本科毕业论文的翻译、读书报告、文献综述写作指导(佟艳群)

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 论 文

文献综述、读书报告、外文翻译

学院名称： 机 械 学 院 专业班级： 光 信 1002 学生姓名： 蒋 杰 志 指导教师姓名： 佟 艳 群 指导教师职称： 讲 师

2014年 06月

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文 献 综 述

摘 要

本文介绍了当前激光散斑技术的一些比较成熟的应用领域、现今的一些表面分析技术和激光散斑法对金属表面状态的分析。激光测量技术具有快速、非接触、无损特点，一直是研究的焦点。随着人们深入认识相干激光产生的散斑特性，作为一种统计测量技术，越来越多的人把散斑技术应用到测量表面粗糙度、位移、旋度、流体等领域。在线检测表面状态一直以来都是研究的热潮，为了寻找一种简单，无损的方法评估表面的状态，国内外提出了众多的课题研究，详细的分析别的方法的优缺点，结合本次研究课题讨论本次研究的意义。

引言

随着现代社会经济的迅猛发展,对精密工件也提出了更高的要求,如何衡量加工工件表面质量,即表面状态的分析是精密工件加工中至关重要的一环。而大多数的精密工件都是金属，所以本文主要研究重点是激光散斑法对金属表面状态的分析。

以前激光散斑技术用来测量振动、位移、应变、流体速度、传热、表面粗糙度[1-4]，不仅用于工业测量，在医学[5-7]、生态学等众多领域也有相当重大的贡献，然而激光散斑技术在表面分析领域中尚未有深入研究。表面粗糙度是对零件加工表而所具有的微小间距和微小峰谷以及微观几何尺寸特性的综合评价，单独作为评估金属表面状态的参数显得太过主观，为了更详细的评定表面状态，结合激光散斑法对表面状态分析，提供了一个客观的分析结果。

1.激光散斑技术

1.1.激光散斑

当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长数量级的表面)时，将

会呈现出用普通光见不到的斑点状的图样。其产生是由于激光的高相干性，当激光照射到物体粗糙表面时，面上每一点都可视为一个子波源，它们的散射光相干叠加后在光场中用探测器或眼睛接收时，就能记录到一种杂乱无章的干涉图样，这样的干涉图样被称为激光散斑。

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起初人们把散斑视为降低成像质量和干涉条纹清晰度的光学噪声，但近30年发展起来的散斑摄影术和散斑干涉度量术却形成了一种崭新的光测力学方法，散斑计量学。 1.2.激光散斑技术的应用

随着社会的不断发展，激光散斑技术应用领域不断扩展，1984年，陈华丽用 激光散斑法测量裂纹尖端张开位移及应力强度因子[8]。1986年，陈方等人用激光散斑法测量物体的倾角，增加了新的灵敏度调节因子，得到了测量物体倾角的新方法[9]。1990年，王建华成功的用激光散斑测量位移[10]。1991年，袁格等人与肖明海分别研究了激光散斑法在流体中的应用与透明物质的厚度测量[11-12]。1994年，姜守训等人用激光散斑法测定玻璃的线 胀系数，提出了简单的测量方法[13]。1998年，梁承姬等人展开了激光散斑法对冻土微裂纹形貌和发展过程的研究，为冻土材料的宏微观力学行为研究及弹塑性断裂韧度测试分析提供了有效的途径[14]。1999年，朱艳英等人用激光散斑法检测金属材料的焊接缺陷[15]。

早期激光散斑技术就应用在各个领域且不断被深入研究，应用在表面状态上的研究也是层出不穷，而大部分的研究都着眼于材料的表面粗糙度。在1983年，上海市激光技术研究所的赵哗英与上海交通大学包学诚，提出了激光散斑技术在表面粗糙度测量中的应用[16]。表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，是评估表面状态的一个相当重要的参数。根据激光散斑强度分布的统计特性和利用散斑相关技术可以确定表面的粗糙度。这种方法具有非接触，无破坏等特点，并且可以直接得到表面粗糙度的特征参数(如Rq)，是一种很有发展前途的表面粗糙度测量的光学方法。实验采用图1装置,先利用C C D元件测量散斑反差，在利用消相关条件确定表现粗糙度。得出表面粗糙度测量可以利用激光散斑特性，这种测量方法与微处理机结合，可以达到数字化，是一种参数测量法。

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图 1 激光散斑法测表面粗糙度的实验装置图

1993年，江苏工学院教授提出了一种激光散斑法实时测量表面粗糙度的新 方法[17]，根据激光散斑相干性原理与理论，提出了用双达夫枝镜产生两束间距和夹角连续可调的平面光波同时照射粗糙表面，由1-D CCD󰀀采集散射光场的相干涉信号，经过计算机对对比度的处理，能实时测量物体表面粗糙度 。测试装置如图2,该方法较现行测试法提高了判读精度，扩大了测量范围。

