面, 直二极管激光器体积小, 能满足石油工业井眼中工作的要求, 是一种发展前景良好的井下激光器, 目前正在改进其可靠性和对环境的适应性。日本和美国正在研究新的高能中空光纤和大功率光纤激光器。复杂恶劣环境下强激光的传输变换与微型化, 可望近期取得突破性进展。

(4) 其他方面还有大量工作有待深入探索, 比如车载激光钻井样机的研制, 激光束与高压水射束的比较, 关于岩石在气化、熔化状态中气体的生成量、蒸汽压力大小、高温岩屑飞溅物的体积分数、岩屑混合气流与辅助排屑气流的相互作用等。

(5) 安全也是一个不容忽视的问题。岩石骨架、矿物颗粒和胶结物质在气化和熔化状态下对环境和人类具有危害性。当激光钻井遭遇硫化氢、高压水层或强碱地层等复杂环境因素时的安全性问题, 亟待解决。

4 激光钻井技术展望

4.1 影响激光钻井效率的因素[5]

(1) 激光类型

激光钻井过程中, 激光类型的选定尤为重要, 激光发射类型可分为连续型和脉冲型。早期实验结果表明:使用脉冲型激光比连续型激光更能有效地移除岩石。

(2) 激光作用方式

为了钻得预期大小的井眼, 激光作用于岩石的模式应尽可能地增大波及范围, 减小重叠面积。进一步的研究表明, 由于岩心存在各向异性, 激光水平入射岩心比垂直入射节省能量。

(3) 激光能量的损失

激光的能量除了被岩石吸收, 消耗于破碎、熔化、气化岩石外, 很大部分能量以反射、散射, 以及岩石矿物状态变化、熔化、气化、分解引起的热效应、热膨胀形成裂缝等形式损失掉。

4.2 激光钻井技术的优势

激光钻进系统较传统钻井方法有大量优点。激光钻井无须同轴套管, 使用或不使用套管的情况下可以钻单一井径的井眼, 钻机的功率减少, 套管成本也减少。因为光子沿直线传播, 所以井眼轨迹偏离预定轨道的情况减少。激光钻井能减少钻头的使用或者不使用钻头, 因此能减少起下钻时间。更重要的是, 机械钻速比传统的机械钻速高得多, 减少了钻井成本。

激光钻进对渗透率的影响:对岩石使用激光之后岩石的孔隙度和渗透率均有增加, 增加的程度取决于岩石的热导率。如果岩石的热导率大, 渗透率增加就明显;岩石的热导率小, 渗透率的增加就不明显。这是由于渗透率高的岩石比渗透率低的岩石传热快, 导致泥土中的矿物质遇水膨胀, 水蒸发后压力下降导致岩石产生裂缝[6]。

激光射孔:激光射孔的完成不需要任何的激光器, 同时能防止传统的射孔方法对地层造成的伤害。使用射孔枪产生的岩屑可能堵塞井眼, 甚至需要修井。传统的射孔方式产生的裂缝会将射孔区域和其他区域连通, 套管也会破裂。激光射孔可克服以上问题并提供一套更有效、更经济的方法。激光新技术能使套管开窗并使其他井场工作成为可能。

打捞:由于激光钻进系统使用小部件来代替传统庞大的钻井立柱, 因此打捞作业更容易。激光可以将落鱼融化或剪碎, 即使在井中有工具丢失或落鱼的情况下, 也可将侧钻的几率降低。

传统的旋转钻进的成本很高, 激光钻井技术能给目前石油工业带来革命性的变革。标准陆地井的钻井成本大约是40万美元。激光钻井的机械钻速比传统的高10～100倍。即使高10倍的情况下, 激光钻井可以将钻井时间降低十分之一, 从而使钻井成本显著降低。激光钻井同样可以钻水平井并且清除井眼里的碎屑。

4.3 激光钻井技术的未来发展

激光钻井技术由概念设计到实际应用还要面临以下几个方面的挑战:

◇ 在激光钻井过程中, 井筒中的气体影响机械钻速, 可能导致事故。

◇ 考虑到温度和压力的双重影响, 岩石应力增加了比能, 高的热导率导致了温度的扩散, 温度的扩散引起孔隙度和渗透率的变化, 从而导致了岩石强度的下降[7]。

◇ 在激光的作用下, 所有岩石的杨氏模量、剪切模量、体积模量和联合模量减小。

◇ 对斩波脉冲和连续波脉冲的选择, 结合岩石的破碎机理设计气体泄压系统和激光束传递系统, 研究激光、钻井液之间的相互关系。

对于未来的激光技术, 首要的研究目标是研制一种地面激光器, 它传输光束到井下, 光束应具有足够的功率从地面穿过岩石钻6 096 m (20 000 ft) 的深井或更深的井, 且测量方法精密。另一方面研究是否以脉冲方式传送激光束, 这种方式可能优于连续的光束, 它将进一步增大穿透岩石的速率。第三方面的研究是确定激光器是否能使用现有的钻井液。在多数井中, 目前都要使用钻井液, 将它循环到井下, 以冷却钻头和携带、清洗井眼岩屑, 防止地下的其他流体渗人到井中。该研究还将确定在钻井过程中是否有太多的激光能量在汽化泥浆或清除流体时被消耗。

综合起来, 作为一种新型的钻井技术要得到实际的应用, 仍有下列问题尚需要进一步研究[3,5]。

(1) 复杂的地层条件

激光作用于浸泡在流体中的岩心时, 比能值均大于作用于干燥岩心, 即流体在激光作用岩石的过程中起到了阻碍作用, 使得激光移除单位体积的岩石需要耗费更多的能量。激光作用于浸泡在流体中的岩石时会产生气体, 该气体的量及组成也有待研究。虽然地层应力对比能值的大小几乎没有影响, 但在地层条件下的应力、热量、流体浸泡三者共同作用下, 比能值如何变化, 还需进一步研究。由此可见, 复杂的地层环境将对激光钻井技术的应用提出严峻的挑战。

(2) 井眼的清洗和异常压力的控制

由于二次作用的存在, 为了提高激光能量的利用率, 应及时清理堆积在井底的岩屑, 如何在不影响钻进速度的条件下清洗岩屑, 仍是目前较难解决的技术问题。

虽然激光钻井是否钻达油气层可由比能值的变化分辨出, 但当钻达油气层或异常高压地层时, 地层流体大量涌入井内很有可能造成井喷。因此, 激光钻井必须建立完善的井控系统。

5 结束语

激光钻井是一项新技术, 它的发展应用必将给以后的钻井行业带来又一次惊人的革命, 对我国来说, 这既是挑战, 又是机遇。尽管我国在这方面的研究较少, 但国外也只是处于探索阶段, 我们应在积极吸收国外研究成果的基础上, 尽早开展自主研究, 力争在新的钻井技术发展中走在世界前列。

参考文献

[1]科学出版社名词室合编.物理学辞典[M].北京:科学出版社, 1988.

[2]周敦忠.光学[M].兰州:兰州大学出版社, 1988.

[3]Graves R M, O'Brien D G.Star-Wars Laser technolo-gy applied to drilling and completing gas wells[R]:SPE49259.New Orleans, 1998.

