一种强散射材料的光热效应测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及材料无损检测技术领域，更具体的是涉及一种强散射材料的光热效应测量系统及其测量方法。

背景技术

光热辐射特性是材料的重要特性参数，其在大气遥感、目标特性研究、生物医学光学成像、激光无损探伤等领域中具有重要的应用价值，所以对材料光热辐射的测量实验方法对于上述材料应用领域的研究具有重要意义。

作为一种非接触式、非侵入式和非破坏性的技术，光热辐射测量(photothermalradiometry，ptr)原理的一般过程可以理解为：受强度调制的激光束被聚集照射到材料样品表面产生光热效应，样品吸收光后，引起局部性和周期性的温度涨落和红外辐射的变化，产生温度分布，由于温度变化从而产生红外辐射信号，采用适当的光电探测器，即可探测样品产生的热辐射信号，通过计算分析得到红外辐射信号中包含的材料的热物理性质及结构特性等信息。

申请日为2015.06.24，申请号为201510353070.x的中国发明专利公开了一种半透明介质材料光热特性测量系统与方法，通过控制激光器使其光强按调制规律变化，照射到样件后由于存在光热效应，使得样件出现的温度涨落与红外辐射信号被hct热探测器接收，进而通过模型反演样件光热特性参数。但是，该试验装置适用范围较小，只适用于半透明材料，并不适用于随机强散射材料，当改变样品为不透明物体时，物体散射强度极大，能量吸收较少，容易导致以下两种情况出现：

一、受激辐射信号极弱，以致光电探测器无法探测；

二、受激辐射信号弱，但光电探测器能探测到少量信号，但信号强度不稳定；

基于现有的光热效应测量系统在测量强散射材料辐射特性时，由于强散射材料不透明、高散射等特点，入射光通过强散射材料传播时，被散射和衍射，光吸收较弱，致使辐射信号微弱难以探测，对于增强样品光辐射强度，特别是对于散射度极高的强散射材料的光热特性测量的研究是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决现有的光热效应测量系统在测量强散射材料辐射特性时，由于强散射材料不透明、高散射等特点，光吸收能力不强，致使红外辐射信号微弱，收集效率低下，难以探测的问题，本发明提供一种强散射材料的光热效应测量系统及其测量方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种强散射材料的光热效应测量系统，包括计算机、函数信号发生器、激光器、用于放置待测材料的测试平台、聚光组件以及与计算机电连接的信号反馈组件，计算机通过数据线与函数信号发生器相连接，函数信号发生器参考信号输出端通过激光器控制线与激光器电连接，其特征在于：还包括光路转换器和空间光调制器slm，所述光路转换器与激光器设置于同一水平高度上，用于使激光器发出的激光束射入空间光调制器slm中，空间光调制器slm与计算机电连接，测试平台设置于光路转换器的正下方，聚光组件用于聚集经空间光调制器slm补偿相位后的激光信号入射到被测材料上，并且将经被测材料产生的辐射信号收集反射至信号反馈组件，通过信号反馈组件将辐射信号信息传送至计算机。

液晶空间光调制器slm(spatiallightmodulator，slm)是基于液晶分子电致双折射效应而制作的空间光调制器slm，其受控单元为独立的像素单元，每个单元可独立接收光信号或电信号等控制信号，可对输入光波进行像素级的调制，灵活改变光波的波前，其基本调制原理为：通过改变加载在液晶两端的电压值，改变液晶的空间结构，从而改变液晶的折射率，使得进入液晶的光束产生相位、振幅以及偏振态的变化。

在光学信息处理系统中，光波前信息是一个重要指标，波前相位调控可以改变聚焦光学系统焦点区域光学性质，根据空间光调制器slm调控单元数目对光经过散射体后聚焦质量的影响，本发明通过控制空间光调制器slm像素单元调制波前相位信息，对进入强散射材料前的光波进行调制改变，使其补偿散射相位，减少散射，能够增强强散射材料光热辐射，在不改变系统硬件的条件下通过增加可控单元的数目，能够显著提高聚焦质量。