图 2 双达夫枝镜测量表面粗糙度实验装置图

近期国内周晨波等人提出了利用激光散斑技术对表面粗糙度纹理研究的两种方法[18]。介绍了基于灰度共生矩阵和自相关函数的对工件表面粗糙度进行研究的两种激光散斑测量技术。基于灰度共生矩阵和自相函数的激光散斑测量技术，为研究工件表面的粗糙度，提供了一种新的技术途径。激光测量技术具有快速、非接触、无损特点,随着人们对相干激光产生的散斑的认识深入,激光散斑技术作为一种统测量技术,越来越多的人把散斑技术应用到测量表面粗糙度领域。

采用激光散斑测量工件表面粗糙度的原理、方法和装置的研究近年来相当活跃，国外尤然。Ohtsubo等人根据衍射散斑强度变化的平均对比度与表而随机起伏的慨率分布有关的特性，提出通过测量对比度平均值，从而检测粗糙度[19]。YO slimura等人用动态散斑图为照明光源，对时间积分求得平均对比度来测量粗糙度[20]。2001年,S.L.Toh,C.Quan, K.C. Woo,等人提出了基于激光散斑法测量古老物体表面的粗糙度[21],并且研究中得到了较好的实验结果,并对

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实验误差作了分析。2008年，Agnieszka J.Klemm 等人研究了《应用激光散斑分析和评估进行激光清洗的胶结表面》[22]这一课题，由于反射光的强度取决于样品的几何微观结构和颜色，所以表面的任何变化将导致不同的散斑图像，借此原理评估激光清洗的有效性，提出了侧面评估表面状态的参数：

(1) . 反射光的平均强度：反射光的平均强度可以通过，一个估计的预期值的所有记录点强度的直方图，或通过使用一个强度图获得。光强度表示的是灰度级(0 - 225)的意思，相对单位为(r.u)。

(2) . 不对称的偏态：偏态是一个测量强度的柱状图,在一个散斑图像中揭示了亮点和暗点的数量是否相同：

g1S是标准差和M3是第三个中心矩:：

1k3 M3(xix)ni (2)

Ei1M3 (1) 3SK表示许多类的平均值xi和大小ni，E是所有元素的数量，x是样本的平均值。当Sk≥1或≤1，分布高度倾斜；当0.5 < | Sk | < 1，分布适度倾斜；当0 < | Sk | < 0.5，几乎是对称分布。偏态揭示了在散斑图像中亮点和暗点的数量是否一样。

(3) . 峰度：峰度是衡量“尖峰”的强度的柱状图。它可以由以下方程表示。

K在M4第四个中心矩和S是标准偏差

当K = 3，据说是常峰态的分布与引用“正态分布”；当K < 3,据说是低峰态分布，当K > 3，据说是尖峰的分布如图2所示

M4 (3) S45

图3 不同峰态的光强分布

实验中使用的设置采用的方法如图4，激光光束被棱镜分为两束。因此，一部分光线穿过隔膜，到达标本；另一部分到达光电传感器控制激光器的稳定工作。标本反射的光被相机记录和分析。

图4 测量系统的原理图

2.表面形貌分析技术

早期用于表面形貌分析的方法主要是各种显微分析技术 ,如透射电子显微镜 、 扫描电子显微镜 、场离子显微镜 、扫描隧道显微镜 、 原子力显微镜等接触式探针测量仪[23]，在一个确定的方向上测得的参数比较直观，操作简单、读数快捷，并且目前该仪器使用范围很广，参数也被广泛地接受。现代的接触式粗糙度仪可以与计算机相连，通过对一系列相邻断面的粗糙度的分析和计算，给出一个“准三维表面形貌”。但通过一个固定半径的触针得到的数值不可避免有不真实的情况，且有由于触头损坏或材料表面被划伤造成所测数值不准的危

险。更重要的是，该仪器提供的不是表面的特征参数，而是特定方向上的“线参数”。

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随着社会的飞速发展，离线检测物体表面状态技术已经满足不了工业需要，各类实时在线监测系统不断崛起。