[4]马卫国, 杨增辉, 易先中, 等.国内外激光钻井破岩技术研究与发展[J].石油矿场机械, 2008, 37 (11) :11-17.

[5]甘云雁, 陈利.新型钻井技术——激光钻井的研究进展[J].科技导报, 2005, 23 (3) :37-40.

[6]Ramona M Graves, Richard A Parker, Brian C Gaha-n.Temperatures induced by high power lasers:effects on reservoir rock strength and mechanical properties[R]:SPE78154.Irving, 2002.

激光通信技术2 篇5

作为信号传输的光纤通信首先于20世纪70年代由于低损耗光纤的诞生开始获得广泛应用，三十年来已成为现代通信技术领域里的一大重要支柱。至今已成功铺设横跨大西洋和太平洋的光缆，其中跨越大西洋的TAT—8光缆总容量达3．2万多个双向话路。1989年日本利用新型光信号放大器首创900千米光纤通信成功，达到使用长距离通信的要求，从此，光纤长途通信得到飞速发展，并形成全球性的产业。光纤已经成为通信网的重要传输媒介，现在世界上大约有85％的通信业务经光纤传输。美、日、英、法等8国已宣布，今后铺设长途通信干线不再使用电缆而改用光缆。

我国光纤通信开发起步于1972年，1976年研制出低损耗的多模光纤，1978年首先在上海两个市话分局之间铺设一条1.8千米可传送120路电话的光缆，继而在全国各地积极建设光纤通路。目前，中国最长的一条大容量光缆干线通信工程在京、津、济、宁之间建成，这条干线全长1484千米，可容纳12000条话路，并实现与沪宁和东南沿海光缆通信工程连接，大大改善中国沿海地区的通信条件。

激光通信技术将激光与电子很好地结合在一起，与以往的通信技术相比，具有四个显著的特点。

①通信容量大。通信容量的大小，通常指一对电线(或电缆)上能通多少路电话。激光可用的频率范围为1×107—1×109兆赫，比微波频率高10万—100万倍，一束激光可容纳100亿路电话。如果全球人口按60亿计算，则全世界的人同时利用一束激光通信还绰绰有余。

②通信质量高。且F指抗干扰性强，信噪比高，失真度小。激光通信能有效地满足这些要求：通电话，声音清晰；传输数据，准确无误；传递图像，色彩逼真。

③保密性好。由于激光几乎是一束平行而准直的细线，在空间传播时发散角极小，加之用以传输信息的激光大多是不可见的红外光，所以想截获激光非常困难。

维激光扫描测量技术的应用 篇6

一、应用背景

如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。

基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。

随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。

因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。

二、扫描原理

三维激光扫描仪按扫描原理可划分为基于相位式以及基于脉冲式的，基于相位式的三维激光扫描仪扫描速度快，精度高，点云密度高、质量好，但是相对的来说，扫描射程较短，在150米以下；基于脉冲式的三维激光扫描仪扫描射程长大于200米，最远的甚至达到6，000米，但是扫描速度慢，精度较差，点云较少。由于相位式及脉冲式的不同特点，其适用于的行业领域也有所不同，相位式的三维激光扫描仪适用于数字工厂(石油、天然气、化工、汽车、重工业、等工厂，轮船、飞机)的生成，交通事故和犯罪现场重建、铁路轨道扫描和隧道扫描；而脉冲式的三维激光扫描仪适用于室外应用，如滑坡监测、河水和海水对港口码头和堤坝的侵蚀变化，公路测量等。

三、应用范围

三维激光扫描测量技术有着广泛的应用。激光扫描技术与惯性导航系统(INS)、全球定位系统(GPS)、电荷耦合(CCD)等技术相结合，在大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强大的优势，成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。

现在在工程、环境检测和城市建设方面等均有成功的应用实例，如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、建立3D城市模型、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。

四、文物保护

在三维激光扫描技术出现之前，考古勘察需要使用全站仪记录主观选择的三维位置、此后又在CAD中使用“连接点”方法产生正视图和二维图纸。

三维激光技术从根本上改变了这一切。按预先确定的分辨率在所选区域记录三维位置，产生数百万个高精度坐标。经扫描构造的表面用点云来表示，可以利用三维方式表示它的形状。点云还包括因高度或安全原因不可能进入的区域，从而考古学家不在受传统全站仪骨骼测量的限制，其进入的是整个“虚拟”环境，而不仅仅依赖图纸。

五，数字工厂

三维激光扫描系统可以提供真三维、真尺寸的工厂改造数据模型。加快设计的进度，在真实尺寸下得到最佳设计方案。

工厂改建：早期的工厂后经过了多次技术，现要进行扩大产能的改扩建，需要拆除、更换、新增大量的设备和管线。现有的比较完整的图纸只有当年的最原始装置的管道轴测图，厂里的多次技改和多年工厂运营维护的相关资料并不完整，并且也与实际有较大出入。而改扩建设计质量的关键取决于对现状的了解程度，而已有图纸与现状不符，现场情况复杂，给设计带来了很大难度，所以如何获取到准确的工厂现状资料就是第一个要解决的问题。

虚拟安装：从点云生成的竣工模型与原设计的对比，进行碰撞检测，查找出冲突，尽早发现施工中发生的问题。

六，隧道测量

隧道与采矿工程师现在遇到的问题是怎样准确验证隧道方向、评估隧道剖面超挖／欠挖以及准备却计算喷混凝土的厚度以便加固。

考虑到地下矿刚刚完工采矿场存在的潜在危险以及对勘察人员产生的风险，有必要拥有一件能让他们在最少时间内获得最多信息的工作。

三维激光扫描仪以更快的速度和更广的扫描范围可以保证在短时间内获得隧道墙面的3D数据，极其复杂的表面依然可以毫不费力的制作成表面模型，可进行开挖土方量计算，开挖隧洞壁平整度分析，隧洞的断面分析，超／欠挖分析，隧道掘进方向效验等。

七、灾难和事故现场测量

在犯罪现场评估前期，法医调查员很少能够确定哪些信息重要，经常对哪些东西需要测量和记录以及哪些不需要测量和记录做出主观决定。尸体、蛋壳、枪支和血滴都是明显东西，很容易定位，但是却遗漏一些不明显但是对破案关键的物体。

三维激光扫描技术获取所有光線能到的地方，捕获犯罪现场或者事故现场详细信息，可以在任何时候还原成三维情景。模型可以在计算机中模拟灾难事故的现场，便于分析、推理案情。

事实上，三维激光扫描仪的应用还远远不止本文所罗列的这些，水土保持，概念汽车设计，森林计测……以及各种你想象不到的领域。因此，有业内人士曾指出，三维激光扫描技术的应用，只局限于你的想象!

资料链接：

如何选择三维激光扫描仪

目前市场上生产基于相位式三维激光扫描仪的厂家有美国的Faro、德国的z&F，德国的Callidus；生产基于脉冲式三维激光扫描仪的厂家有奥地利的Reigl，瑞士的Leica，加拿大的Optech等。面对市场上如此多款的三维激光扫描仪，用户如何选择呢?