进一步的，所述聚光组件包括偏振片组、聚焦透镜、离轴抛物镜组和滤光片，所述偏振片组包括位于激光器与光路转换器之间的起偏器和位于光路转换器与测试平台之间的检偏器，聚焦透镜设置于检偏器与测试平台之间，离轴抛物镜组包括相对平行设置的入射抛物镜和出射抛物镜，且入射抛物镜和出射抛物镜分别设置于测试平台上方两侧，滤光片设置于出射抛物镜下方。

进一步的，所述信号反馈组件包括光电探测器和锁相放大器，所述光电探测器设置于出射抛物镜焦点位置处，通过信号线与锁相放大器连接，锁相放大器输出信号端通过数据采集信号线与计算机连接。

进一步的，所述光路转换器为bs镜或直角棱镜，相对应的，空间光调制器slm为反射式空间光调制器slm或透射式空间光调制器slm。

进一步的，所述起偏器和检偏器均为激光束波长的四分之一波片。

进一步的，所述激光器产生激光束的强度调制通过调制激光器的信号驱动声光调制器、电光调试器或机械斩波器实现。

所述计算机用于控制系统运行及储存和处理信号数据；函数信号发生器用于使激光器发射的激光产生周期性变化；偏振片组用于增加光调制信号的信噪比和强度；空间光调制器slm用于调节入射光的相位，控制补偿相位信号；聚焦透镜用于聚焦激光束，增强激光信号；离轴抛物镜组用于收集被测材料反射的辐射信号；光电探测器用于探测被测材料产生的辐射信号；锁相放大器用于记录辐射信号的交流幅值和相位。

一种强散射材料的光热效应测量方法，包括如下步骤：

s1、打开激光器，调节激光器、光路转换器、聚焦透镜、测试平台和离轴抛物镜对，使测试平台同时位于聚焦透镜和入射抛物镜的焦点上，使光电探测器位于出射抛物镜的焦点上，将待测材料置于测试平台上；

s2、打开空间光调制器slm，调节起偏器与检偏器使得聚焦透镜处得到对比度最大值；

s3、通过计算机控制函数信号发生器，从而控制激光器发射的激光束强度按调制规律周期性变化；

s4、连接计算机与空间光调制器slm，使激光束通过光路转换器进入空间光调制器slm，此时，不引入空间相位，即空间相位φ＝0；

s5、将强度周期性调制的激光束经过光路转换器垂直照射到待测材料表面，待测材料吸收激光束能量在被照射处产生周期性变化的辐射波场，产生红外辐射信号，红外辐射信号经离轴抛物镜对收集和光电探测器探测，并通过锁相放大器解调获得辐射信号的交流信号，所述交流信号包括一次或多次谐波振幅值和相位值，所述谐波振幅值构成评价函数，对空间光调制器slm的相位进行评价；

s6、对空间光调制器slm进行赋值操作，考虑到空间光调制器slm像素点极大，单像素点影响较小的特点，对空间光调制器slm进行分块操作，并对每个分块进行赋值，空间光调制器slm赋值变化在0-1之间对应计算机控制空间光调制器slm相位赋值变化在0-2pi之间，计算机控制单个分块内赋值在0-2pi间循环迭代，不同分块间赋值循环改变；

s7、空间光调制器slm赋值后，改变了波前相位，由平面波光变为结构光入射，根据评价函数，改变空间光调制器slm6的相位输入，遵循优化算法，搜索得到最佳波前；由于空间光调制器slm分块赋值后的输入相位补偿了待测材料的散射相位，则经锁相放大器解调获得的辐射信号的交流信号会发生变化，在最佳波前相位时，相对应的得到最大辐射信号；

s8、通过根据材料特性建立的热波数学模型对随机介质材料光热辐射信号(幅频-相频)进行反演，从而得到待测材料的光热特性参数。

进一步的，所述s6中不同分块间赋值循环改变具体是：不同分块间的赋值选择范围相互独立，但值相互影响，根据评价函数最大值能使各分块间影响最好。

进一步的，所述s7中所述的优化算法采用现有的全局优化算法，所述s8中的热波数学模型为与材料特性相关的现有模型。

进一步的，所述s6中对空间光调制器slm进行分块赋值操作时，分块大小依据评价函数最大值反馈至空间光调制器slm得到，在具体实施中，更改分块大小进行多次测试，得到评价函数最大值相对应的分块大小则为最佳分块大小。