1996年,唐荻,王先进由计算机、改进的光学显微镜、CCD一摄相机、监视器与控制器组成了三维表面形貌测量仪[24]。利用该系统测得的三维表面形貌,在使用中根据需要也可以给出确定方向的、与接触式粗糙度仪相同的“线粗糙度” 。当然这仅是由于目前大量使用的仍是该参数,三维系统的优势和特点是可以给 出一系列三维的表面信息。 1997年 ,由Y.F.Lu等人研究了准分子激光在铜表面的相互作用时清洁和消融的声波监测[25]。根据声波的振幅取决于激光影响、脉冲数和衬底的表面状况，建立一个振幅和激光基质参数之间的关系,提出了一种计算公式实时监测激光固体交互。1999年，S. Klein, T. Stratoudaki等人在研究激光诱导击穿光谱在线控制激光清洗的砂岩和彩色玻璃时[26]，用等离子体发射光谱研究来确定地壳的元素组成和底层材料。在线实现光谱技术LIBS为清洗过程提供了重要信息和最佳清洗参数艺术品从玻璃和石头为了避免清洗过渡。2000年，J. M. Lee, K. G. Watkins等人研究了基于模糊规则的预测系统的表面损伤激光清洗过程[27]，提出了一种基于模糊规则的专家系统预测在激光清洗时表面的损伤。模糊规则库是用来嵌入声学信息，通过一个宽频带麦克风，提供一个清洁的进展和结果。J.M. Lee等人又在激光清洗的监测技术研究中对激光影响的监测进行了基于神经网络的逻辑通过声谱的识别模式[28]。这些技术可以提供独特的信息描述的过程。

2001年，J. M. Lee在表面激光清洗过程监控中使用了彩色调制技术 ，基于彩色灯技术对激光清洗流程开发了一个进程内表面监测系统[29]。三色的彩色监控系统由光电探测器、光纤和基于PC的数据采集和处理系统如图5所示。为了演示它的实用性和通用性,该系统用于表面监测激光清洁纸和石头。结果表明，不仅来源于彩色光谱参数检测提供一个明确的指引，而且表面清洁和表面损伤也有其独特的表面彩色信息特征。它也显示如何使用彩色调制技术在激光清洗过程中作为一种快速、可靠的方法监测表面状态。

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图5 基于彩色灯技术对激光清洗内表面的监控模型

2003年，Paraskevi Pouli等人在激光清洗无机结垢的出土文物:多光谱成像的方法评价清洗效果中提出多光谱成像系统来实时监控清洗过程[30]。Marta Jankowska等人在低成本传感器在线监测激光清洗系统中[31],提出了低成本传感器的替代方法，使用一个简单的光电二极管检测散射光的照射区域。在许多情况下,这个信号包含多个层和被删除的信息。光电二极管的散射辐射检测来源于激光等离子体以及反射的激光辐射，可以用于闭环控制或在线监测。2005年，T. Kim, J.M. Lee等人研究了声发射监测激光冲击过程中硅片的清洗[32]，为了描述激光冲击清洗过程，在冲击过程中产生的声波由宽带实时测量，发现声强度与激波强度密切相关。从声学分析,发现声强度随着入射激光功率密度增加而增加。M Strli，V.S. Selih等人研究优化和在线声学监测激光清洗脏的纸课题时[33]作了如图7的实验设计，研究发现声学监测为在线控提供了一个可监能性。

图7 声学监测激光清洗脏的纸的模型图

当前在线测试和测量技术似乎正向着正确方向迈进。不断增多的自动化，强调操作环境的清洁度和对越来越多的各种特性的监控，都预兆着将来的需要能够得到满足。将来工艺控制数据的实时直接反馈，允许在工业上能够真正有效地利用工艺控制技术。实时反馈可能且应该在小的工序中进行。更为广泛的应用将由工艺模拟构成。今天我们所需要的某些重要的控制，正是由于我们确定工艺的方法缺少灵活性的结果。通过模型的更灵活的使用，在使某些具体参数能在较通常所允许的更广泛的范围内变化的同时，我们能保持工艺的平衡。

结论

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对表面和界面的研究和利用，是改进工艺、提高性能、发展新型材料和器件有着重要的意义，各种在线检测表面状态系统相继被提出并研究，部分已投入到了生产线当中，对于这些检测系统可谓各有千秋。光学测量是无接触的，所以精确度很高，无任何虚假因素，而且得到的参数是来自整个表面，排除了任何偶然因素的影响，所得的表面信息量很大，有利于系统地进行摩擦学和表面形貌的研究。激光测量技术具有快速、非接触、无损特点，因此显得倍受青睐。

近年来，激光散斑技术越发成熟的应用于各个领域，就本次课题《基于激光散斑法分析金属表面状态》而言，作为评估表面状态的重要参数，表面粗糙度，一直是研究的焦点。激光散斑法测表面粗糙度近年来也不断被深入研究，然而针对表面形貌分析却没有提出更为全面客观的研究主题。就2008年，Agnieszka J.Klemm 等人在《应用激光散斑分析和评估进行激光清洗的胶结表面》提出了侧面评估参数。

基于激光散斑法评估激光清洗的有效性，并没有提出表面分析的具体参数，而是把结论分为了三个区域，从客观参数来评估清洁的表面，正好给了启发。就多元方程相似的原理，一个主观的结论，却可以来源于多个因素，这便失去了所谓的唯一，即在精准度上有一定的缺陷。当我们选定了一组特定因素加上主观结论，这无疑是提高结果的精准度。

因而基于激光散斑法分析金属的表面状态，结合前人的研究结果提出新的研究标尺，从主观客观角度全面解析金属表面状态，分析激光散斑图像与粗糙度之间的关系，以实时监测为目标，基于激光散斑法更加精准的定义金属表面的状态。

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文献综述的附录：

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[14]梁承姬, 李洪升, 刘增利, 孙秀堂. 激光散斑法对冻土微裂纹形貌和发展过程的研究. 大连理工大学学报，1998，第38卷第2期.

