1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 畢 業 論 文 文獻綜述、讀書報告、外文翻譯學院名稱： 機 械 學 院 專業班級： 光 信 1002 學生姓名： 蔣 杰 志 指導教師姓名： 佟 艷 群 指導教師職稱： 講 師 2014年 06月文 獻 綜 述摘 要本文介紹了當前激光散斑技術的一些比較成熟的應用領域、現今的一些表面分析技術和激光散斑法對金屬表面狀態的分析。激光測量技術具有快速、非接觸、無損特點，一直是研究的焦點。隨著人們深入認識相干激光產生的散斑特性，作為一種統計測量技術，越來越多的人把散斑技術應用到測量表面粗糙度、位移、旋度、流體等領域。在線檢測表面狀

2、態一直以來都是研究的熱潮，為了尋找一種簡單，無損的方法評估表面的狀態，國內外提出了眾多的課題研究，詳細的分析別的方法的優缺點，結合本次研究課題討論本次研究的意義。引言隨著現代社會經濟的迅猛發展,對精密工件也提出了更高的要求,如何衡量加工工件表面質量,即表面狀態的分析是精密工件加工中至關重要的一環。而大多數的精密工件都是金屬，所以本文主要研究重點是激光散斑法對金屬表面狀態的分析。以前激光散斑技術用來測量振動、位移、應變、流體速度、傳熱、表面粗糙度1-4，不僅用于工業測量，在醫學5-7、生態學等眾多領域也有相當重大的貢獻，然而激光散斑技術在表面分析領域中尚未有深入研究。表面粗糙度是對零件加工表而所

3、具有的微小間距和微小峰谷以及微觀幾何尺寸特性的綜合評價，單獨作為評估金屬表面狀態的參數顯得太過主觀，為了更詳細的評定表面狀態，結合激光散斑法對表面狀態分析，提供了一個客觀的分析結果。1.激光散斑技術1.1.激光散斑 當激光光束投射到能散射光的粗斑表面（平均起伏大于光波波長數量級的表面)時，將會呈現出用普通光見不到的斑點狀的圖樣。其產生是由于激光的高相干性，當激光照射到物體粗糙表面時，面上每一點都可視為一個子波源，它們的散射光相干疊加后在光場中用探測器或眼睛接收時，就能記錄到一種雜亂無章的干涉圖樣，這樣的干涉圖樣被稱為激光散斑。起初人們把散斑視為降低成像質量和限制干涉條紋清晰度的光學噪聲，但近3

4、0年發展起來的散斑攝影術和散斑干涉度量術卻形成了一種嶄新的光測力學方法，散斑計量學。1.2.激光散斑技術的應用隨著社會的不斷發展，激光散斑技術應用領域不斷擴展，1984年，陳華麗用 激光散斑法測量裂紋尖端張開位移及應力強度因子8。1986年，陳方等人用激光散斑法測量物體的傾角，增加了新的靈敏度調節因子，得到了測量物體傾角的新方法9。1990年，王建華成功的用激光散斑測量位移10。1991年，袁格等人與肖明海分別研究了激光散斑法在流體中的應用與透明物質的厚度測量11-12。1994年，姜守訓等人用激光散斑法測定玻璃的線 脹系數，提出了簡單的測量方法13。1998年，梁承姬等人展開了激光散斑法對凍

5、土微裂紋形貌和發展過程的研究，為凍土材料的宏微觀力學行為研究及彈塑性斷裂韌度測試分析提供了有效的途徑14。1999年，朱艷英等人用激光散斑法檢測金屬材料的焊接缺陷15。早期激光散斑技術就應用在各個領域且不斷被深入研究，應用在表面狀態上的研究也是層出不窮，而大部分的研究都著眼于材料的表面粗糙度。在1983年，上海市激光技術研究所的趙嘩英與上海交通大學包學誠，提出了激光散斑技術在表面粗糙度測量中的應用16。表面粗糙度，是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度，是評估表面狀態的一個相當重要的參數。根據激光散斑強度分布的統計特性和利用散斑相關技術可以確定表面的粗糙度。這種方法具有非接觸，無破壞等特點

6、，并且可以直接得到表面粗糙度的特征參數(如Rq)，是一種很有發展前途的表面粗糙度測量的光學方法。實驗采用圖1裝置,先利用C C D元件測量散斑反差，在利用消相關條件確定表現粗糙度。得出表面粗糙度測量可以利用激光散斑特性，這種測量方法與微處理機結合，可以達到數字化，是一種參數測量法。 圖 1 激光散斑法測表面粗糙度的實驗裝置圖1993年，江蘇工學院教授提出了一種激光散斑法實時測量表面粗糙度的新 方法17，根據激光散斑相干性原理與理論，提出了用雙達夫枝鏡產生兩束間距和夾角連續可調的平面光波同時照射粗糙表面，由1-D CCD采集散射光場的相干涉信號，經過計算機對對比度的處理，能實時測量物體表面粗糙度