工作效率是选择三维激光扫描仪的重要因素，影响扫描仪工作效率主要因素有：

1.便携性：直接影响设备的携带、工程施工速度及人员投入；

2.扫描速度：直接影响单测站扫描时间；

3.扫描视窗：直接室内及全景扫描的站点数，节省扫描时间；

4.设备架设：三维激光工程大部分时间浪费在架站过程中，架设简便性直接影响外业时间；

5.设备操作：设备操作简单与否对效率的影响等同速度因素；

6.扫描范围：最短距离分辨率、最长距离分辨率。

激光威胁及其防护技术 篇7

激光以其高方向性、高单色性、高亮度特性在军事国防、医疗卫生、制造业等领域得到广泛应用。在军事领域, 激光武器作为一种主动对抗装备, 在高技术战争中发挥着重要作用, 受到各国军界的关注。随着激光技术的迅猛发展, 激光武器越来越广泛的应用于实战。这会严重威胁作战人员的眼睛, 破坏系统的光电传感器[1]。因此, 各国在发展激光武器技术的同时, 也重视研究激光防护技术。

1 激光威胁

激光威胁主要体现在以激光束作为信息载体的各种激光设备和以激光束作为能量载体的各种激光武器。这些激光设备和激光武器所发射的激光均能对人眼和光电传感器造成致盲和失灵。

1.1 激光对人眼的威胁

由于人眼的各部分对不同波长光辐射的透射与吸收不同, 因而不同波长的激光对人眼的损伤部位与损伤程度也不同。常用的激光波长从0.2μm的紫外线开始, 包括可见光、近红外线、中红外线直到远红外线。0.2~0.315μm的中、远紫外激光及1.4~10.6μm的中、远红外激光不能透过晶状体到达视网膜, 能量几乎被角膜全部吸收, 主要损伤角膜;0.315~0.4μm的近紫外激光能量可部分透过角膜, 到达晶状体后几乎被全部吸收, 主要损伤角膜和晶状体;0.4~1.4μm的可见光和近红外激光大部分能量可透过角膜、房水、晶状体及玻璃体后到达视网膜, 由于眼睛自身对光的聚焦作用, 可使到达视网膜上的能量比角膜处高10万倍, 因此低强度的照射就可能引起视网膜的严重损伤而导致视力下降甚至失明, 由于视神经细胞的不可再生, 一旦损伤视力将永远缺失。在各种波长的激光中以倍频钕激光器发射的0.53μm的蓝绿激光对人眼的伤害程度最大, 表1给出了1986年国家卫生局通过的常见波长激光的损伤阈值, 可看出0.53μm蓝绿光的损伤阈值最低[2], 是致盲激光武器的最佳波长。对于可见激光的防护主要是防护530nm附近的蓝绿光为主。

1.2 激光对光电传感器的威胁

激光破坏光电传感器所需的能量比对眼睛造成损伤的能量要高一到几个数量级。据激光对光电传感器的破坏程度可分为软破坏与硬破坏。软破坏指在激光作用下光电材料或器件的功能性退化或暂时失效, 软破坏后探测器仍有信号输出, 但信噪比会大大降低。而硬破坏是激光使探测器材料发生永久性破坏, 发生“饱和效应”, 对于真正的反射信号接收元件不会再有反应, 无信号输出。实验表明, 当受到强激光辐射时, 热电型红外探测器将出现破裂和热分解现象, 光电导型红外探测器则被气化或熔化。对于光学系统来说, 当光学玻璃表面在瞬间接收到大量激光能量时就可能发生龟裂效应, 并最后出现磨砂效应, 致使玻璃变得不透明而失效。当激光能量进一步提高, 光学玻璃表面就开始熔化。这样, 光学系统就会立即失效[3]。光电传感器作为装备系统的“眼睛”, 广泛应用于激光雷达、激光测距、红外制导、光电对抗以及光通信等领域。随着光电对抗技术的发展, 其越来越容易受到激光的损伤。

2 激光防护技术

激光防护技术要求在激光传输路径中或到达人眼及接收装置时, 采取某些方法或装置材料削弱激光入射的能量, 达到保护的目的。在战场上, 可以采取适当的观察方式、或者利用某些材料阻挡激光束来使人眼和光电设备传感器免受对方激光武器的威胁。

对于参战人员来说, 可以利用电视系统、热象仪或面罩式光增强夜视眼镜等装置间接观察战场、跟踪和射击目标。当敌方发射低能激光时, 在电光装置内光路的某个位置上激光被转换成电信号, 然后又转换成光, 从而使激光不能进入眼睛, 保护视觉免受伤害。但电光装置内的对光灵敏部分可能被损坏或致盲。此外, 利用地形将头部降低, 把对战场的观察次数和时间限制到最低限度, 把视场减小到执行任务所绝对必需的大小。在战场上应尽量不使用直接观察装置, 因为这些装置能放大入射激光, 从而对眼睛造成更大伤害。如果必需使用光学放大装置, 则要采取相应的防护措施[4]。

另一种防护方法是利用激光防护材料制作成的激光防护装置快速截断、削弱激光束的能量, 保护接收系统不受伤害。激光防护材料性能的优劣对于防护镜和防护装置至关重要。目前研究的激光防护材料主要有三种:线性防护材料、非线性防护材料和相变防护材料。线性防护材料中应用技术比较成熟的是吸收型材料。但是线性防护材料只对光波波长敏感, 对光波强度不敏感, 平等吸收或反射同一波长的强光和弱光, 在阻止某一波长强激光破坏的同时, 也阻止了该波长弱光的接收, 由于这一特性, 使得它只能防护单波长激光, 防护带宽窄;当激光波长与光电传感器工作波长相同时, 光电传感器就不能接收信号, 反之, 要接收信号就不能防激光致盲, 两种功能不能同时兼顾[5]。

20世纪80年代出现的非线性防护材料和相变材料能够弥补线性防护材料的劣势。非线性防护材料主要利用材料自身的非线性吸收、非线性反射、非线性折射等性能对入射激光产生吸收、折射、散射、反射等实质偏离被保护的人眼或光电传感器。目前主要研究的非线性防护材料有半导体材料、团簇材料、纳米材料等。其中C60及其衍生物、酞菁类化合物、无机金属团簇等表现出优良的光学非线性, 具有较强的限幅能力, 下一步的工作主要是向器件化、实用化方向发展。最近, 作为碳的另一种同素异形体--碳纳米管表现出由于C60的强限幅能力, 对其限幅能力和限幅机理仍处于进一步的探索中。

相变材料在强激光照射下会迅速升温到某一数值, 材料由室温下的一种结构转变为另一种结构, 光学性质也随之发生突变, 由原来的透明状态变成不透明状态, 显著限制了激光的透射, 而在弱光辐射时没有相变产生, 透过率高, 从而达到激光防护目的。这也是近年来发展起来的一种新型激光防护技术, 目前研究最多的相变材料是二氧化钒 (VO2) 薄膜、五氧化二钒 (V2O5) 薄膜。

结束语

激光技术在军事领域的应用已经改变了传统的战争模式, 激光武器对人眼和和光电传感系统造成严重威胁, 激光防护技术应运而生。线性激光防护材料具有一定局限性, 但是发展较早, 技术相对成熟, 而且目前达到实用程度的防护材料。随着激光武器朝着波长可调谐的方向发展, 波长防护型材料将是未来研究的主要方向。但目前该类材料大多处于实验研究阶段, 距实际应用还有一些差距。以后应大力开展防护材料的实用化、器件化方面的研究, 努力探索激光防护的新原理、新方法和新材料, 以实现对多波长军用激光的防护。

摘要：随着激光武器在军事领域的广泛应用和长足发展, 激光对人眼和光电系统的威胁日益严重。从激光武器威胁出发, 介绍了战场上的激光防护方法, 分析了防护材料的发展趋势。

关键词：激光,激光防护,激光威胁

参考文献

[1]张洁.军用激光技术的发展构成的激光威胁[J].情报指挥控制系统与仿真技术, 2003, 3:37-42.

