Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстропротекающих процессов в условиях фоновой засветки

• Автор: Тригуб, Максим Викторович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Введение

ГЛАВА 1. Активные среды на парах металлов в активных оптических системах

1.1 Активные оптические системы с усилителями яркости на парах металлов

1.2. Активные элементы на парах металлов

1.2.1. Усилительные характеристики

1.2.2. Частота следования импульсов

Выводы по гл.1

ГЛАВА 2. Приборы и техника эксперимента

2.1. Конструкции активных элементов, используемых в качестве усилителей яркости

2.1.1. ГРТ с традиционной накачкой

2.1.2. ГРТ с емкостной накачкой и внутренним реактором галогенида металла

2.2. Схемы накачки
2.2.1. Схемы накачки на основе полупроводниковых коммутаторов
2.3. Методы и приборы для измерения (регистрации) характеристик лазерного излучения и электрических импульсов
Выводы по главе 2
Глава 3. Усилители яркости на парах галогенидов металлов
3.1. АОС с усилителями яркости на парах бромида меди (с традиционной и емкостной накачкой)
3.2. Усилительные характеристики активных сред на основе лазеров на парах галогенидов металлов большого диметра
3.3. Система покадровой регистрации изображения
3.3.2. Измерение усилительных характеристик с помощью лазерного
монитора с покадровой регистрацией изображения
3.4. Особенности работы АЭ в режиме усилителя яркости изображения
3.4.1. Работа АЭ без добавки НВг
3.4.2. Работа АЭ с добавкой НВг
3.5. Высокочастотный усилитель яркости
3.6. Активные среды на парах галогенидов металлов с внутренним реактором галогенида
3.6.1. Усилительные характеристики АЭ на парах хлорида меди с внутренним реактором галогенида с емкостной накачкой
3.6.2. АЭ с внутренним реактором галогенида на переходах атома Мп с традиционной накачкой.
Глава 4. Лазерный монитор на основе активной среды на парах бромида меди
4.1. Высокоскоростной лазерный монитор с покадровой регистрацией изображения
4.1.1. Расчет оптической схемы
4.1.2. Контраст получаемых изображений
4.1.3. Методы улучшения контраста
4.1.4. Определение перемещений объекта
4.2. Визуализация процессов, экранированных фоновой засветкой
4.2.1. Расчет уровня засветки
4.2.2. Визуализация объектов и процессов, экранированных внешней фоновой засветкой
4.2.3. Визуализация процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (случай собственной засветки)
4.3. Действующий образец лазерного монитора
4.3.1. Источник накачки с импульсным зарядом рабочей емкости
4.3.2. Активный элемент
Выводы по главе 4
Заключение
Литература
Приложение 1. Акты использования результатов работы в Отделе
структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и в учебном процессе на кафедре ПМЭ ИНК ТПУ.
Приложение 2. Патенты на изобретение и на полезную модель 147 Приложение 3. Расчет источника накачки для действующего образца лазерного монитора
Приложение 4. Метод лазерной подсветки

Введение
Актуальность работы
В настоящее время развитие новых технологий зачастую связано с использованием мощных потоков энергии (лазерное излучение, потоки частиц и т.д.), которые взаимодействуют с различными объектами. К ним можно отнести плазмоиндуцированные процессы, модификацию поверхностей материалов с целью улучшения эксплуатационных характеристик, получение новых материалов, в том числе, наноструктур, процессы сварки и т.д. При этом, для выявления дополнительной информации позволяющей, например, оптимизировать нанесение покрытий, необходимо наблюдать за состоянием поверхности непосредственно во время нанесения. Особенности таких процессов - малые размеры области воздействия, высокая скорость протекания, наличие экранирующей засветки (как правило, широкополосной), интенсивность которой может достигать значительных величин, не позволяют проводить их визуализацию в режиме реального времени. Для решения задачи визуализации наиболее предпочтительными являются активные оптические методы неразрушающего контроля с использованием индуцированного излучения. К таким методам относятся лазерная подсветка и системы с усилителями яркости изображения [1].
Системы с усилителями яркости изображения - активные оптические системы (АОС) получили широкое распространение в 70 - 80 года 20 века, когда применялись, в основном, для получения увеличенных изображений на больших экранах. С развитием современной проекционной техники интерес к ним снизился. Однако важная особенность подобных систем - возможность наблюдения процессов в условиях мощной фоновой засветки, за счет высокой спектральной яркости излучения, с высоким временным разрешением стала активно использоваться с появлением на рынке высокоскоростной регистрирующей аппаратуры - высокоскоростных цифровых камер. Одним из первых, кто предложил использовать подобные системы для наблюдения процессов, протекающих в условиях мощной фоновой засветки в режиме реального времени был И.И. Климовский [2]. Он же ввел термин лазерный монитор для подобных систем.
Большинство ранних и современных работ посвящено использованию
АОС с усилителями яркости на самоограниченных переходах атома меди для

Таким образом, наиболее перспективной с точки зрения конструкции и характеристик для создания АОС с усилителями яркости является активная среда лазера на парах бромида меди с активными добавками водорода и водородосодержащих соединений.
1.2.2. Частота следования импульсов
В случае наблюдения быстропротекающих процессов [35-44], важным фактором становится временное разрешение системы. Оно определяется временным разрешением используемого регистратора (скоростная камера, ВФУ-1 и т.д.) и ЧСИ усилителя. Современные регистраторы (ПЗС и КМОП матрицы) позволяют производить съемку с временным разрешением свыше 10б кадров/с. Следовательно, если использовать высокоскоростные (высокочастотные) усилители яркости, то можно получить высокое временное разрешение в лазерном мониторе.
Впервые ЧСИ, равная 100 кГц, для лазера на парах меди (длина рабочего канала 50 см, диаметр 7 мм) получена в работе [79], В [80] сообщается о ЧСИ 150 кГц в трубке диметром 1.6 мм. Позднее, в работе [81] в ГРТ диаметром 8 мм и длиной 36 см достигнута ЧСИ 235 кГц.
В работе [82] представлены результаты исследования частотных характеристик СиВг-лазера. Экспериментально получена ЧСИ 300 кГц при использовании ГРТ диаметром 1.4 см. Максимальная ЧСИ для ГРТ диаметром 0.8 см составила 270 кГц, а для ГРТ диаметром 0.4 см - 160 кГц. Дальнейшее повышение ЧСИ в трубках с диаметром менее 1 см, по мнению авторов [82], может быть осуществлено в режиме пониженного энерговклада. В трубках среднего диаметра (порядка 2 см) повышение ЧСИ связывается с введением добавки водорода в активный объем [83]. Получена рекордная для лазеров на парах металлов средняя мощность 1.5 Вт в ГРТ среднего размера при ЧСИ 250 кГц (10.5 Вт при ЧСИ 100 кГц).