7、 。測試裝置如圖2,該方法較現行測試法提高了判讀精度，擴大了測量范圍。 圖 2 雙達夫枝鏡測量表面粗糙度實驗裝置圖近期國內周晨波等人提出了利用激光散斑技術對表面粗糙度紋理研究的兩種方法18。介紹了基于灰度共生矩陣和自相關函數的對工件表面粗糙度進行研究的兩種激光散斑測量技術。基于灰度共生矩陣和自相函數的激光散斑測量技術，為研究工件表面的粗糙度，提供了一種新的技術途徑。激光測量技術具有快速、非接觸、無損特點,隨著人們對相干激光產生的散斑的認識深入,激光散斑技術作為一種統測量技術,越來越多的人把散斑技術應用到測量表面粗糙度領域。采用激光散斑測量工件表面粗糙度的原理、方法和裝置的研究近年來相當活躍，國

8、外尤然。Ohtsubo等人根據衍射散斑強度變化的平均對比度與表而隨機起伏的慨率分布有關的特性，提出通過測量對比度平均值，從而檢測粗糙度19。YO slimura等人用動態散斑圖為照明光源，對時間積分求得平均對比度來測量粗糙度20。2001年,S.L.Toh,C.Quan, K.C. Woo,等人提出了基于激光散斑法測量古老物體表面的粗糙度21,并且研究中得到了較好的實驗結果,并對實驗誤差作了分析。2008年，Agnieszka J.Klemm 等人研究了應用激光散斑分析和評估進行激光清洗的膠結表面22這一課題，由于反射光的強度取決于樣品的幾何微觀結構和顏色，所以表面的任何變化將導致不同的散斑圖

9、像，借此原理評估激光清洗的有效性，提出了側面評估表面狀態的參數：(1) . 反射光的平均強度：反射光的平均強度可以通過，一個估計的預期值的所有記錄點強度的直方圖，或通過使用一個強度圖獲得。光強度表示的是灰度級(0 - 225)的意思，相對單位為(r.u)。(2) . 不對稱的偏態：偏態是一個測量強度的柱狀圖,在一個散斑圖像中揭示了亮點和暗點的數量是否相同： (1)S是標準差和是第三個中心矩:： (2)K表示許多類的平均值和大小，E是所有元素的數量，x是樣本的平均值。當Sk1或1，分布高度傾斜；當0.5 < | Sk | < 1，分布適度傾斜；當0 < | Sk | <

10、0.5，幾乎是對稱分布。偏態揭示了在散斑圖像中亮點和暗點的數量是否一樣。(3) . 峰度：峰度是衡量“尖峰”的強度的柱狀圖。它可以由以下方程表示。 (3)在第四個中心矩和S是標準偏差當K = 3，據說是常峰態的分布與引用“正態分布”；當K < 3,據說是低峰態分布，當K > 3，據說是尖峰的分布如圖2所示 圖3 不同峰態的光強分布 實驗中使用的設置采用的方法如圖4，激光光束被棱鏡分為兩束。因此，一部分光線穿過隔膜，到達標本；另一部分到達光電傳感器控制激光器的穩定工作。標本反射的光被相機記錄和分析。 圖4 測量系統的原理圖2. 表面形貌分析技術早期用于表面形貌分析的方法主要是各種顯微

11、分析技術 ,如透射電子顯微鏡 、 掃描電子顯微鏡 、場離子顯微鏡 、掃描隧道顯微鏡 、 原子力顯微鏡等接觸式探針測量儀23，在一個確定的方向上測得的參數比較直觀，操作簡單、讀數快捷，并且目前該儀器使用范圍很廣，參數也被廣泛地接受。現代的接觸式粗糙度儀可以與計算機相連，通過對一系列相鄰斷面的粗糙度的分析和計算，給出一個“準三維表面形貌”。但通過一個固定半徑的觸針得到的數值不可避免有不真實的情況，且有由于觸頭損壞或材料表面被劃傷造成所測數值不準的危險。更重要的是，該儀器提供的不是表面的特征參數，而是特定方向上的“線參數”。 隨著社會的飛速發展，離線檢測物體表面狀態技術已經滿足不了工業需要，各類實時

12、在線監測系統不斷崛起。 1996年,唐荻,王先進由計算機、改進的光學顯微鏡、CCD一攝相機、監視器與控制器組成了三維表面形貌測量儀24。利用該系統測得的三維表面形貌,在使用中根據需要也可以給出確定方向的、與接觸式粗糙度儀相同的“線粗糙度” 。當然這僅是由于目前大量使用的仍是該參數,三維系統的優勢和特點是可以給 出一系列三維的表面信息。 1997年 ,由Y.F.Lu等人研究了during excimer laser interaction with copper surfaces準分子激光在銅表面的相互作用時清潔和消融的聲波監測25。根據聲波的振幅取決于激光影響、脈沖數和襯底的表面狀況，建立一個

13、振幅和激光基質參數之間的關系,提出了一種計算公式實時監測激光固體交互。1999年，S. Klein, T. Stratoudaki等人在研究激光誘導擊穿光譜在線控制激光清洗的砂巖和彩色玻璃時26，用等離子體發射光譜研究來確定地殼的元素組成和底層材料。在線實現光譜技術LIBS為清洗過程提供了重要信息和最佳清洗參數藝術品從玻璃和石頭為了避免清洗過渡。2000年，J. M. Lee, K. G. Watkins等人研究了基于模糊規則的預測系統的表面損傷激光清洗過程27，提出了一種基于模糊規則的專家系統預測在激光清洗時表面的損傷。模糊規則庫是用來嵌入聲學信息，通過一個寬頻帶麥克風，提供一個清潔的進展和

