镀膜是汽车、 船舶、 航空制造等行业必不可少的工艺步骤, 合理的漆膜厚度不仅有利于涂装质量的稳定, 还有利于节约涂料、 降低涂装成本。 随着工业 4.0的时代的到来, 在生产线上实现在线、 非接触的无损高精度检测是必然趋势。 相比于传统的测量手段, 基于飞行时间原理的太赫兹测厚方法能够实现非接触式的在线测量, 但是当样品的光学厚度较小时, 太赫兹脉冲将在时域发生混叠, 无法直接通过脉冲峰值位置获取准确的飞行时间。 针对这一问题, 建立了太赫兹反射信号的多元回归模型, 借助差分进化算法自动计算模型参数、 求解样品厚度, 实现了在样品折射率未知情况下对涂层厚度的自动测量; 提出了一种基于反射式太赫兹时域光谱系统与随机优化算法的厚度测量方法, 针对同一时域信号进行多次计算, 验证了差分进化算法的稳定性; 分析了样品基底所处平面的法线方向与太赫兹波出射方向之间的角度误差对测量结果的影响; 研究了飞行时间法应用于多层样品中测量各层厚度的可行性。 结果表明, 差分进化算法的计算结果较为稳定, 浸锌漆、 黑色漆和底漆三种样品厚度计算结果的不确定度分别为0.22 μm(223.87 μm), 0.05 μm(54.18 μm)及0.08 μm(284.95 μm), 折射率计算结果的不确定度分别为0.004(3.967), 0.002(2.091)和0.001(1.769); 对于浸锌漆样品, 1°的角度误差带来0.073 μm的测量误差, 测量结果对角度误差具有较强的稳健性。 由于多重反射效应的存在, 该方法虽然可以求得多层样品太赫兹测量信号中各个反射脉冲的飞行时间, 但不能区分反射脉冲来自哪一个反射界面, 从而无法求解各层涂层的厚度。 分析证明, 基于飞行时间原理的测厚方法简单易行, 可以较为准确地测量单层样品的厚度, 对角度误差不敏感; 在拓展到对多层样品进行测量时, 该方法具有较大的局限性, 不能在时域上区分多重反射脉冲, 无法准确计算各层介质的厚度与折射率。
太赫兹脉冲光谱 飞行时间模型 差分进化算法 Terahertz spectroscopy Time of flight Differential evolution algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3066
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学太赫兹中心, 天津 300072
在汽车工业、 飞机、 船舶等领域中, 油漆的涂层厚度管理对产品防水、 防锈功能和颜色效果有着重要影响, 但是目前采用的商业化涂层测厚仪都是接触式, 并且很难直接获得多层涂层中的各层厚度。 利用反射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统探测样品的太赫兹脉冲光谱, 基于脉冲回波的飞行时间建立简易的单点漆膜厚度提取模型。 并通过最小二乘法拟合油漆样品的光学厚度与几何厚度之间的线性关系计算出12种涂覆在铝板上的油漆样品的测量折射率, 发现金属油漆与非金属油漆在太赫兹波段的折射率存在较大的差异, 闪光银色油漆样品的测量折射率为5.15, 而白色油漆样品的测量折射率仅为2.64。 在单层白色油漆样品厚度分布均匀的区域内测量50个点的膜厚, 以磁/涡流感应涂层测厚仪的测量数据为参考标准, 得到的厚度平均值为71.7 μm, 测量误差为3.5 μm。 对双层油漆样品进行二维扫描, 测得白色油漆和底漆的厚度分布分别是(233±13)和(130±11) μm。 同样, 通过黑色三层油漆样品和银色三层油漆样品的二维分布图, 分析了各层的漆膜厚度及其分布的均匀性。 结果表明, 太赫兹脉冲光谱法实现了1～3层漆膜的厚度测量及其分布均匀性评估, 该方法对金属油漆的厚度分辨力较高, 并且可通过非接触探测样品的太赫兹脉冲光谱, 获得多层油漆的各层厚度及厚度的二维分布信息, 易于实现喷涂质量的评估。
太赫兹脉冲光谱法 飞行时间 多层 涂层厚度 非接触 均匀性 THz-TDS Time-of-flight Multilayer Coating thickness Non-contact Uniformity 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3332
1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 等离子体物理重点实验室, 四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院研究生院, 北京 100088
针对调频小宽带脉冲传输过程中调频到调幅(FM-to-AM)效应的演化规律, 结合理论模拟与实验验证, 研究了一定线宽下不同级次光谱缺失或损耗所引起的脉冲的时间波形变化量及变化特征, 结果表明波形调制度与光谱成分缺失量成线性增长关系, 波形调制的轮廓与缺失光谱成分在光谱中的位置相关。这些结果为FM-to-AM效应的预补偿和抑制提供了依据, 对激光器安全运行和改善物理实验效果具有一定意义。
激光器 调频到调幅效应 调频脉冲 脉冲光谱 高功率激光 激光与光电子学进展
2017, 54(10): 101405
提出了一种利用光纤波长色散测量脉冲光谱的方法。由于具有较宽光谱的脉冲光在一定长度的光纤中传播时会发生波形展宽，需要根据测量和标定结果校正展宽的波形才能得到光源的实际光谱曲线。标定时首先利用ps级脉冲光源对测量系统进行时间响应标定，得到系统的时间响应函数; 接着测量不同波长光的走时，得到不同波长的群折射率; 最后测量光纤中的光谱衰减，得到各种波长的相对衰减或传输效率。利用以上3个标定结果，对波形进行数字逆卷积，并进行走时校正和衰减系数校正，即可对所得到的波形进行恢复。经实验测量和数据处理，得到了一种红光闪烁体的发光光谱曲线，其中心波长与用其他方法测到的中心波长的差小于2 nm，谱线形状基本一致。研究显示，在脉冲光的脉冲宽度远小于其色散展宽时，可以利用光纤的波长色散对脉冲光的光谱进行测量。
光纤色散 脉冲光谱 发光光谱 闪烁体 optical fiber dispersion pulse light spectrum luminescent spectrum scintillator