[2]梦献丰, 陆春华, 张其土等.激光防护材料的研究进展[J].激光与红外, 2005, 35 (2) :71-73.

[3]农宁宁, 林永.激光武器技术的发展现状[J].电子器件, 1999, 22 (4) :299-305.

[4]胡江华, 周建勋, 王宝庆等.战场上低能激光的威胁与防护[J].激光技术, 1996, 20 (4) :230-233.

浅析激光振动测量技术 篇8

目前振动测量在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面都得到了广泛的应用,所以激光振动测量技术有着广阔的应用与发展前景。

1 激光振动测量技术的测量原理及现状

目前,常用的激光振动测量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电(MEMS)法和干涉法等。由于这些技术的使用,使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分别介绍几种常用的光学振动测量方法:

1.1 激光三角测振法

激光三角法[1,2]是利用几何光学成像原理,将激光器发出的光经发射透镜汇聚于被测物体表面形成入射光点,该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上,形成像点,使用对位置敏感的传感器就可接收到这一信息。当入射光点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时,引起像光点在感光面上发生位移,从而引起光电探测器输出电信号的变化,根据电信号的变化量可求出像点唯一的变化量,通过信号处理可得到被测目标位移或振动信号。

该方法对于振动的测量是非接触形式的。激光三角测振法具有结构简单,发展比较成熟等优点,适用于工业现场安装使用。但是该方法的不利之处一方面是光电探测器的灵敏度和尺寸限制了该方法的分辨率和测量范围,另一方面是发射透镜的焦距限制了该方法的工作距离,不适于远距离处的微小振动测量。

1.2 光强测振法

光强测振法[1,2]是利用被测目标相对投射光束,或反射光束相对探测光路的位置变化导致探测光强的变化来探测振动。

该方法对于振动的测量既可以是接触式的,也可以是非接触式的。光强测振法具有信号处理方便、结构简单、成本较低等优点,可以广泛应用于各种场合。而且光强法与光纤的紧密结合,使得光强测振法的应用领域得到进一步拓展。该方法的不利之处在于光强易受外界环境和光源干扰的影响,使得测量结果精度不高,所以一般采用多波长、多光束等方法来改进光强测振法的不利之处,提高光强测振法的抗干扰能力。

1.3 全息测振法

全息法[1,2]是将相干光束的一部分作为参考光波,其余部分投射到物体上并被其反射作为物光波,两光波相遇产生干涉,所形成的干涉场反映了被测物体的振动情况,该干涉场由照相底片记录经过适当显影形成全息图。全息干涉测振可以对整个振动面上的点位置进行测量,通过比较不同时刻的全息干涉图,就能够描绘出被测振动面上各点的振动情况。

该方法对于振动的测量是非接触形式的全场同时测量。全息测振法具有可以进行面测量,同时获得多点数据的优点。该方法的不利之处在于须用银盐干板作记录介质,全息图需要进行照相及冲洗等处理,操作过程复杂,处理条纹图极其费时,无法实现实时测量,实际应用较困难。

1.4 激光多普勒效应测振法

多普勒测量[4,5,6,7]中的多普勒信号通常都是从被测物体的散射光中获得的,信噪比低,且包含有运动速度、光源、接收器之间的角度因素,由于这些因素会引入较大的测量误差。对振动特性的计算方法为信号中的每一个差拍波对应一个位移当量值,被测振幅的获得是经过对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计数而得到的。

该方法的测量不需要干涉仪组件,可精密装配。激光多普勒效应测振法具有被测速度矢量与多普勒频移呈线性关系,对于任何复杂的物体运动都适合研究的优点。因此,激光多普勒技术是一种高精度动态测量方法。该方法的不利之处在于得不到小于当量值的位移,测量分辨率很低。激光光栅多普勒效应的微振动测量系统的提出改变了以上不足。

1.5 光纤与MEMS测振法

光纤与MEMS技术相结合的振动传感器[1,2,8]在振动传感领域中一军突起。在微光机电传感器中,光纤可作为传光介质,为传感器提供光连接,传感器内部的电信号经由发光二极管转变为光信号,再输送到外部设备,这样可以使测量结果大大免受外界电磁干扰。光纤也可用来构造光路,成为集成传感器的一部分,作为悬臂梁感受外界振动,通过测量经过光纤的光强变化来实现振动传感。

光纤与MEMS技术相结合的振动传感器的优点是可免疫外界电磁干扰,可应用于避免使用电信号的场合,结构布置灵活,适合应用于复杂结构环境和复杂结构空间下的振动传感测量,适用于微型化和集成化产品。

1.6 干涉测振法

干涉测振法是将光束正入射于物体表面,其反射回来的检测光与参考光相遇形成干涉场,此后再对干涉场进行处理便得到所要测量的振动信息。

该方法对于振动的测量是非接触精密测量。干涉测振法具有应用范围广、重复性极高、可以对微小振动进行高精度测量的优点。但是该方法的不利之处一方面是由于干涉测振法具有高灵敏性,环境扰动对其影响非常突出,当光程质量不理想时,测量将无法进行。另一方面是在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面,以及目标物体表面的不平整性,使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合,尤其当两束光偏差太大就不能形成干涉,这将使测量无法进行。因此,人们先后发明了光波频率调制补偿法、机械式位相调制补偿法以及将机械补偿和光调制相结合的方法来解决这一问题。

1.7 激光散斑测振法

激光散斑振动测量技术[1,2,3]是利用激光的高相干性,当激光照射到物体粗糙光学表面时将产生散斑场,该散斑场是被测物体表面信息的载体,记录下该散斑场并利用数字图像处理技术,就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线,通过条纹判断便能得出振动物体的位移。

该方法一般采用多帧干涉图取平均的方法来减少环境扰动的影响,但并不能从根本上解决扰动问题。散斑干涉法适用于对频率已知的振动信号进行测量,从而实现对物体振动特性的分析,该方法的不利之处是精度和测量应用范围有限。

2 激光振动测量的展望

激光振动测量技术发展前景非常广阔,对于激光振动测量技术的研究工作也是研究人员为之做出不懈努力的工作方向。关于激光振动测量的展望有如下几个方面:

2.1 改善测量环境

随着我国科技水平的不断发展与提高,人类对于振动测量精度的需求已经达到了纳米量级。目前的分辨率已经不能实现人们对于某些研究领域项目的精度要求,对于纳米精度目标的实现是人类在科研领域的新突破。环境是影响系统实现纳米精度的一方面问题,像空气温湿度的变化、环境的振动和声学扰动等都会影响测量精度。因此,可以采用隔离措施和建立确保稳定环境温度的恒温室的方法来实现纳米测量精度。