14、結果。J.M. Lee等人又在激光清洗的監測技術研究中對激光影響的監測進行了基于神經網絡的邏輯通過聲譜的識別模式28。這些技術可以提供獨特的信息描述的過程。2001年，J. M. Lee在表面激光清洗過程監控中使用了彩色調制技術 ，基于彩色燈技術對激光清洗流程開發了一個進程內表面監測系統29。三色的彩色監控系統由光電探測器、光纖和基于PC的數據采集和處理系統如圖5所示。為了演示它的實用性和通用性,該系統用于表面監測激光清潔紙和石頭。結果表明，不僅來源于彩色光譜參數檢測提供一個明確的指引，而且表面清潔和表面損傷也有其獨特的表面彩色信息特征。它也顯示如何使用彩色調制技術在激光清洗過程中作為一種快速

15、、可靠的方法監測表面狀態。圖5 基于彩色燈技術對激光清洗內表面的監控模型 2003年，Paraskevi Pouli等人在激光清洗無機結垢的出土文物:多光譜成像的方法評價清洗效果中提出多光譜成像系統來實時監控清洗過程30。Marta Jankowska等人在低成本傳感器在線監測激光清洗系統中31,提出了低成本傳感器的替代方法，使用一個簡單的光電二極管檢測散射光的照射區域。在許多情況下,這個信號包含多個層和被刪除的信息。光電二極管的散射輻射檢測來源于激光等離子體以及反射的激光輻射，可以用于閉環控制或在線監測。2005年，T. Kim, J.M. Lee等人研究了聲發射監測激光沖擊過程中硅片的清洗

16、32，為了描述激光沖擊清洗過程，在沖擊過程中產生的聲波由寬帶實時測量，發現聲強度與激波強度密切相關。從聲學分析,發現聲強度隨著入射激光功率密度增加而增加。M Strli，V.S. Selih等人研究優化和在線聲學監測激光清洗臟的紙課題時33作了如圖7的實驗設計，研究發現聲學監測為在線控提供了一個可監能性。圖7 聲學監測激光清洗臟的紙的模型圖當前在線測試和測量技術似乎正向著正確方向邁進。不斷增多的自動化，強調操作環境的清潔度和對越來越多的各種特性的監控，都預兆著將來的需要能夠得到滿足。將來工藝控制數據的實時直接反饋，允許在工業上能夠真正有效地利用工藝控制技術。實時反饋可能且應該在小的工序中進行。

17、更為廣泛的應用將由工藝模擬構成。今天我們所需要的某些重要的控制，正是由于我們確定工藝的方法缺少靈活性的結果。通過模型的更靈活的使用，在使某些具體參數能在較通常所允許的更廣泛的范圍內變化的同時，我們能保持工藝的平衡。結論對表面和界面的研究和利用，是改進工藝、提高性能、發展新型材料和器件有著重要的意義，各種在線檢測表面狀態系統相繼被提出并研究，部分已投入到了生產線當中，對于這些檢測系統可謂各有千秋。光學測量是無接觸的，所以精確度很高，無任何虛假因素，而且得到的參數是來自整個表面，排除了任何偶然因素的影響，所得的表面信息量很大，有利于系統地進行摩擦學和表面形貌的研究。激光測量技術具有快速、非接觸、無

18、損特點，因此顯得倍受青睞。 近年來，激光散斑技術越發成熟的應用于各個領域，就本次課題基于激光散斑法分析金屬表面狀態而言，作為評估表面狀態的重要參數，表面粗糙度，一直是研究的焦點。激光散斑法測表面粗糙度近年來也不斷被深入研究，然而針對表面形貌分析卻沒有提出更為全面客觀的研究主題。就2008年，Agnieszka J.Klemm 等人在應用激光散斑分析和評估進行激光清洗的膠結表面提出了側面評估參數。 基于激光散斑法評估激光清洗的有效性，并沒有提出表面分析的具體參數，而是把結論分為了三個區域，從客觀參數來評估清潔的表面，正好給了啟發。就多元方程相似的原理，一個主觀的結論，卻可以來源于多個因素，這便失

19、去了所謂的唯一，即在精準度上有一定的缺陷。當我們選定了一組特定因素加上主觀結論，這無疑是提高結果的精準度。因而基于激光散斑法分析金屬的表面狀態，結合前人的研究結果提出新的研究標尺，從主觀客觀角度全面解析金屬表面狀態，分析激光散斑圖像與粗糙度之間的關系，以實時監測為目標，基于激光散斑法更加精準的定義金屬表面的狀態。文獻綜述的附錄：1 Z.Y. Guo,Y. Song, Z. Li, Laser speckle photography in heat transferstudies, Exp. Thermal Fluid Sci. 10 (1) (1995) 116.2 M.A. Rebollo,