[15]朱艳英,󰀀 丁喜峰,󰀀 张景超. 用激光散斑法检测金属材料的焊接缺陷. 激光杂志󰀀 ，

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1999 ，第2 0卷第4期.

[16]赵哗英，包学诚，激光散斑技术在表面粗糙度测量中的应用. 应用激光，Vol.4. [17]王亚伟，一种激光散斑法实时测量表面粗糙度的新方法. 江苏工学院，镇江，212013. [18]于晶，周晨波，赵淑玲. 利用激光散斑技术对表面粗糙度纹理研究的两种方法. 科教前沿,2012, 第33期.

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[23]钟世德，王书运.材料表面分析技术综述.山东轻工业学院学报.(2008)第22卷,第2期. [24]唐荻 ,王先进. 塑性加工摩擦学研究的新方法. 物理测试，1996，第四期.

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读书报告

本次研究的主题是《基于激光散斑法的金属表面状态分析》，参考文献可从以下两方面选材，对应选材方向选择了最接近主题的几篇文献进行了深入的了解，选材方向及深入了解的相关文献如下表：

激光散斑技术 利用激光散斑法测量位相物体厚度 激光散斑技术在表面粗糙度测量中的应用 金属表面分析技术 表面分析技术综述 材料表面分析技术综述 现代金属表面分析技术的应用

1.激光散斑[1]

当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长数量级的表面)时，将

会呈现出用普通光见不到的斑点状的图样。其产生是由于激光的高相干性，当激光照射到物体粗糙表面时，面上每一点都可视为一个子波源，它们的散射光相干叠加后在光场中用探测器或眼睛接收时，就能记录到一种杂乱无章的干涉图样 散斑。

起初人们把散斑视为降低成像质量和干涉条纹清晰度的光学噪声，但近30年发展起来的散斑摄影术和散斑干涉度量术却形成了一种崭新的光测力学方法 散斑计量学。散斑计量学最基本的原理就是利用二次曝光技术测量物体表面的面内位移和由此引申的空间位移场和应变场的测试 。

2.二次曝光[1]

所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状。二次曝光是将初始物光波面与变化以后的物光波面互相比较。在记录过程中对一张全息干板作二次曝光，一次是记录初始物光波（相当于普通干涉的标准波面）的全息图；另一次是记录变化以后的物光波（相当于被测试波面）的全息图。这两张全息图记录在同一张干板上，记录时顺序可逆。当用照明光

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波再现时，将出现两个物光波面且是相干的，可以观测到它们之间的干涉条纹。 通过干涉条纹的分布情况，可以了解波面的变化。

3.散斑图底片的处理方法[1]

散斑图底片的处理通常采用两种方法：一种是全场分析法，采用平行光束垂直照明二次曝光散斑底片，并应用傅里叶变换透镜，在其后焦平面上观察散斑图底片的频谱分布；另一种是逐点分析法，采用细激光束垂直照明二次曝光散斑图底片，在其后面距离Z0处平行放置观察屏，每次考察底片上一个小区域的频谱。

4.激光散斑法测表面粗糙度[2]

4.1.利用CCD元件测量散斑反差

图1 测量光路图

如图1所示，氦氖激光器 L s 发出的激光束被望远镜Lx扩束并均匀照明孔径P1、通过P2,的激光束被透镜L0会聚于被测表面 P2上，光斑的大小可以由改变孔径尺寸来控制。入射激光束经被测表面反射，在远场形成散斑图样，在P3平面上放置 C C D 元件。信号电流 I (x ) 通过放大，在示波器上显示出强度变化，利用照相机记录可以得到如图2所示的特性曲线。上述信号利用数字解析系统 (微处理机 )，可以按下列公式求得其平均反差 v ：

[I2(x)I(x)] V

I(x)式中..内表示集平均。上述进行测试的各标准样板的平均反差值相应为0.7、0.4 6、0.2和 0.1。

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122由上述实验可以看出，测量散斑的反差可以确定表面的粗糙度，它与轮廓测 得的Ra值具有一定的关系，并近似地保持线性。 4.2利用消相关条件确定表现粗糙度