进一步的，所述单个分块内赋值迭代的次数由评价函数最大值及系统调制时间综合评定。

本发明的工作原理为：

基于光热辐射测量原理，利用空间光调制器slm改变光波波前相位，抵消散射作用，使得光波重新聚焦在强散射材料内部，提高光波吸收效应，增强辐射强度；同时采用计算机控制函数信号发生器产生调制信号，使激光器发出的激光束光强按调制规律周期性变化，周期性变化的激光束照射到待测材料表面后由于存在光热效应，待测材料上出现温度涨落与红外辐射，辐射信号被光电探测器接收，进而反演待测材料光热特性参数。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用空间光调制器slm进行波前调控，补偿散射相位，从而提高了吸收效应，减小了材料特性测量中的强散射，增强了材料表面的红外辐射信号，实现了对于强散射材料的光热特性的高效测量，并且测量时与材料无接触，对材料本身完全无损伤。

2、本发明采用空间光调制器slm改变波前，可以使得材料在高频低频信号下都可取得光热信号的较好增益。

3、本发明增强了红外辐射信号，补偿了光热辐射在高散射材料上测量精度不高、信号采集困难的缺点，适用范围广，不受材料限制。

附图说明

图1是本发明实施例1测量系统的结构示意图。

图2是本发明实施例2测量系统的结构示意图。

附图标记：1、计算机；2、函数信号发生器；3、激光器；4、起偏器；5、光路转换器；6、空间光调制器slm；7、检偏器；8、聚焦透镜；9、入射抛物镜；10、出射抛物镜；11、检测平台；12、光电探测器；13、滤光片；14、锁相放大器。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种强散射材料的光热效应测量系统，包括计算机1、函数信号发生器2、激光器3、用于放置待测材料的测试平台11、聚光组件以及与计算机1电连接的信号反馈组件，计算机1通过数据线与函数信号发生器2相连接，函数信号发生器2参考信号输出端通过激光器控制线与激光器3电连接，还包括光路转换器5和空间光调制器slm6，本实施例中激光器3选用波长为785nm的半导体激光器，光路转换器5选用50％非偏振分束bs镜，空间光调制器slm6对应选用反射式空间光调制器slm，所述光路转换器5与激光器3、空间光调制器slm6设置于同一水平高度上，用于使激光器3发出的激光束射入空间光调制器slm6中，空间光调制器slm6与计算机1电连接，测试平台11设置于光路转换器5的正下方，聚光组件用于聚集经空间光调制器slm6补偿相位后的激光信号入射到被测材料上，并且将经被测材料激发的辐射信号收集反射至信号反馈组件，通过信号反馈组件将辐射信号信息传送至计算机1，本实施例中的函数信号发生器2产生周期性的方波信号直接调制激光器3的驱动电压，使激光器3输出强度周期性调制的激光束，具体的，激光束强度的周期性调制可通过函数信号发生器2输出的周期性信号驱动声光调制器、电光调试器或机械斩波器调制连续的激光束实现；

所述聚光组件包括偏振片组、聚焦透镜8、离轴抛物镜组和滤光片13，偏振片组包括位于激光器3与光路转换器5之间的起偏器4和位于光路转换器5与测试平台11之间的检偏器7，所述起偏器4和检偏器7均选用激光束波长的四分之一波片，起偏器4用于调制偏振方向，使空间光调制器6在水平方向调制相位，聚焦透镜8设置于检偏器7与测试平台11之间，用于聚焦激光束到待测材料表面，离轴抛物镜组包括相对平行设置的入射抛物镜9和出射抛物镜10，且入射抛物镜9和出射抛物镜10分别设置于测试平台11上方两侧，滤光片13设置于出射抛物镜10下方，用于滤除杂散光；

所述信号反馈组件包括光电探测器12和锁相放大器14，本实施例中光电探测器12采用ingaas光电探测器，探测波长范围为800-1700nm，光电探测器12设置于滤光片13下方且位于出射抛物镜10焦点位置处，光电探测器12与锁相放大器14电连接，锁相放大器14输出信号端通过数据采集信号线与计算机1连接。