20、 E.N. Hogert, J. Albano, C.A. Raffo, N.G. Gaggioli,Correlation between roughness and porosity in rocks, Optics LaserTechnol. 28 (1) (1996) 2123.3 A. Kato, Detection of fatigue damage in steel using laser speckle, OpticsLasers Eng. 33 (5) (2000).4 C.S. Vikram, H.A. McKinstry, A laser speckle method f

21、or measuringultra-low thermal expansion, Optics Lasers Eng. 6 (2) (1985) 91100.5Ning Mo,Julia C. Shelton,Laser speckle photography to measure surface displacements on cortical boneverification of an automated analysis system.Medical Engineering & Physics 20 (1998) 594601.6M. Roustita,C. Millet,S

22、. Blaise,B. Dufournet,J.L. Cracowski,Excellent reproducibility of laser speckle contrast imaging to assess skin microvascular reactivity.Microvascular Research 80 (2010) 505-511.7Filip Lindahl, Erik Tesselaar, Folke Sjoberg,Assessing paediatric scald injuries using Laser Speckle Contrast Imaging.BUR

23、NS 39 (2013) 662-666.8陳華麗，用激光散斑法測量裂紋尖端張開位移及應力強度因子. 應用力學學報, 1984, 第1卷第1期.9陳方, 云大真, 溫帶昆. 用激光散斑法測量物體傾角的新途徑. 1 9 8 6 ,第6 期.10王建華, 孫玉玲. 激光散斑測位移 .武漢水利電力學院學報 ,1 9 9 0, 第2 3卷第5期.11袁格, 金玻, 馬順利. 激光散斑技術在流體測量中的應用. 1991.12肖明海. 透明介質厚度的散斑法測量. 應用光學,1991,第12卷第3期.13姜守訓, 張春榮, 冀洪福. 激光散斑法測定玻璃的線脹系數. 齊齊哈爾師范學院學報 (自然科學版)，19

24、94，第12卷第1期.14梁承姬, 李洪升, 劉增利, 孫秀堂. 激光散斑法對凍土微裂紋形貌和發展過程的研究. 大連理工大學學報，1998，第38卷第2期.15朱艷英, 丁喜峰, 張景超. 用激光散斑法檢測金屬材料的焊接缺陷. 激光雜志 ，1999 ，第2 0卷第4期.16趙嘩英，包學誠，激光散斑技術在表面粗糙度測量中的應用. 應用激光，Vol.4.17王亞偉，一種激光散斑法實時測量表面粗糙度的新方法. 江蘇工學院，鎮江，212013.18于晶，周晨波，趙淑玲. 利用激光散斑技術對表面粗糙度紋理研究的兩種方法. 科教前沿,2012, 第33期.19 Ohtsubo J,Asakura T. O

25、pt Commun, 1978; 25(3) :315-319.20S.L. Toh, C. Quan, K.C. Woo, C.J. Tay, H.M. Shang.Whole "eld surface roughness measurement by laser speckle correlation technique.Optics & Laser Technology 33 (2001) 427434.21Yoshimura T,Nakagawa K.Opt Commun,1986;60(3):139-144.22Agnieszka J. Klemm*, Poolog

26、anathan SanjeevanApplication of laser speckle analysis for the assessment of cementitious surfaces subjected to laser cleaning. Applied Surface Science 254 (2008) 26422649.23鐘世德，王書運.材料表面分析技術綜述.山東輕工業學院學報.(2008)第22卷,第2期.24唐荻 ,王先進. 塑性加工摩擦學研究的新方法. 物理測試，1996，第四期.25Y.F. Lu , Y.P. Lee, M.H. Hong, T.S. Low.

27、 Acoustic wave monitoring of cleaning and ablation during excimer laser interaction with copper surfaces .Applied Surface Science 119 (1997) 137-146.26S. Klein,T. Stratoudaki, V. Zafiropulos,J. Hildenhagen,K. Dickmann,Th. Lehmkuhl. Laser-induced breakdown spectroscopy for on-line control of laser cl

28、eaning of sandstone and stained glass.Appl. Phys. A 69, 441444 (1999) .27J. M. Lee, K. G. Watkins and W. M. Steen. Fuzzy Rule Based Prediction System of Surface Damage in the Laser Cleaning Process. Int J Adv Manuf Technol (2000) 16:649655.28J.M. Lee*, K.G. Watkins. In-process monitoring techniques

29、for laser cleaning. Optics and Lasers in Engineering 34 (2000) 429442.29J. M. Lee ,W. M. Steen. In-Process Surface Monitoring for Laser Cleaning Processes using a Chromatic Modulation Technique. Int J Adv Manuf Technol (2001) 17:281287.30Paraskevi Pouli, Vassilis Zafiropulos, Costas Balas, Yianna Do

30、ganis,Amerimni Galanos. Laser cleaning of inorganic encrustation on excavated objects: evaluation of the cleaning result by means of multi-spectral imaging. Journal of Cultural Heritage 4 (2003) 338s342s.31Marta Jankowska *, Gerard Sliwinski. Acoustic monitoring for the laser cleaning of sandstone.