我们利用不同入射角和不同波长激光照明金属表面，利用二次曝光，在一张感光底片上得到相关的两个散斑图样；在激光光束照明下，不同表面粗糙度对应得到不同反差的杨氏干涉条纹。为了得到角度相关的散斑图样，仍采用图1所示装置，在透镜组 L0前面安置一个带有两个小孔的光阑板，使两细光束的夹角为0.4度，而在 P3平面上安放感光底片H，分别遮去一个小孔，进行二次曝光。图 2所示为标准样板3和4的杨氏干涉条纹，可以看出它们的反差的显著差别。根据近似分析表明，杨氏干涉条纹的反差v可 以 表 示为：

Vexp{[(2/)Rqsin]2}

这一公式表明，反差v与表面粗糙度的标准偏差具有一定关系，因而利用狭缝型式的光接收器可以由测定的 V 值来确定表面的粗糙度。

图2 标准样板3和4的杨氏干涉条纹

同样，我们仍采用图 1 的系统，利用臼激光器代替氦氖激光器，并在其前面插入不同波长的滤光片(在本实验中采用 6 0 0 0 埃和6 9 0 0埃激光片)。当分别插入一片滤光片，进行二次曝光，也可以记录下二个相关的散斑图样。图3为由此得到的7和6标准样板的干涉条纹，它们的反差显然也有大差别。因此，利用测定杨氏干涉条纹的反差值可以确定金属表面的粗糙度。

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图3 7和6标准样板的干涉条纹

上述初步实验表明表面粗糙度测量可以利用激光散斑特性，这种测量方法与微处理机结合，可以达到数字化是一种参数测量法。

5. 表面分析技术

表面分析技术,按用途大致可分为表面结构、成分和状态分布三大类。目前表面分析技术已超过三十余种，在我国主要被采用的有E PM A、A E S、E E L S、 X p S、S IM S、F I M [3-5]等。

近年来材料科学和表面技术工程的研究正向纵深发展。为获得表面的微观尺寸内部结构、成分和状态,将给表面分析技术提出新的要求。目前表面分析技术 虽有三十余种,而在我国应用的有十余种，应用中还有一定的难度。如试样制备 与处理，对表面分析极为严格的试样，应尽量保持试样原始状态，特别一些不可接触空气的样品，要用一个特别入样引进装置，建立真空室，或作为样品处理对样品加热及蒸镀、外延生长，或作为反应室完成特定的化学反应，这样可进行动态研究时原位分析。液态样品的处理是实验中的难题，用速冷技术将液态物质冷冻成固态，可以解决部分液态样品分析，但样品已改变了原有物态现有人提出新 型液体样品分析装置，由变温液池和转动锥面金属轮构成。在实验技术中，特别 是X PS 实验中，认为小区分析是一大难题，而成相则近乎“禁区”。因此发展小区分析技术日益显其迫切。目前，有三种可行的分析途径:在样品与透镜间加一个小孔径的限束光栩；小X射线探束法；变倍取样透镜等是比较理想的分析 途径。

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6. 参考文献

[1] 赵延鹏、杨 军、赵 磊、何焰蓝，用激光散斑法测量位相物体厚度，国防科学技术大学 理学院，湖南 长沙 410073.

[2]赵哗英(上海市激光技术研究所)、包学诚( 上海交通大学），激光散斑技术在表面粗糙度 测量中的应用.

[3]朱自成，表面分析技术综述，西南技术工程研究所.

[4] 钟世德1、王书运2，材料表面分析技术综述(1. 山东轻工业学院 数理学院 ，山东 济南 250353 ；2. 山东师范大学 物电学院 ，山东 济南 250014). [5]闰 洪，现代金属表面分析技术的应用，昆明冶金研究院.

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翻 译

基于激光散斑法的激光清洗后胶结表面的分析和评估

摘 要

本文应用了激光散斑技术，评估激光清洁胶结表面的有效性。非接触式激光散斑法，有效的解决了位移、旋度和表面粗糙度的测量问题。由于反射光的强度取决于样品的几何微观结构和颜色，所以表面的任何变化将导致不同的散斑图像。这里给出散斑图像的分析原理，是在一个选定的表面获得反射光强度的分布，然后分析统计参数描述这样的分布(偏态和峰态)。通过氦氖激光器，对一系列激光清洗的，具有不同几何微结构和含水率灰浆的样品进行了评估。激光散斑法已成功用于分析，激光对不同条件表面清洗的有效性。峰度和偏态的变化应该主要是与几何微结构的变化相关，而平均光强主要取决于砂浆吸收特征(颜色)。