基于上述强散射材料的光热效应测量方法，包括如下步骤：

s1、打开激光器3，调节激光器3、光路转换器5、聚焦透镜8、测试平台11和离轴抛物镜对，使测试平台11同时位于聚焦透镜8和入射抛物镜9的焦点上，使光电探测器12位于出射抛物镜10的焦点上，将待测材料置于测试平台11上；

s2、打开空间光调制器slm6，调节起偏器4与检偏器7使得聚焦透镜8处得到对比度最大值，提高信噪比；

s3、通过计算机1控制函数信号发生器2，从而控制激光器3发射的激光束强度按调制规律周期性变化；

s4、连接计算机1与空间光调制器slm6，使激光束通过光路转换器5进入空间光调制器slm6，此时，不引入空间相位，即空间相位φ＝0；

s5、将强度周期性调制的激光束经过光路转换器5垂直照射到待测材料表面，待测材料吸收激光束能量在被照射处产生周期性变化的辐射波场，产生红外辐射信号，红外辐射信号经离轴抛物镜对收集和光电探测器12探测，并通过锁相放大器14解调获得辐射信号的交流信号，所述交流信号包括一次或多次谐波振幅值和相位值，所述谐波振幅值构成评价函数，对空间光调制器slm6的相位进行评价；

s6、对空间光调制器slm6进行赋值操作，考虑到空间光调制器slm像素点极大，单像素点影响较小的特点，对空间光调制器slm6进行分块操作，选择合适的分块大小，并对每个分块进行赋值，计算机1控制空间光调制器slm6相位输入，输入值在0-2pi间变化，对应到空间光调制器slm6赋值在0-1之间变化，计算机1控制单个分块内赋值在0-2pi迭代，不同分块间赋值循环改变；

所述分块大小依据评价函数最大值反馈至空间光调制器slm6得到，在具体实施中，更改分块大小进行多次测试，得到评价函数最大值相对应的分块大小则为最佳分块大小；

s7、空间光调制器slm6赋值后，改变了波前相位，由平面波光变为结构光入射，根据评价函数，改变空间光调制器slm6的相位输入，遵循优化算法，搜索得到最佳波前相位；由于空间光调制器slm6分块赋值后的输入相位补偿了待测材料的散射相位，则经锁相放大器14解调获得的辐射信号得交流信号会发生变化，在最佳波前相位时，相对应的得到最大辐射信号；

s8、通过根据材料特性建立的热波数学模型对随机介质材料光热辐射信号(幅频-相频)进行反演，从而得到待测材料的光热特性参数。

本实施例中，s7中所述的优化算法采用现有的全局优化算法，s8中的热波数学模型为与材料特性相关的现有模型。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种强散射材料的光热效应测量系统，包括计算机1、函数信号发生器2、激光器3、用于放置待测材料的测试平台11、聚光组件以及与计算机1电连接的信号反馈组件，计算机1通过数据线与函数信号发生器2相连接，函数信号发生器2参考信号输出端通过激光器控制线与激光器3电连接，还包括光路转换器5和空间光调制器slm6，本实施例中激光器3选用波长为785nm的半导体激光器，光路转换器5选用直角棱镜，空间光调制器slm6对应选用透射式空间光调制器slm，所述空间光调制器slm6设置于光路转换器5正下方，光路转换器5与激光器3设置于同一水平高度上，使激光器3发出的激光束射入空间光调制器slm6中，空间光调制器slm6与计算机1电连接，测试平台11设置于光路转换器5的正下方，聚光组件用于聚集经空间光调制器slm6补偿相位后的激光信号入射到被测材料上，并且将经被测材料激发的辐射信号收集反射至信号反馈组件，通过信号反馈组件将辐射信号信息传送至计算机1，本实施例中的函数信号发生器2产生周期性的方波信号直接调制激光器3的驱动电压，使激光器3输出强度周期性调制的激光束，具体的，激光束强度的周期性调制可通过函数信号发生器2输出的周期性信号驱动声光调制器、电光调试器或机械斩波器调制连续的激光束实现；