31、Journal of Cultural Heritage 4 (2003) 65s71s.32T. Kim, J.M. Lee, S.H. Cho, T.H. Kim. Acoustic emission monitoring during laser shock cleaning of silicon wafers. Optics and Lasers in Engineering 43 (2005) 10101020.33M. Strli c,V.S. Selih.Optimisation and on-line acoustic monitoringof laser cleaning o

32、f soiled paper. Appl. Phys. A 81, 943951 (2005).讀書報告 本次研究的主題是基于激光散斑法的金屬表面狀態分析，參考文獻可從以下兩方面選材，對應選材方向選擇了最接近主題的幾篇文獻進行了深入的了解，選材方向及深入了解的相關文獻如下表：激光散斑技術利用激光散斑法測量位相物體厚度激光散斑技術在表面粗糙度測量中的應用金屬表面分析技術表面分析技術綜述材料表面分析技術綜述現代金屬表面分析技術的應用 1. 激光散斑1 當激光光束投射到能散射光的粗斑表面（平均起伏大于光波波長數量級的表面)時，將會呈現出用普通光見不到的斑點狀的圖樣。其產生是由于激光的高相干性，當激光

33、照射到物體粗糙表面時，面上每一點都可視為一個子波源，它們的散射光相干疊加后在光場中用探測器或眼睛接收時，就能記錄到一種雜亂無章的干涉圖樣 散斑。起初人們把散斑視為降低成像質量和限制干涉條紋清晰度的光學噪聲，但近30年發展起來的散斑攝影術和散斑干涉度量術卻形成了一種嶄新的光測力學方法 散斑計量學。散斑計量學最基本的原理就是利用二次曝光技術測量物體表面的面內位移和由此引申的空間位移場和應變場的測試 。2. 二次曝光1所有干涉儀的工作原理都是比較兩個或多個波面的形狀。二次曝光是將初始物光波面與變化以后的物光波面互相比較。在記錄過程中對一張全息干板作二次曝光，一次是記錄初始物光波（相當于普通干涉的標準

34、波面）的全息圖；另一次是記錄變化以后的物光波（相當于被測試波面）的全息圖。這兩張全息圖記錄在同一張干板上，記錄時順序可逆。當用照明光波再現時，將出現兩個物光波面且是相干的，可以觀測到它們之間的干涉條紋。 通過干涉條紋的分布情況，可以了解波面的變化。3. 散斑圖底片的處理方法1散斑圖底片的處理通常采用兩種方法：一種是全場分析法，采用平行光束垂直照明二次曝光散斑底片，并應用傅里葉變換透鏡，在其后焦平面上觀察散斑圖底片的頻譜分布；另一種是逐點分析法，采用細激光束垂直照明二次曝光散斑圖底片，在其后面距離Z0處平行放置觀察屏，每次考察底片上一個小區域的頻譜。4.激光散斑法測表面粗糙度24.1.利用CCD

35、元件測量散斑反差圖1 測量光路圖如圖1所示，氦氖激光器 L s 發出的激光束被望遠鏡Lx擴束并均勻照明孔徑P1、通過P2,的激光束被透鏡L0會聚于被測表面 P2上，光斑的大小可以由改變孔徑尺寸來控制。入射激光束經被測表面反射，在遠場形成散斑圖樣，在P3平面上放置 C C D 元件。信號電流 I (x ) 通過放大，在示波器上顯示出強度變化，利用照相機記錄可以得到如圖2所示的特性曲線。上述信號利用數字解析系統 (微處理機 )，可以按下列公式求得其平均反差 v ： 式中內表示集平均。上述進行測試的各標準樣板的平均反差值相應為0.7、0.4 6、0.2和 0.1。由上述實驗可以看出，測量散斑的反差可

36、以確定表面的粗糙度，它與輪廓測 得的Ra值具有一定的關系，并近似地保持線性。4.2利用消相關條件確定表現粗糙度我們利用不同入射角和不同波長激光照明金屬表面，利用二次曝光，在一張感光底片上得到相關的兩個散斑圖樣；在激光光束照明下，不同表面粗糙度對應得到不同反差的楊氏干涉條紋。為了得到角度相關的散斑圖樣，仍采用圖1所示裝置，在透鏡組 L0前面安置一個帶有兩個小孔的光闌板，使兩細光束的夾角為0.4度，而在 P3平面上安放感光底片H，分別遮去一個小孔，進行二次曝光。圖 2所示為標準樣板和的楊氏干涉條紋，可以看出它們的反差的顯著差別。根據近似分析表明，楊氏干涉條紋的反差v可 以 表 示為： 這一公式表明

37、，反差v與表面粗糙度的標準偏差具有一定關系，因而利用狹縫型式的光接收器可以由測定的 V 值來確定表面的粗糙度。圖2 標準樣板和的楊氏干涉條紋同樣，我們仍采用圖 1 的系統，利用臼激光器代替氦氖激光器，并在其前面插入不同波長的濾光片(在本實驗中采用 6 0 0 0 埃和6 9 0 0埃激光片)。當分別插入一片濾光片，進行二次曝光，也可以記錄下二個相關的散斑圖樣。圖3為由此得到的和標準樣板的干涉條紋，它們的反差顯然也有大差別。因此，利用測定楊氏干涉條紋的反差值可以確定金屬表面的粗糙度。圖3 和標準樣板的干涉條紋 上述初步實驗表明表面粗糙度測量可以利用激光散斑特性，這種測量方法與微處理機結合，可以達