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1.引言

近年来，在大城市，尤其是在历史建筑方面，涂鸦已经成为一个重大的问题。国家战略

中不可或缺的元素就是，寻找一个非接触式和非破坏性，材料表面的清洁和评估的方法，缓解涂鸦的问题。本次讨论的重点之一，就是在没有机械干扰的条件下，精确的评估表面状况和激光清洗效果[1-4]。

以前激光散斑技术用来测量振动、位移、应变、流体速度、传热、表面粗糙度[5-8]，但应用激光辐射(氦氖激光器)检测多孔表面的变化是一个相对较新的概念，尚未全面展开研究。然而，氦氖激光器发出的光线在表明特征的研究和测量上特别有用，因为它具有以下优点：光线是相当安全的，肉眼可以看到的，纯化学的，能被许多材料薄层吸收的。有相对简单的方法控制激光的能量密度流并且可以直接在选定的位置创建激光束。

2.激光散斑技术

当单色的高度相干光，如激光定向到一个光学粗糙的对象，部分光被反射，吸收和传波被多孔材料反射的反射光之间产生了相移，这样的相干相移干涉波产生干涉图样被称激 光散斑。下面图1显示了与粗糙表面交互的激光束和激光散斑图：

图1.(a) 粗糙表面的反射光 (b) 粗糙表面反射光的散斑图像

颗粒状结构特点并不代表与对象宏观结构的一个明显的关系，而非系统性和混乱的特性与非正式模式，最好的描述了概率理论和数据统计[9]。由于表面结构粗糙度系数很高，所以分析多孔材料反射光的参数是非常困难的，但人们已经发现，在没有机械干涉情况下，可以

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成功的评估表面的状况。散斑图像的分析，通常基于分析在选定的平面获得的条纹分布，和分析统计参数来描述这样的分布(平均反射光的强度、偏态、峰态)[2]。因为反射光的强度取决于样品的几何微观结构和颜色，所以表面的任何变化将导致不同的散斑图像。在研究中对以下参数进行分析：

(1) . 反射光的平均强度：反射光的平均强度可以通过，一个估计的预期值的所有记录点强度的直方图，或通过使用一个强度图获得。光强度表示的是灰度级(0 - 225)的意思，相对单位为(r.u)。

(2) . 不对称的偏态：偏态是一个测量强度的柱状图,在一个散斑图像中揭示了亮点和暗点的数量是否相同：

g1S是标准差和M3是第三个中心矩:：

1k3 M3(xix)ni (2)

Ei1M3 (1) 3SK表示许多类的平均值xi和大小ni，E是所有元素的数量，x是样本的平均值。当Sk≥1或≤1，分布高度倾斜；当0.5 < | Sk | < 1，分布适度倾斜；当0 < | Sk | < 0.5，几乎是对称分布。偏态揭示了在散斑图像中亮点和暗点的数量是否一样。

(4) . 峰度：峰度是衡量“尖峰”的强度的柱状图。它可以由以下方程表示。

K在M4第四个中心矩和S是标准偏差

当K = 3，据说是常峰态的分布与引用“正态分布”；当K < 3,据说是低峰态分布，当K > 3，据说是尖峰的分布如图2所示

M4 (3) S420

图2 不同峰态的光强分布 3.实验说明.

本次研究的主题是用激光清洗不同的内部微观结构(HP—高孔隙度；LP -低孔隙度)，表面粗糙度(A、B和C)，和水分含量(湿、干燥)的灰浆样品。通过最大功率为70千瓦的氦氖激光，完成了对激光(Nd:YAG激光)清洗有效性的评估。混合比例，选择的机械和物理性能如表1所示，

表1 灰浆样品的成分 ，机械性能和表面粗糙度

湿的样本：在清洗之前与水完全饱和

干的样本：在实验室内(温度23±5 摄氏度和RH 50±5%)与周围的空气保持平衡

表面粗糙度是由一个针装置衡量，由平均表面粗糙度(Ra)表示。每50%样品，从表面粗糙度中发现95%的机密区间。制备实验所需的样品，在实验室条件下固化6个月，画黑与喷漆之后2周内干燥，最后激光清洗。每个样本受到相同激光能量密度的激光辐射(3.06 J / cm2)，

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但脉冲(N)的数量不断增加，如图3。

图3 样品在激光清洗过程中，持续的能量密度流（3.06 J/cm2）和不断增加的脉冲数 通过光学显微镜对清洗过程的有效性进行了初步的评估，然后详细的分析获得的激光散斑图像。实验中使用的设置采用的方法如图4

图4 测量系统的原理图

激光光束被棱镜分为两束。因此，一部分光线穿过隔膜，到达标本；另一部分到达光电传感器控制激光器的稳定工作。标本反射的光被相机记录和分析。

4.结果与讨论

激光清洗的所有区域最初是通过光学显微镜识别，分为三种不同类型的表面（被涂表面，部分激光清洗表面，激光清洗表面），如图5所示。尽管脉冲数量的增加通常促进清洗过程，但它可能会导致表面损伤。