2.2 结合多技术于测量

现代的激光振动测量系统广泛采用的是光、机、电与计算机技术相结合的方式来进行高精度、实时动态测量,大系统的概念、模糊理论、人机工程学的概念、自适应原则、调频技术、调制技术、反馈原理这一系列相关理论都广泛的应用在现代测量仪器的设计中,促使测量与控制技术成为一个完整的有机整体。鉴于以上广博知识,更需要多知识、高技术人才团结、协作完成由知识理论到仪器设计的实现。

2.3 进行科研创新

新的测量原理和方法是指导创新研究成果的理论依据,传统的振动测量方法已经不适用于纳米级振动测量的研究,要解决纳米级振动测量需要寻求新的测量原理和方法。将微观物理和量子物理的最新研究成果应用于测量系统中以及对现有技术进行创新性应用是可行的。

2.4 多领域应用

随着科技的发展以及性价比高、质量优良的激光振动测量仪问世,激光振动测量技术不仅可以应用于机械制造的检测中,还可以应用于生物医学、材料检测、航空航天等领域。

3 结束语

当今社会激光振动测量技术与人类的生产、生活是息息相关的,此项技术促使人类的生产、生活质量向着更好、更完善的方向发展。随着激光振动测量方法的成熟与完善,高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。

参考文献

[1]张书练,张毅.光电振动传感技术新进展[J].激光技术,2001,25(3):161-165.

[2]王小芳.四波耦合微振动光学测量的研究[D].南京:南京师范大学,2006:1-4.

[3]Tan Yushan,Jia shuhai,Le Kaiduan.The development of ESPI for vibration measurement[J].Appl.Opt,1999,120(14):41-45.

[4]李淑清,杜振辉,蒋诚志.激光光栅多普勒效应微小振动测量[J].光学学报,2004,24(6):835-837.

[5]Emilia G D.Evaluation of measurement characteristics of a laser Doppler vibrometer with fiber optic components[C].Proc.SPIE,1994,2358:240-247.

[6]Jiang Chengzhi,He Shunzhong,Liu Yanyu,et al.Study on signal of Inplane displacement measurement utilizing laser Doppler effect[J].Acta Optica Sinica,2003,23(1):71-74(in Chinese).

电缆导体激光打标防盗技术 篇9

目前铜在市场上现货价格约为50 000元/t, 以一根常规3芯240mm2铜芯电缆为例, 其每公里电缆铜含量约为6.4t, 价值高达38万元, 而铜导体成本约占铜芯电缆整个成本的70%～90%, 因此当很多不法分子在利益的趋势下, 铤而走险盗取国家电缆后, 除了造成电力供应中断、城市停转、工厂停工等不可估量的损失外, 也给相关单位带来了巨额的线路修复费用 (电缆重购费用+安装敷设费用) 和很长的修复周期。

虽然目前国家对电缆盗窃犯罪加大了处罚力度, 但是盗窃的侦破工作却进展缓慢。其原因是犯罪分子在盗取电缆后, 将电缆外面带有标识的绝缘、护套等迅速剥离, 只保留最有经济价值的导体 (单根铜线或多根铜线绞合) 部分, 而电缆导体部分没有任何标识, 造成了公安机关在调查过程中无法追溯导体来源, 给侦破工作带来很大阻碍, 而且取证困难;同时, 导体较强的通用性使其可直接用来继续生产电缆, 因而犯罪分子可轻易将导体销售给任何一家电缆制造公司, 而且购买导体的电缆制造公司也无法辨识所购导体是否为盗窃赃物, 从而失去了举报可能性。没有买卖就没有偷盗, 只有阻断电缆盗窃犯罪分子的销路, 加大他们销赃成本和被查处、被举报风险, 才能有效预防电缆偷盗问题。为此, 本公司采用激光打标技术在铜导体单线 (铜线) 上打印不可去除的标识信息, 任何人都可以通过手机、电脑、pad等具备上网功能的设备, 通过标识信息查询到该铜导体的所有者信息, 使盗窃赃物无所遁形。

1 导体激光打标防盗技术简介

导体激光打标防盗技术是采用激光打标机在导线上标识图形、文字、字母、数字等各种信息, 其原理是利用高能量密度的激光脉冲输出, 对铜线局部进行照射, 使其表层材料熔融、气化或产生颜色变化等物理、化学反应, 以留下永久性标识, 而且无法通过溶剂或焚烧等方法清除掉。常用导体激光打标机的主要技术参数如表1所示。

导体激光打标过程为非接触性加工, 不产生机械挤压或应力, 因此不会损坏导体, 同时激光聚焦后的尺寸很小, 热影响区域较小, 加工精细, 对铜导体电性能的影响也可忽略不计。导体激光打标机的印字间距可以根据需要在100～1 000mm范围进行调整。受限于人视力, 铜线规格为2～4mm时, 导体单线打印标识可以直接目视;铜线规格为0.5～2.0mm时, 导体单线打印标识则无法通过肉眼识别, 需要借助放大镜等工具;铜线规格小于0.5mm时, 则不宜采用导体激光打标防盗技术。

2 导体激光打标工艺的实现

导体激光打标的生产线如图1所示, 主要由收放线装置、前后槽型定位轮、激光打标装置三部分组成, 厂家可分开采购, 自行组装。放线装置用于固定需要打印标识的铜线盘具, 铜线从盘具上引出, 通过放线张力控制装置, 进入激光打标装置, 铜线打印标识完成后, 通过收线张力控制装置进入收线装置, 收线装置在驱动电机的带动下将标识打印完成的铜线收入盘具中。张力控制装置保证铜线在生产过程中速度均匀、张力恒定, 使标识大小、间距均匀, 同时避免出现铜线拉细问题。前后槽型定位轮安装在激光打标装置前后;下定位轮上开槽, 槽型为半圆形或V形, 上定位轮可以开槽也可以不开槽, 槽的大小可以根据铜线的直径调整;前后槽型定位轮的槽孔和激光射头应处于同一轴线, 铜线通过槽孔定位, 使铜线的中间位置准确处于激光照射区, 保证打印的标识不偏移和缺失。市场上激光打标装置可选品牌和规格非常多, 通常价格在15万左右。导体激光打标时, 可先根据打印要求在激光打标装置的控制面板上设置打印内容、打印深度、字符线宽、字符高度等参数, 字符高度以铜线直径的1/3～1/2设置为佳;然后根据打印内容的复杂性和激光打标装置的型号和功率调整收放线速度 (约4～5m/s) 。实心导体经激光打标工序后可以直接用于后续的电缆生产;对于绞合导体, 打印标识后的铜单线需经过绞合工序制造成各种规格的带有标识信息的铜导体, 才可用于后续的电缆生产。

3 标识信息的设计和查询

本公司设计的导体激光打印标识的信息内容通常包括两部分:a.哪里查, 即服务器地址 (如www.service.com) , 可通过互联网Internet链接该服务器;b.查什么, 即产品代码, 通过产品代码作为关键词检索、链接网页获得该产品相关信息。