38、到數字化是一種參數測量法。5. 表面分析技術 表面分析技術,按用途大致可分為表面結構、成分和狀態分布三大類。目前表面分析技術已超過三十余種，在我國主要被采用的有E PM A、A E S、E E L S、X p S、S IM S、F I M 3-5等。 近年來材料科學和表面技術工程的研究正向縱深發展。為獲得表面的微觀尺寸內部結構、成分和狀態,將給表面分析技術提出新的要求。目前表面分析技術 雖有三十余種,而在我國應用的有十余種，應用中還有一定的難度。如試樣制備 與處理，對表面分析極為嚴格的試樣，應盡量保持試樣原始狀態，特別一些不可接觸空氣的樣品，要用一個特別入樣引進裝置，建立真空室，或作為樣品處理

39、對樣品加熱及蒸鍍、外延生長，或作為反應室完成特定的化學反應，這樣可進行動態研究時原位分析。液態樣品的處理是實驗中的難題，用速冷技術將液態物質冷凍成固態，可以解決部分液態樣品分析，但樣品已改變了原有物態現有人提出新 型液體樣品分析裝置，由變溫液池和轉動錐面金屬輪構成。在實驗技術中，特別 是X PS 實驗中，認為小區分析是一大難題，而成相則近乎“禁區”。因此發展小區分析技術日益顯其迫切。目前，有三種可行的分析途徑:在樣品與透鏡間加一個小孔徑的限束光栩；小X射線探束法；變倍取樣透鏡等是比較理想的分析途徑。6. 參考文獻1 趙延鵬、楊 軍、趙 磊、何焰藍，用激光散斑法測量位相物體厚度，國防科學技術大學

40、 理學院，湖南 長沙 410073.2趙嘩英(上海市激光技術研究所)、包學誠( 上海交通大學），激光散斑技術在表面粗糙度 測量中的應用.3朱自成，表面分析技術綜述，西南技術工程研究所.4 鐘世德1、王書運2，材料表面分析技術綜述(1. 山東輕工業學院 數理學院 ，山東 濟南 250353 ；2. 山東師范大學 物電學院 ，山東 濟南 250014).5閏 洪，現代金屬表面分析技術的應用，昆明冶金研究院.翻 譯基于激光散斑法的激光清洗后膠結表面的分析和評估摘 要本文應用了激光散斑技術，評估激光清潔膠結表面的有效性。非接觸式激光散斑法，有效的解決了位移、旋度和表面粗糙度的測量問題。由于反射光的強度

41、取決于樣品的幾何微觀結構和顏色，所以表面的任何變化將導致不同的散斑圖像。這里給出散斑圖像的分析原理，是在一個選定的表面獲得反射光強度的分布，然后分析統計參數描述這樣的分布(偏態和峰態)。通過氦氖激光器，對一系列激光清洗的，具有不同幾何微結構和含水率灰漿的樣品進行了評估。激光散斑法已成功用于分析，激光對不同條件表面清洗的有效性。峰度和偏態的變化應該主要是與幾何微結構的變化相關，而平均光強主要取決于砂漿吸收特征(顏色)。1.引言 近年來，在大城市，尤其是在歷史建筑方面，涂鴉已經成為一個重大的問題。國家戰略中不可或缺的元素就是，尋找一個非接觸式和非破壞性，材料表面的清潔和評估的方法，緩解涂鴉的問題。

42、本次討論的重點之一，就是在沒有機械干擾的條件下，精確的評估表面狀況和激光清洗效果1-4。以前激光散斑技術用來測量振動、位移、應變、流體速度、傳熱、表面粗糙度5-8，但應用激光輻射(氦氖激光器)檢測多孔表面的變化是一個相對較新的概念，尚未全面展開研究。然而，氦氖激光器發出的光線在表明特征的研究和測量上特別有用，因為它具有以下優點：光線是相當安全的，肉眼可以看到的，純化學的，能被許多材料薄層吸收的。有相對簡單的方法控制激光的能量密度流并且可以直接在選定的位置創建激光束。 2. 激光散斑技術 當單色的高度相干光，如激光定向到一個光學粗糙的對象，部分光被反射，吸收和傳波被多孔材料反射的反射光之間產生了

43、相移，這樣的相干相移干涉波產生干涉圖樣被稱激光散斑。下面圖1顯示了與粗糙表面交互的激光束和激光散斑圖： 圖1.(a) 粗糙表面的反射光 (b) 粗糙表面反射光的散斑圖像 顆粒狀結構特點并不代表與對象宏觀結構的一個明顯的關系，而非系統性和混亂的特性與非正式模式，最好的描述了概率理論和數據統計9。由于表面結構粗糙度系數很高，所以分析多孔材料反射光的參數是非常困難的，但人們已經發現，在沒有機械干涉情況下，可以成功的評估表面的狀況。散斑圖像的分析，通常基于分析在選定的平面獲得的條紋分布，和分析統計參數來描述這樣的分布(平均反射光的強度、偏態、峰態)2。因為反射光的強度取決于樣品的幾何微觀結構和顏色，所