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图5 沙浆表面的光学显微镜图（80 x）；（a）表面涂灰浆；（b）有损伤的部分激光清洗灰浆表

面；（c）激光清洗沙浆表面

本次研究的主要难点是胶结材料表面吸收率的巨大变化，将导致对激光辐射反应的实质性差异。尽管Nd:YAG调Q激光器可以成功地用于去除砂浆表面油漆，但总有一些残留油漆在表面改变，与砂浆本身连在一起，形成裂缝和玻璃(融化砂浆)。这些影响通常在高倍显微镜下可见。

能够识别污垢与衬底之间的界线是激光清洗方法发展的一个重要组成部分。虽然表面的光学检测是非常主观的，但是激光散斑分析可能会提供一个客观的评估结果与足够的精确度。在第二阶段的研究中，采用激光散斑法分析了所有激光清洗区域。由于激光散斑参数，如平均光强、偏态和峰态，取决于吸收衬底的特征(颜色)及其几何微观结构，所以激光清洗造成表面特征的任何变化都将导致这些参数的改变。

最常用的散斑参数是反射光的平均光强。详细分析应用的脉冲数量与平均光强之间的关系，提出了反射光的平均光强如图6-8。横线代表参考表面的平均光强，而不是涂漆面的平均光强。平均光强和应用脉冲的数量之间的关系可以分为三个区域：

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图6：平均光强和应用脉冲数之间的关系； 样本A，F=3.06 J/cm2

图7：平均光强和应用脉冲数之间的关系； 样本B，F=3.06 J/cm2

图8：平均光强和应用脉冲数之间的关系； 样本C，F=3.06 J/cm2

区域1：平均光强不变。尽管有一些脉冲的应用，但砂浆表面仍被油漆覆盖，表面颜色没有

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变化。

区域2：表面的颜色变化，从而导致吸收特征的变化，直到表面几乎没有油漆时，平均光强和相关脉冲应用数量有较大变化。 区域3：非常小的波动，油漆完全去除。

三个区域可以清晰明显的观察到所有表面条件。唯一的例外是样本HP-B(湿)和HP-B(干)，可能由于漆层厚度小或手工操作的失误。

激光散斑分析表明，不能通过粗糙表面的激光清洗来获得(Ra = 15.58 - -17. um)(图8)对应参考表面反射光的强度。而四分之三的样本显示，平滑表面(Ra = 2.28 -2.49 um)(图7)可以获得对应的参考表面反射光的强度。初始表面粗糙度的增加使得清洗过程不足，因此不可以得到参考表面反射光的强度。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。

图9 在LP-A 干燥表面上的激光陨石坑和散斑模式 ;F=3.06J/cm2

平均光强变化的总结与应用的脉冲数如图9所示。这里Ic是激光清洗区域(从漆层完全消失)反射光的平均强度和Ip是激光疫区的反射光平均强度，即使经过了多个脉冲的应用，仍然覆盖着油漆。尽管在两个脉冲的应用程序后有一个表面粗糙度的变化，但平均光强没有明显的变化。然而当表面颜色变化(油漆或砂浆)，却观察到实质性的差异。衬底色彩和吸收特

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征，比表面粗糙度对平均光强具有更强大的影响。在激光清洗的区域3中，激光散斑参数的微小变化主要是由于裂缝或玻璃形成，和一些砂浆清除。

偏态和峰度的分析，补充了反射光的平均光强的分析结果。平均光强的变化如图10， 峰度和偏态作为脉冲对平滑样本应用数量的函数(Ra = 2.28 - -2.49 um)。当峰度和偏态逐渐下降到一定程度，约等于参考表面获得的峰度和偏态时，对应于这一点的脉冲数量被标记为Ng。除了这个点，应用脉冲数量对峰度和偏态的变化影响很小。这些变化表明，应用脉冲数量的增加，光强将从高度倾斜和尖峰的分布改变为适度倾斜和常峰态的分布。正如前面所讨论的，反射光的平均光强从激光疫区增加到一定程度(约等于参考表面反射光的平均光强)时，激光脉冲的应用(点Nc)。脉冲数量应用在点Nc后，平均光强的变化是很小的。这里的Nc点对应于完全去除砂浆表面油漆所需的最少的脉冲数量。通过人眼观察，对不同条件的表面，激光清洗所需的脉冲数量随砂浆特征和漆层的厚度变化而变化。剩余的样品已经完成了类似的分析(Ra = 15.58 - -17.和15.58 - 8.49 um)。