为了实现导体激光打印标识信息的查询, 服务器地址可以指向电缆制造企业的某个电脑终端服务器, 电缆制造企业在完成电缆的生产和检测之后, 将产品相关信息录入该服务器。产品相关信息主要包括以下内容:电缆制造商, 电缆型号、规格、电压等级, 电缆设计制造执行标准, 电缆制造时间 (年月) , 电缆制造长度, 电缆近似重量, 铜导体近似重量, 产品项目名称, 产品所有者, 产品所有者变更情况及日期 (产品所有者发生变更时, 需要变更双方法人出具“所有权变更联合声明”通知制造商, 制造商对信息验证无误后, 才能在服务器中增加所有权变更信息, 这个服务为制造商销售该产品后提供的附加服务) 。上述产品相关信息应与产品代码一一对应, 确保任何人通过电脑、手机、pad等具有上网功能的便携设备, 登陆服务器地址, 在可视窗口中输入产品代码时, 快速查询到该产品的制造商、所有人、所有权变更及日期等所有相关信息。可以预计随着4G移动互联技术的不断普及, 导体激光打印标识信息查询会越来越快、越来越方便。

4 结束语

光子计数激光测距技术研究 篇10

为了实现更高的探测灵敏度、更远的探测距离和更大的数据采样率,国际上纷纷展开了对于各种新型激光测距技术的研究工作,光子计数激光测距技术便是其中之一。以美国NASA[1]、MIT林肯实验室[2]为代表的国外多家研究机构已经在光子计数激光测距领域展开了多年的研究工作,研制出了一系列演示验证系统,展示了光子计数激光测距的技术优势和应用潜力。

光子计数激光测距与线性探测体制一样,都采用了直接脉冲探测的方法,通过记录发射激光脉冲和回波光子信号的时间来实现目标距离信息的获取。光子计数激光测距技术采用高重频、低能量的激光器和灵敏度极高的单光子探测器(PMT或Geiger-mode APD),将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计数”,充分利用了回波信号中的能量(单光子级别),利用目标距离信息的相关性和光子事件累积计数,在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来,提高探测概率,最大限度提高系统探测灵敏度和探测效率。光子计数激光测距技术的优点是能够以较低的激光脉冲能量获取远距离目标的距离信息,大大简化了激光雷达系统,降低了系统对于功耗、望远镜口径等平台资源的要求[3]。

1 光子计数激光测距原理

1.1 信号和噪声模型

当激光脉冲照射到朗伯目标时,单光子探测器能够对回波光子进行响应并产生的平均光电子数可由激光雷达方程计算,由于激光雷达的探测视场一般大于激光发散角,此处采用了激光雷达的面目标探测形式[4]。

式(1)中,Ns是单次激光探测过程中探测器产生的平均光电子数;ρ是目标表面的反射率;Ta是激光雷达与目标之间的单程大气透过率;ηt是激光发射系统光学效率;ηr是激光接收系统光学效率;Ar是接收望远镜有效口径面积;Et是激光发射单脉冲能量;R是激光雷达和目标之间距离;ηq是单光子探测器的量子效率;hν是相应激光波长的单光子能量。

光子计数激光雷达的噪声主要源自探测器视场内的背景光噪声和单光子探测器本身的暗计数(Dark Counts),两种噪声的产生是相互独立的两个随机过程。因此,系统总的噪声光电子数可由两者的叠加表示

式(2)中,Nn是总的平均光电子数,代表了在单位时间内探测器响应的噪声光电子数的平均值;Nb是背景光噪声函数的平均光电子数;Nd是探测器暗计数。

探测器的暗计数由探测器本身的性能决定,对于性能较好的单光子探测器一般小于1 kHz。激光雷达探测视场内的日光背景噪声强度可由如下表述[5]

式(3)中,T'a是太阳到目标表面的大气透过率;θr是目标探测视场角;θsun是阳光照射方向和目标表面法向夹角;Δλ是接收光学系统滤光片带宽;Nλ是大气层外激光波长附件的太阳光谱辐照度。对于532 nm波长,Nλ的值约为1.83 W/(m2·nm);对于1 064 nm波长,Nλ的值约为0.75 W/(m2·nm)。

1.2 光子计数激光测距理论

根据统计光学理论,在光子计数激光测距中,目标表面散射回来的激光回波信号,在强度分布上是一个被伽马分布的激光散斑噪声调制后的泊松分布,因此,单光子探测器产生的信号光电子应当服从负二项分布[6]。

当平均信号光电子数Ns远小于接收光学系统的散斑自由度M时,负二项分布进一步退化成泊松分布。对于光子计数激光测距,回波信号的强度一般处在单光子量级,Ns·M的条件成立,采用泊松分布来近似分析系统的探测模型能够较为准确的反应系统性能。此时,Δt时间间隔内k个光电子事件被单光子探测器探测到的概率可由下式表述[7—9]:

式(4)中,Nsn=Ns+Nn是信号光电子和噪声光电子的平均数。上式完全描述了光子计数激光雷达在采样时间ΔT内探测到光电子事件的分布情况。

光子计数激光测距本质上是将探测距离分成若干个距离栅格,每个距离栅格对应了激光探测过程中的一个时间段,通过对各个时间段内光电子信号事件的统计,利用目标信号和噪声信号不同的概率密度实现噪声信号的滤除。光子计数激光测距中单个距离栅格内的探测概率是该栅格对应时间间隔内信号光电子和噪声光电子共同作用的结果,当至少有一个光电子信号产生时,则认为探测到信号。根据式(4)描述的探测模型,在单个距离栅格内没有探测到任何光子信号的概率为

因此,单个距离栅格的信号探测概率为

式(6)中,Nsn是距离栅格对应时间Δt内产生的平均光电子数。

大部分单光子探测器都存在死时间效应(Deadtime Effect),该效应由探测器本身对于光子信号的响应时间决定。以本文使用的盖革模式雪崩二极管为例,受到探测器响应和淬灭电路(Quenching Circuit)限制,探测器在探测到第一个光子信号后,需要一段时间来恢复工作状态。对于大部分的商用盖革APD,探测死时间一般处于10—100 ns量级。受探测器死时间和探测器噪声信号的影响,在一次有效探测中,第一次探测到的光子信号会对后续信号的探测产生抑制作用,光子信号的探测概率会出现一定程度上的衰减。在综合考虑死时间效应后,信号的探测概率可表述为

式(7)中,Nn是平均噪声光电子数;tdead是探测器的死时间。

2 光子计数激光雷达实验系统

为了分析光子计数技术应用于激光测距的性能,现设计研制了光子计数激光测距实验系统,实验系统原理结构如图1所示。激光雷达工作时,激光器发射的激光脉冲信号经过发射光学系统照射到目标表面,目标散射回来的激光信号由望远镜接收,利用光纤将接收到的光信号耦合至单元盖革APD上。激光雷达的主波和回波信号输出至TDC测时模块,将激光光子的飞行时间记录下来。控制和数据传输模块负责控制整个激光雷达实验系统的工作状态,并将采集到的数据传输至计算机。