44、以表面的任何變化將導致不同的散斑圖像。在研究中對以下參數進行分析：(1) . 反射光的平均強度：反射光的平均強度可以通過，一個估計的預期值的所有記錄點強度的直方圖，或通過使用一個強度圖獲得。光強度表示的是灰度級(0 - 225)的意思，相對單位為(r.u)。(2) . 不對稱的偏態：偏態是一個測量強度的柱狀圖,在一個散斑圖像中揭示了亮點和暗點的數量是否相同： (1)S是標準差和是第三個中心矩:： (2)K表示許多類的平均值和大小，E是所有元素的數量，x是樣本的平均值。當Sk1或1，分布高度傾斜；當0.5 < | Sk | < 1，分布適度傾斜；當0 < | Sk | <

45、 0.5，幾乎是對稱分布。偏態揭示了在散斑圖像中亮點和暗點的數量是否一樣。(4) . 峰度：峰度是衡量“尖峰”的強度的柱狀圖。它可以由以下方程表示。 (3)在第四個中心矩和S是標準偏差當K = 3，據說是常峰態的分布與引用“正態分布”；當K < 3,據說是低峰態分布，當K > 3，據說是尖峰的分布如圖2所示 圖2 不同峰態的光強分布3.實驗說明.本次研究的主題是用激光清洗不同的內部微觀結構(HP高孔隙度；LP -低孔隙度)，表面粗糙度(A、B和C)，和水分含量(濕、干燥)的灰漿樣品。通過最大功率為70千瓦的氦氖激光，完成了對激光(Nd:YAG激光)清洗有效性的評估。混合比例，選擇的

46、機械和物理性能如表1所示， 表1 灰漿樣品的成分 ，機械性能和表面粗糙度濕的樣本：在清洗之前與水完全飽和干的樣本：在實驗室內(溫度23±5 攝氏度和RH 50±5%)與周圍的空氣保持平衡 表面粗糙度是由一個針裝置衡量，由平均表面粗糙度(Ra)表示。每50%樣品，從表面粗糙度中發現95%的機密區間。制備實驗所需的樣品，在實驗室條件下固化6個月，畫黑與噴漆之后2周內干燥，最后激光清洗。每個樣本受到相同激光能量密度的激光輻射(3.06 J / cm2)，但脈沖(N)的數量不斷增加，如圖3。 圖3 樣品在激光清洗過程中，持續的能量密度流（3.06 J/cm2）和不斷增加的脈沖數 通

47、過光學顯微鏡對清洗過程的有效性進行了初步的評估，然后詳細的分析獲得的激光散斑圖像。實驗中使用的設置采用的方法如圖4 圖4 測量系統的原理圖 激光光束被棱鏡分為兩束。因此，一部分光線穿過隔膜，到達標本；另一部分到達光電傳感器控制激光器的穩定工作。標本反射的光被相機記錄和分析。4.結果與討論激光清洗的所有區域最初是通過光學顯微鏡識別，分為三種不同類型的表面（被涂表面，部分激光清洗表面，激光清洗表面），如圖5所示。盡管脈沖數量的增加通常促進清洗過程，但它可能會導致表面損傷。圖5 沙漿表面的光學顯微鏡圖（80 x）；（a）表面涂灰漿；（b）有損傷的部分激光清洗灰漿表面；（c）激光清洗沙漿表面 本次研究

48、的主要難點是膠結材料表面吸收率的巨大變化，將導致對激光輻射反應的實質性差異。盡管Nd:YAG調Q激光器可以成功地用于去除砂漿表面油漆，但總有一些殘留油漆在表面改變，與砂漿本身連在一起，形成裂縫和玻璃(融化砂漿)。這些影響通常在高倍顯微鏡下可見。 能夠識別污垢與襯底之間的界線是激光清洗方法發展的一個重要組成部分。雖然表面的光學檢測是非常主觀的，但是激光散斑分析可能會提供一個客觀的評估結果與足夠的精確度。在第二階段的研究中，采用激光散斑法分析了所有激光清洗區域。由于激光散斑參數，如平均光強、偏態和峰態，取決于吸收襯底的特征(顏色)及其幾何微觀結構，所以激光清洗造成表面特征的任何變化都將導致這些參數

49、的改變。最常用的散斑參數是反射光的平均光強。詳細分析應用的脈沖數量與平均光強之間的關系，提出了反射光的平均光強如圖6-8。橫線代表參考表面的平均光強，而不是涂漆面的平均光強。平均光強和應用脈沖的數量之間的關系可以分為三個區域：圖6：平均光強和應用脈沖數之間的關系； 樣本A，F=3.06 J/cm2圖7：平均光強和應用脈沖數之間的關系； 樣本B，F=3.06 J/cm2圖8：平均光強和應用脈沖數之間的關系； 樣本C，F=3.06 J/cm2區域1：平均光強不變。盡管有一些脈沖的應用，但砂漿表面仍被油漆覆蓋，表面顏色沒有變化。區域2：表面的顏色變化，從而導致吸收特征的變化，直到表面幾乎沒有油漆時，