图10. 反射光的平均光强、峰度和偏态的分布: F=3.06 J/cm2, Ra=2.28-2.49um

通过显微观察和电镜扫描研究，激光散斑法获得的值与激光清洗所需脉冲的估计值正好相当。重点注意，由于脉冲数量的非线性增量，这些结果应该谨慎对待。

因为这个分析的目的是评价应用的方法，而不是精确地确定清洁所需的有效脉冲数量，所以脉冲的非线性增量不是研究的问题。

如上所示 Ng和Nc点并不总是相同的。也就是脉冲的数量对应点Ng可能较小或等于

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Nc点，以便峰度和偏态在平均光强之前达到恒定值(与参考面)。因此，在清除全部油漆前，峰度和偏态将达到一个恒定值，这表明他们的变化不依赖于表面颜色(颜色的油漆和砂浆)。例如，从部分清洗砂浆表面反射光的峰度和偏态与全部清洗砂浆表面反射光的峰度和偏态几乎是相同，如图11所示。因此，最初的峰度和偏态的变化，是由脉冲数量的增加引起的，更主要的应该是几何微结构的变化。而平均光强主要取决于砂浆的吸收特征(颜色)。

图11激光脉冲应用的部位和数量对应反射光峰度和偏态的分布

由于在激光清洗过程中，部分砂浆玻璃化，所以激光疫区比参考表面更加密集、更加牢固，如图12所示。参考表面附近的表面孔隙度似乎高于激光清洁区域的孔隙度。激光清洗过程导致了粗糙度和基板参数的变化，从而引起了峰度和偏态的改变。

图12 LP-C湿样品的BSE图像;(a) 参考砂浆表面 (1000x); (b)应用31脉冲后的激光疫区

(1000x)

比较激光清洗后砂浆表面的改变，其表面变化系数为(SMF)，只与平均光强有关，可表示为：

SMF|1(

Ic)|Ir (4)

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Ir是参考表面的平均反射光强度；Ic是激光清洗区域的平均反射光强度

表面的变化可能与颜色、表面粗糙度和表面密度的变化或这些的组合的变化相关。

表2 对于不同样本的反射光的强度,统计参数的分布和表面变化系数

表2详细分析总结了激光散斑参数。平均修正系数被确定为0.11。Ic / Ir对不同表面条件变化范围为0.80 - 1.20。这意味着，从激光疫区反射光的平均强度和参考表面反射光的平均强度之比达到上述范围内，表面变得几乎没有油漆。被油漆部分覆盖(Ip)的表面反射光的平均光强的值在一个狭窄的范围247 - 395，表明不同表面的吸收特征的相似性，和油漆存在。 诠释表面变化系数是非常复杂的，因为反射光的强度取决于表面粗糙度，颜色和表面密度(表面孔隙度附近)。因此应该谨慎对待获得的SMF值。尽管对于所有样品表面平均粗糙度和SMF的值之间的相关性很差，但表面平均粗糙度的增加超过一定程度(Ra = 8.5 um)将导致SMF的增加。虽然目视检查和SEM分析[11]，证实粗糙表面遭受了更严重的损坏(去除油漆/砂浆)，但上述声明需要进一步调查来验证。此外，均匀表面变化系数对应湿的和干燥的样品分别是0.12和0.09，表明潮湿表面水的蒸发导致湿表面的颜色变化可能性更大。

5.结论

激光散斑技术是评估激光清洗过程有效性的一种很有效的方法。根据实验研究和激光散斑的分析,可以得到一些初步的现象和结论。

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平均光强和应用脉冲数量之间的关系可以分为三个区域。在区域1，由于表面的吸收特征(颜色)不变，平均光强没有明显的变化；在区域2，反射光的平均光强有很大的变化；在区域3， 激光散斑的参数几乎不变。

为了评估激光清洗过程导致沙浆表面变化的程度，提出了表面变化系数SMF。

SMF|1(Ic)|Ir （5）

Ir是参考表面的平均反射光强度；Ic是激光清洗区域的平均反射光强

当平均表面粗糙度增加8.5um以上时，将导致表面变化系数增加。与光滑的表面比，粗糙表面的变化似乎更加明显。此外，在激光的清洗下，湿样品比干样品表面变化更明显。 当从激光清洗区域反射的平均光强和参考区域(未上漆的表面)反射的平均光强之间的比值，达到0.80和1.20之间的值时，沙浆表面的漆层完全去除。

随着脉冲数量的增加，光强度的分布由高度倾斜和尖峰态分布变为适度倾斜和常峰态的分布，成为类似于参考表面反射光线的分布。此外，峰度和偏态取决于几何表面的微观结构。

由于过剩的能量可能会导致严重的损坏，所以当清洁应该停止时，精确的确定一个点的表面状况至关重要。因此，这种分析中使用的实验设备将被进一步改进，确保使用现场的实时监控。

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