实验系统采用了532 nm被动调Q微片激光器,激光脉宽约为550 ps(FWHM),发射激光能量约1μJ,重复频率10 kHz,出射激光发散角约为100μrad。采用20 mm口径的望远镜接收激光回波信号,当目标距离较近,激光回波能量过大时,利用可以调整的孔径光阑将接收到的激光信号衰减至单光子量级。单光子探测器采用Excelitas公司的盖革单光子探测模块(Single Photon Counting Module,SPCM),在532 nm处单光子探测效率达到50%以上,时间分辨率约300 ps,探测死时间30 ns,最大计数率25 MHz,暗计数小于250 Hz,通过多模光纤耦合的方式将光信号耦合至探测器光敏面上。主波探测采用高速的PIN光电二极管。时间测量系统采用基于FPGA延迟线内插的时间-数字转换电路[10](Time to Digital Converter,TDC),测时精度达到80ps,分辨率59 ps。为了抑制背景光噪声,激光雷达系统将探测视场压窄为100μrad;将盖革APD工作于门控探测模式下,门控时间为1μs;利用1 nm的窄带滤光片来滤除大部分激光波长以外噪声信号。

3 系统性能分析

为了验证光子计数激光测距的原理,评估其工作于强光背景噪声条件下的系统性能。利用设计的光子计数激光雷达系统,在白天日照条件下对40m外的标准反射率靶板进行了室外测距实验。

实验过程中,回波光电子数可依据激光雷达方程估计。其中,标准反射率靶板的反射率ρ=0.15,测试目标距离R=40 m,大气透过率Ta=0.99,调整孔径光阑遮拦后系统接收效率约为ηr=0.009,此时,回波光电子数约为113个。为了使接收系统能量尽量接近单光子量级,可进一步利用衰减片调整探测器接收到的激光能量,使回波光电子数在0—10波动。

图2是激光回波信号强度约为2个光电子时的对外测距实验结果。其中,图2(a)是激光雷达探测到的光子事件的空间点云分布情况,噪声信号较为均匀的分布在整个探测空间内,40 m处光子事件发生的密度明显强于其他距离处,有着极高的探测概率,通过光子计数累积和目标距离相关处理,能够有效的将噪声信号滤除掉,提取出目标的真实距离。经过滤噪处理的点云数据如图2(b)所示。图3是激光回波光子信号的累积分布图,当回波信号强度为2个光电子时,系统的测距精度约为6.23 cm。

进一步采用不同衰减率的衰减片对目标进行测距实验,实验结果如表1所示。分析表1中的实验数据,当回波光电子数较多时,目标的测距平均值偏近,测距精度较高;当回波光电子数较少时,目标的测距平均值偏远,测距精度降低。产生以上实验结果的原因是,当回波光电子数较多时,回波能量较大,触发单光子探测器的光子信号大部分来自于激光脉冲的前沿,较为集中,由于死时间效应,脉冲后沿的光子被探测到的概率降低,因而其测距值偏近,测距精度较高;当回波光电子数进一步衰减,回波能量较小时,整个激光脉宽内的光子信号都有可能触发探测器,因而其测距值偏远,受到激光脉宽的影响,其测距精度也较强回波能量时低一些。由此可见,在光子计数激光雷达中,激光脉宽将在很大程度上影响系统的测距精度,若要进一步提高测距精度,需要进一步压窄激光脉冲的脉宽,此外,探测器响应、时间测量系统精度等环节也会在一定程度上引入测距误差。

(Ns≈2 photonelectrons)

(Ns≈2 photonelectrons)

图4是不同回波强度下实验探测概率和理论分析值的对比,实验数据结果与建立的光子计数激光测距模型和设计参数相吻合,有效验证了光子计数激光测距的原理和设计理论,实验系统能够达到预期的性能。

4 结论

光子计数激光测距技术具有灵敏度高、资源消耗少、探测效率高以及探测距离远等优点,是新型的激光测距技术。本文主要研究了光子计数激光测距技术的原理,并在此基础上设计了光子计数激光雷达系统,以单光子灵敏度在日光背景噪声条件下实现了目标测距和数据提取,系统测距精度达到6.23 cm。实验装置和测试结果很好的验证了噪声条件下光子计数激光测距的原理和系统设计方法,进一步的研究工作将会深入地研究回波光电子数和测距误差的之间的关系,设计补偿算法,降低系统测距误差,取得更高的测距精度。

摘要：光子计数激光雷达采用了灵敏度极高的单光子探测器,能够将激光雷达系统的灵敏度提高2—3个数量级,具有极大的发展潜力和技术优势。介绍和分析了光子计数激光测距技术的基本原理和优点。设计了光子计数激光雷达实验系统,采用盖革模式的雪崩二极管(Geiger-mode APD),开展了测距验证实验。实验结果表明,采用光子计数激光测距能够在单光子灵敏度和强噪声背景条件下,获取目标的距离信息,距离测量精度达到6.23 cm。

关键词：激光测距,光子计数,单光子探测器

参考文献

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激光检测技术 篇11

关键词：激光超声；热弹效应；无损检测

中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0010-03

目前，管道与管件缺陷的检测技术主要有X射线照相法、超声波检测法、磁粉检测法、渗透检测法和电磁感应检测法，其中超声波检测法不受材料、厚度与几何形状的限制，随着新型超声传感器技术、自动化控制技术、现代计算机技术与图像处理技术的发展，超声检测也逐渐进入自动化检测时代。这样就能检测出缺陷的大小和形状，获得缺陷永久记录。传统的射线检测对人体有伤害，需要添加探伤人员的安全防护措施。另外，射线探伤设备不仅投资大，而且体积庞大，含有检测结果的底片不易携带，对于人体辐射很大。液浸法检测需要将被检件置于水槽中或在工件与探头之间喷水流，因此在很多场合应用不方便。

为克服传统超声检测的不足，利用激光激发超声波来检测使一门新兴技术——激光超声检测技术应运而生。激光超声检测技术具有非接触式检测、远距离操作、抗干扰能力强、空间分辨率高、可检测不规则表面及用于操作空间受限的场合、快速实时、可在恶劣工况下使用等优点，目前已逐渐成为无损检测的重要手段。

1 超声激励技术研究

超声激励技术：激光超声的产生机理一般有热弹效应、烧蚀效应、辐射压力、电致伸缩、介质击穿和汽化膨胀等类型。但在实际应用中主要考虑热弹与烧蚀两种方式激发超声波。热弹效应是在入射激光功率密度低于材料表面的损伤阈值（金属材料一般为107W/cm2），不会使材料发生熔化和烧蚀，材料表层吸收了入射激光的能量并转化为热量，引起热膨胀而产生表面的切向应力。热弹效应对材料表面无损伤，并且能产生各种波形，应用最为广泛。

2 激光超声管件焊缝缺陷检测方案设计

1.Nd∶YAG激光器 2.分束镜 3.凸透镜或柱面透镜 4.样品 5.放大器 6.示波器 7.控制卡 8.光电二极管 9.计算机 10.纵横电机 11.横向电机 12.纵向固定板 13.PVDF压电薄膜 14.钨棒 15.特氟龙胶 16.金属装置外壳 17.横向移动滑块 18.纵向丝杆 19.横向固定底板 20.纵向固定底板 21.横向丝杆 22.Ⅰ横向固定板 23.Ⅱ横向固定板 24.纵向移动滑块