50、平均光強和相關脈沖應用數量有較大變化。區域3：非常小的波動，油漆完全去除。 三個區域可以清晰明顯的觀察到所有表面條件。唯一的例外是樣本HP-B(濕)和HP-B(干)，可能由于漆層厚度小或手工操作的失誤。激光散斑分析表明，不能通過粗糙表面的激光清洗來獲得(Ra = 15.58 - -17.89 um)(圖8)對應參考表面反射光的強度。而四分之三的樣本顯示，平滑表面(Ra = 2.28 -2.49 um)(圖7)可以獲得對應的參考表面反射光的強度。初始表面粗糙度的增加使得清洗過程不足，因此不可以得到參考表面反射光的強度。光滑表面激光清洗的有效性比粗糙表面激光清洗的有效性高。圖9 在LP-A 干燥表

51、面上的激光隕石坑和散斑模式 ;F=3.06J/cm2平均光強變化的總結與應用的脈沖數如圖9所示。這里Ic是激光清洗區域(從漆層完全消失)反射光的平均強度和Ip是激光疫區的反射光平均強度，即使經過了多個脈沖的應用，仍然覆蓋著油漆。盡管在兩個脈沖的應用程序后有一個表面粗糙度的變化，但平均光強沒有明顯的變化。然而當表面顏色變化(油漆或砂漿)，卻觀察到實質性的差異。襯底色彩和吸收特征，比表面粗糙度對平均光強具有更強大的影響。在激光清洗的區域3中，激光散斑參數的微小變化主要是由于裂縫或玻璃形成，和一些砂漿清除。偏態和峰度的分析，補充了反射光的平均光強的分析結果。平均光強的變化如圖10， 峰度和偏態作為脈

52、沖對平滑樣本應用數量的函數(Ra = 2.28 - -2.49 um)。當峰度和偏態逐漸下降到一定程度，約等于參考表面獲得的峰度和偏態時，對應于這一點的脈沖數量被標記為Ng。除了這個點，應用脈沖數量對峰度和偏態的變化影響很小。這些變化表明，應用脈沖數量的增加，光強將從高度傾斜和尖峰的分布改變為適度傾斜和常峰態的分布。正如前面所討論的，反射光的平均光強從激光疫區增加到一定程度(約等于參考表面反射光的平均光強)時，激光脈沖的應用(點Nc)。脈沖數量應用在點Nc后，平均光強的變化是很小的。這里的Nc點對應于完全去除砂漿表面油漆所需的最少的脈沖數量。通過人眼觀察，對不同條件的表面，激光清洗所需的脈沖數

53、量隨砂漿特征和漆層的厚度變化而變化。剩余的樣品已經完成了類似的分析(Ra = 15.58 - -17.89和15.58 - 8.49 um)。圖10. 反射光的平均光強、峰度和偏態的分布: F=3.06 J/cm2, Ra=2.28-2.49um 通過顯微觀察和電鏡掃描研究，激光散斑法獲得的值與激光清洗所需脈沖的估計值正好相當。重點注意，由于脈沖數量的非線性增量，這些結果應該謹慎對待。 因為這個分析的目的是評價應用的方法，而不是精確地確定清潔所需的有效脈沖數量，所以脈沖的非線性增量不是研究的問題。如上所示 Ng和Nc點并不總是相同的。也就是脈沖的數量對應點Ng可能較小或等于Nc點，以便峰度和偏

54、態在平均光強之前達到恒定值(與參考面)。因此，在清除全部油漆前，峰度和偏態將達到一個恒定值，這表明他們的變化不依賴于表面顏色(顏色的油漆和砂漿)。例如，從部分清洗砂漿表面反射光的峰度和偏態與全部清洗砂漿表面反射光的峰度和偏態幾乎是相同，如圖11所示。因此，最初的峰度和偏態的變化，是由脈沖數量的增加引起的，更主要的應該是幾何微結構的變化。而平均光強主要取決于砂漿的吸收特征(顏色)。圖11激光脈沖應用的部位和數量對應反射光峰度和偏態的分布 由于在激光清洗過程中，部分砂漿玻璃化，所以激光疫區比參考表面更加密集、更加牢固，如圖12所示。參考表面附近的表面孔隙度似乎高于激光清潔區域的孔隙度。激光清洗過程

55、導致了粗糙度和基板參數的變化，從而引起了峰度和偏態的改變。圖12 LP-C濕樣品的BSE圖像;(a) 參考砂漿表面 (1000x); (b)應用31脈沖后的激光疫區(1000x) 比較激光清洗后砂漿表面的改變，其表面變化系數為(SMF)，只與平均光強有關，可表示為： (4)Ir是參考表面的平均反射光強度；Ic是激光清洗區域的平均反射光強度 表面的變化可能與顏色、表面粗糙度和表面密度的變化或這些的組合的變化相關。表2 對于不同樣本的反射光的強度,統計參數的分布和表面變化系數 表2詳細分析總結了激光散斑參數。平均修正系數被確定為0.11。Ic / Ir對不同表面條件變化范圍為0.80 - 1.20。這意味著，從激光疫區反射光的平均強度和參考表面反射光的平均強度之比達到上述范圍內，表面變得幾乎沒有油漆。被油漆部分覆蓋(Ip)的表面反射光的平均光強的值在一個狹窄的范圍24