[发明专利]利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法，属于半透明材料热物性参数测量技术领域。

背景技术

半透明材料是指其光谱光学厚度在某个或若干个波段范围内为有限值的材料。涉及到航天、军事、能源、化工以及生物医疗等多个领域。其在航天飞行器光学窗口优化设计、航空发动机陶瓷零件制造、光学晶体生长、光学纤维和光学组件的制造、高温热能存贮系统中相变材料的熔化和凝固以及生物组织中辐射传输反问题研究等问题中有重要应用。

吸收系数和散射系数是表征半透明材料辐射传输特性的重要辐射特性参数，而导热系数是表征半透明材料中热传导特性的重要热物性参数，所以通过对半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数同时测量的实验方法的研究积累各种半透明材料的热物性参数数据对于上述半透明材料应用领域的研究具有重要的意义。现有半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数测量方法中，测量系统复杂，测量精度低等问题。

发明内容

本发明为了解决现有半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数测量方法中，测量系统复杂，测量精度低等问题，提出了一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数（半透明材料热物性参数包括吸收系数、散射系数以及导热系数）的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、将待测半透明材料制作成厚度为δ的扁平试件，将激光器对准试件左侧中心，并使激光方向垂直于试件表面，并且分别将两只连接到热电偶温度测量仪上的热电偶探头固定在试件左右两侧；

步骤二、打开脉冲激光器对试件左侧表面进行一个脉冲的加热，与此同时使用热电偶测温仪同步测量得到左侧激光入射表面温度随时间的变化为T_w1(t)，右侧表面温度随时间的变化为T_w2(t)，并且同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号Q_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号Q_T(t)；其中测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度t_p；

步骤三、根据逆问题算法假设待测材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ；通过对稳态辐射传输方程(1)和瞬态导热微分方程(2)的耦合求解，得到在假设吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ条件下的材料两侧面边界温度响应估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)，以及激光入射侧的半球反射辐射信号估计值Q′_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号估计值Q′_T(t)；