所述聚光组件包括偏振片组、聚焦透镜8、离轴抛物镜组和滤光片13，偏振片组包括位于激光器3与光路转换器5之间的起偏器4和位于光路转换器5与测试平台11之间的检偏器7，所述起偏器4和检偏器7均选用激光束波长的四分之一波片，起偏器4用于调制偏振方向，使空间光调制器6在水平方向调制相位，聚焦透镜8设置于检偏器7与测试平台11之间，用于聚焦激光束到待测材料表面，离轴抛物镜组包括相对平行设置的入射抛物镜9和出射抛物镜10，且入射抛物镜9和出射抛物镜10分别设置于测试平台11上方两侧，滤光片13设置于出射抛物镜10下方，用于滤除杂散光；

所述信号反馈组件包括光电探测器12和锁相放大器14，本实施例中光电探测器12采用ingaas光电探测器，探测波长范围为800-1700nm，光电探测器12设置于滤光片13下方且位于出射抛物镜10焦点位置处，光电探测器12与锁相放大器14电连接，锁相放大器14输出信号端通过数据采集信号线与计算机1连接。

基于上述强散射材料的光热效应测量方法，包括如下步骤：

s1、打开激光器3，调节激光器3、光路转换器5、聚焦透镜8、测试平台11和离轴抛物镜对，使测试平台11同时位于聚焦透镜8和入射抛物镜9的焦点上，使光电探测器12位于出射抛物镜10的焦点上，将待测材料置于测试平台11上；

s2、打开空间光调制器slm6，调节起偏器4与检偏器7使得聚焦透镜8处得到对比度最大值，提高信噪比；

s3、通过计算机1控制函数信号发生器2，从而控制激光器3发射的激光束强度按调制规律周期性变化；

s4、连接计算机1与空间光调制器slm6，使激光束通过光路转换器5进入空间光调制器slm6，此时，不引入空间相位，即空间相位φ＝0；

s5、将强度周期性调制的激光束经过光路转换器5垂直照射到待测材料表面，待测材料吸收激光束能量在被照射处产生周期性变化的辐射波场，产生红外辐射信号，红外辐射信号经离轴抛物镜对收集和光电探测器12探测，并通过锁相放大器14解调获得辐射信号的交流信号，所述交流信号包括一次或多次谐波振幅值和相位值，所述谐波振幅值构成评价函数，对空间光调制器slm6的相位进行评价；

s6、对空间光调制器slm6进行赋值操作，考虑到空间光调制器slm像素点极大，单像素点影响较小的特点，对空间光调制器slm6进行分块操作，选择合适的分块大小，并对每个分块进行赋值，计算机1控制空间光调制器slm6相位输入，输入值在0-2pi间变化，对应到空间光调制器slm6赋值在0-1之间变化，计算机1控制单个分块内赋值在0-2pi迭代，不同分块间赋值循环改变；

所述分块大小依据评价函数最大值反馈至空间光调制器slm6得到，在具体实施中，更改分块大小进行多次测试，得到评价函数最大值相对应的分块大小则为最佳分块大小；

s7、空间光调制器slm6赋值后，改变了波前相位，由平面波光变为结构光入射，根据评价函数，改变空间光调制器slm6的相位输入，遵循优化算法，搜索得到最佳波前相位；由于空间光调制器slm6输入相位补偿了待测材料的散射相位，则经锁相放大器14解调获得的辐射信号得交流信号会发生变化，在最佳波前相位时，相对应的得到最大辐射信号；

s8、通过根据材料特性建立的热波数学模型对随机介质材料光热辐射信号(幅频-相频)进行反演，从而得到待测材料的光热特性参数。

本实施例中，s7中所述的优化算法采用现有的全局优化算法，s8中的热波数学模型为与材料特性相关的现有模型。

上述实施例基于光热辐射测量原理，利用空间光调制器slm6改变光波波前相位，抵消散射作用，使得光波重新聚焦在强散射材料内部，提高光波吸收效应，增强辐射强度；同时采用计算机1控制函数信号发生器产2生调制信号，使激光器3发出的激光束光强按调制规律周期性变化，周期性变化的激光束照射到待测材料表面后由于存在光热效应，待测材料上出现温度涨落与红外辐射，辐射信号被光电探测器12接收，进而反演待测材料光热特性参数。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。