图2 激光超声缺陷检测系统

利用PVDF传感器检测激光声表面波的实验系统如图2所示。波长1064nm、脉宽10ns的Nd∶YAG脉冲激光通过柱面镜聚焦成线光源投射到样品表面激发声表面波。实验触发信号是通过光电二极管（上升时间为lOOps）获取脉冲激光经分光镜反射的散射光来实现。将PVDF传感器固定在二维精密平移台上，并使刀劈沿声表面波传播方向放置。通过计算机控制横向电机11，横向移动滑块17在横向丝杆21上移动，从而使PVDF传感器在试块表面横向移动，移动范围在两个横向固定板22-23内。通过计算机控制纵向电机，纵向移动滑块24在纵向丝杆18上移动，移动范围在12-17内，通过纵向移动可以控制PVDF传感器在样品纵向移动，从而实现对样品表面的扫描。当脉冲激光在样品表面激发声表面波时，声表面波沿表面传至探测点位置，由于声扰动会导致材料表面发生微小形变，对PVDF薄膜产生机械应力，通过PVDF薄膜转换为电荷信号，再经前置放大器放大，接入至OTDS3054B数字示波器采集超声

信号。

3 实验数据分析

采用数据采集卡采样频率100M/S，采用连续采集方式，并对同时采集三路数据。

在离焊縫10mm处，固定激光激发点，并且在焊缝的同一侧平行于管道的中心轴且远离焊缝的方向进行移动检测点，每次移动距离20mm。

4 结语

通过管道数学模型的建立，对激光热弹的效应进行了理论分析，并对激光超声管件焊缝缺陷检测方案进行了设计。通过实际试验得到如下结论：在激光脉冲激发超声后，超声在被测物件中传播时，损耗较大，并伴随有频移、频散现象发生，在超声被激发的200mm距离内可以进行超声检测，距离增加后基本上由于信噪比变小，但可以检测到超声信号，信号幅度随检测点距离增加呈线性减小，信号的频率基本在9～10MHz左右。通过试验分析可以得出：利用激光激励超声波来检测管道焊缝缺陷方法具有可行性。

参考文献

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[10] 曾宪林，等.激光超声技术及其在无损检测中的应用

[J] 激光与红外，2002，32（4）：224-227.

作者简介：张俊杨（1986-），男，河南信阳人，供职于中国石油天然气管道通信电力工程总公司，研究方向：激光超声和相关控制电路。

激光检测技术 篇12

无损检测是一门以不改变被检测对象的使用性能和状态的综合性科学技术。无损检测技术随着现代科技和工业的发展, 其应用范围也越来越广。但是, 传统的无损检测方法有其局限性, 在温度、压力较大或者具有放射性或腐蚀性的环境下就不能完全满足要求, 而激光超声检测技术由于能够在短时间内不接触物体进行激光激励, 因此, 适合于环境复杂的检测环境, 并具有极强的抗干扰能力。所以, 激光超声技术在材料缺陷和性能的无损检测中发挥了超声检测的优势, 其应用广泛[1]。

1 基本原理

激光超声是指用脉冲激光在介质中所产生的超声波或利用激光来产生超声这一物理过程。激光可以在固体中产生超声, 也可以在气体和液体中产生超声。利用激光产生超声波的方法可分为直接式和间接式两大类。被测材料与激光直接作用是直接式, 通过融蚀作用或热弹效应等激发出超声波;利用被测材料周围的其它物质作为中介来产生超声波的则是间接式。

2 激光超声技术在无损检测领域的应用

目前在很多领域都已经初步应用了激光超声技术, 特别是越来越广泛的应用在无损检测领域。

2.1 恶劣环境下的无损检测

利用激光超声的非接触式、非侵入性等特点可以对材料特性在高温辐射等恶劣环境下进行测量, 也可以对材料在高温条件下进行检测, 特别是可以应用激光无损在高压、高湿、酸、碱或有毒以及检测环境或被测工件存在强腐蚀性、核辐射和化学反应等环境下检测。如利用激光/FP (法布里-珀罗标准具) 系统在位监测陶瓷在温度700℃~1200℃之间的烧结过程;德国的Keck等利用准分子激光作为超声波的激发源, 利用Nd∶YAG激光接收, 在热轧无缝钢管生产线上成功地在线检测了管坯壁厚均匀性;美国EG&G公司利用激光超声技术成功地分析了核反应堆中的石墨特性。因此, 激光超声技术在高温、核辐射等环境下成为了工业上定位、在线监测的重要手段之一。

2.2 材料性质的高精度无损检测

以激光超声表面波为代表的用于微小缺陷检测的激光技术的研究, 是目前国际学术界的一个研究热点, 日益成为超声工程和无损检测领域的一个重要内容[2]。

由极短的激光脉冲激发出极短的超声脉冲, 并通过对衍射超声波渡越时间差的分析, 可以对材料的缺陷以及其位置进行非常准确地确定, 其精度可小于0.1 mm。对于十分靠近表面的缺陷, 当用接触式探头时, 由于近场死区的存在, 因而很难探测, 而改用激光探头时, 探测则很容易。一种全光学检测系统由光探针与LGAP相结合所构成, 通过这个系统可以检测亚表面缺陷, 不但可以探知缺陷以及确定缺陷的位置外, 还可通过对缺陷附近的脉冲模式转换的探知, 进而对缺陷的详细情况进行了解。美国哈里·戴蒙实验室的一个研究小组就是利用这一系统进行弹壳实验, 检测出了小于弹壳临界尺寸一半的缺陷。由于一套完整的检测系统体积庞大、结构复杂且造价高昂, 而且又需要严格的激光防护措施, 所以, 将LGAP与光探针相结合的系统, 在短时间内难以广泛应用于工程实践。

3 技术难题及其发展方向

通过激光产生的超声波进行探测, 是非接触的, 不存在耦合与匹配问题, 避免了对信号的各种干扰以及使用藕合剂对某些材料造成的污染问题, 同时也可以实现快速扫描和成像。从而扩大了超声检测法的应用领域, 但也存在一些亟待解决的问题。

3.1 光声能量转换效率低的问题

增强激光超声的强度就提高激光能量转换到超声能量的效率, 但是, 为不损伤被测件表面, 不可以过大的增强激光辐射能量, 可以从提高光的吸收效率来提高光声转换效率。现初步研究涂各种不同的液体涂层在试样表面上, 既可增强对光能量的吸收, 也可以防止试样表面损伤。

3.2 激光超声信号检测灵敏度问题

在实验室里, 为尽可能加大反射光的接收量, 检测样品表面被高度抛光。然而在工作现场, 表面会发生漫反射或很脏, 这对许多领域的推广应用是临界的, 且大多数激光超声波系统的灵敏度在数量级上比常规超声无损检测系统要差些, 如果激光超声信号的检测灵敏度特别高, 反过来可以降低对激发超声信号的激光功率的要求。由于换能器检测的局限性, 不太适合检测激光超声信号, 而光学检测法特别适合于窄脉冲激光产生的宽频带超声检测, 因此, 提高光学检测法的灵敏度是目前发展趋势之一。

若上述两个问题得到解决, 激光超声技术将得到更广泛的应用。

4 结语

由于激光超声无损检测技术具有非接触、可远距离测量、高时间分辨率及空间分辨率等一系列优点, 因而特别适用于恶劣环境条件下的在线检测、快速超声扫描成像等一系列实际场合。虽然目前存在着一些技术难题, 但是, 如果由激光能量到超声能量的转换频率以及激光超声信号检测灵敏度的进一步提高, 激光超声技术的应用将更加广泛, 激光超声无损检测技术会有更加广阔的前景。

参考文献

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