超精密加工元件亚表面缺陷飞秒激光-超声耦合测量机理研究

批准号:
51575488
项目类别:
面上项目
资助金额:
69.0 万元
负责人:
居冰峰
依托单位:
学科分类:
E0512.微纳机械系统
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
白小龙、朱吴乐、孙安玉、孙泽青、杨舜尧、黄浩钧、刘海嵩
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中文摘要
本项目旨在研究飞秒激光和超声转换之间的瞬态热结构耦合物理过程,从飞秒激光超声与材料中缺陷相互作用机理入手,研究精密加工器件的亚表面微结构形貌造成的高频超声多模态转换过程,建立超高频声子与微结构、微形貌和表面、亚表面微缺陷之间的相互作用和微缺陷影响下的声子多扩散效应模型和非对称传播机制;根据不同的缺陷模型在线计算材料特性值,并作为反馈更新光声作用模型中的关键参数;在明确表面缺陷及亚表面缺陷检测机理的前提下,建立具有不同类型、大小和位置关系的缺陷信息和输出波形之间的对应关系,提出多层逐层二次最优表示的测量原理框架,在已有仿真模型和数据的指导下,采用玻尔兹曼机实现层间抽象化最优表示,自适应地实现将回波数据对应到被测材料的定量化材料特性参数和缺陷信息空间中,通过最优化模型实现对精密加工元件亚表面缺陷的定量表征和检测,形成一套全新的适用于超精密加工器件的亚表面缺陷的飞秒激光诱导超声显微测量方法。
英文摘要
This project aims to study the transient thermal and photoacoustic coupling effects in generation and propagation of ultrahigh-frequency ultrasound induced by femtosecond laser with application to imaging subsurface defects. Specifically, the mechanism of interaction between the femtosecond-laser-induced ultrasound and the subsurface defects is studied. Then the multi-modal conversion process of ultrahigh-frequency ultrasound is investigated in the presence of subsurface micro structures of ultra-precision devices. The model of the interaction between ultrahigh-frequency phonon and micro structures, micro morphology and subsurface micro defects is established. Furthermore, the process of multi-photon diffusion and asymmetric propagation caused by the micro defects is studied and modeled. The multiple material properties of the ultra-precision devices are calculated online based on different model for different defects, according to which the key parameters in the model of femtosecond-laser-induced ultrasound are updated in real-time. Second, the relationship between the information of defects and the ultrasonic echoes is studied and quantitatively established. A new measurement principle based on multilayer-recursive quadratic optimal representation is proposed. With the simulation model and huge amounts of data, the Boltzmann machine based inter-layer optimal representation is used to adaptively map the ultrasonic echoes to the sparse space of the material characteristics and defects information. Quantitative characterization of the materials and detection of subsurface defects are realized based on this optimal measurement model. Finally, a new microscopic imaging and measurement technique is proposed based on femtosecond-laser-induced ultrahigh-frequency ultrasound and applied to nondestructive detection of subsurface defects in ultra-precision devices.
研究超精密加工元件亚表面缺陷飞秒激光-超声耦合测量机理,其主要成果包括:“飞秒脉冲激光-瞬态热-高频超声”多物理场转换机理物理模型的建立,完成了飞秒激光的相控空间调制,搭建了法布里珀罗多普勒干涉仪的连续探测激光光路,并完成了法布里珀罗腔PID控制系统、多级放大滤波电路等多普勒振动干涉仪系统,完成了全光学检测系统的软硬件设计与集成;采用二维热栅将点光源信号辐射为阵列入射光源,灵活实现相控激光束形成的动态延时、动态聚焦和动态变孔径、变迹,实现高精度波束形成和接收,通过面激光源取代原有的线激光和点激光源并使其有效可控,有效的提高了飞秒激光的信噪比;研究了激光超声信号转换机理和光声场与亚表面缺陷的作用机理,根据全波形超声回波信号以及其时频谱特性来精确反演材料特性参数和缺陷信息(包括缺陷种类、大小、位置等)的方法,并结合了智能优化算法实现多维空间下材料多参数同时反演。实现了适用于超精密加工元件的亚表面缺陷的一体化检测。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1063/1.5004783
发表时间:2018-07
期刊:The Review of scientific instruments
影响因子:--
作者:Xiaoyu Yang;Anyu Sun;Bingfeng Ju;Shaoning Xu
通讯作者:Xiaoyu Yang;Anyu Sun;Bingfeng Ju;Shaoning Xu
Simultaneous ultrasonic parameter estimation of a multi-layered material by the PSO-based least squares algorithm using the reflection spectrum
使用反射谱通过基于 PSO 的最小二乘算法同时估计多层材料的超声参数
DOI:10.1016/j.ultras.2018.08.003
发表时间:2019
期刊:Ultrasonics
影响因子:4.2
作者:Yang Xiaoyu;Zhang Chengcheng;Wang Chuanyong;Sun Anyu;Ju Bing Feng;Shen Qiang
通讯作者:Shen Qiang
Width gauging of surface slot using laser-generated Rayleigh waves
使用激光产生的瑞利波测量表面槽的宽度
DOI:10.1016/j.optlastec.2016.12.033
发表时间:2017-07-01
期刊:OPTICS AND LASER TECHNOLOGY
影响因子:5
作者:Wang, Chuanyong;Sun, Anyu;Xu, Xiaodong
通讯作者:Xu, Xiaodong
面向原子精度制造的极端时空测量与表征
- 批准号:--
- 项目类别:专项基金项目
- 资助金额:30万元
- 批准年份:2021
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
硬脆薄壁异形件柔性超精密加工与精度控制
- 批准号:LD22E050010
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2021
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
跨尺度微纳米三坐标测量基础理论与技术研究
- 批准号:52035013
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:300万元
- 批准年份:2020
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
单点金刚石微纳切削过程的跨尺度原位测量关键技术研究
- 批准号:U1709206
- 项目类别:联合基金项目
- 资助金额:200.0万元
- 批准年份:2017
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
具有曲率突变特征的三维微纳结构多隧道电流耦合探针显微超精密测量基础技术研究
- 批准号:51175467
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
大面积、高深-宽比微纳结构(HARMS)的超精密在线测量基础技术研究
- 批准号:90923031
- 项目类别:重大研究计划
- 资助金额:50.0万元
- 批准年份:2009
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
平面亚微米级局域导电率及其在MEMS导电薄膜器件无损检测中的应用基础研究
- 批准号:50705086
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:20.0万元
- 批准年份:2007
- 负责人:居冰峰
- 依托单位:
国内基金
海外基金
