Wir danken Taarna Studemund und Hagen Wendler für das Fotografieren des Versuchsaufbaus und die Vorbereitung auf die Figurenveröffentlichung. Darüber hinaus möchten wir uns bei Anne Hildebrandt für die Probenvorbereitung und Sreedhar Unnikrishnakurup, Alexander Battig und Felix Fritzsche für die Korrektur danken.

<ol>
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P., Busse, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Iterative+improvement+of+Lockin-thermography+results+by+temporal+and+spatial+adaption+of+optical+excitation.">Iterative improvement of Lockin-thermography results by temporal and spatial adaption of optical excitation.</a> Qirt J. 9 (2), 167-176 (2012).</li><li>Pribe, J. D., Thandu, S. C., Yin, Z., Kinzel, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+DMD+illuminated+spatial-temporal+modulated+thermography.">Toward DMD illuminated spatial-temporal modulated thermography.</a> Proc. SPIE 9861. , (2016).</li><li>Ravichandran, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Spatial and temporal modulation of heat source using light modulator for advanced thermography. , (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> DLP 0.55 XGA Series 450 DMD. , (2015).</li><li>. 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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Das vorgestellte Protokoll beschreibt, wie man künstliche Untergrunddefekte senkrecht zur Oberfläche lokalisiert. Der Grundgedanke der Methode besteht darin, interferierende thermische Wellenfelder zu erzeugen, die mit dem Untergrunddefekt in Wechselwirkung treten. Die wichtigsten Schritte sind (i) die Kombination eines SLM mit einem Diodenlaser, um zwei alternierende Hochleistungsbeleuchtungsmuster an der Probenoberfläche zu erzeugen; Diese Muster werden photothermisch in kohärente thermische Wellenfelder umgewandelt, (ii) sie zerstören, wenn sie mit einem Untergrunddefekt interagieren, und (iii) diese Fehler von einer Oberflächenabtastung der dynamischen Temperatur der Probenoberfläche unter Verwendung einer thermischen Bildgebung zu lokalisieren IR-Kamera. Da nur die relative Oszillation der Temperatur um einen langsam variierenden Mittelwert und nicht der absolute Temperaturwert erforderlich ist, ist dieser Ansatz äußerst empfindlich gegenüber versteckten Defekten 1 . Einer der kritischsten SchritteInnerhalb des Protokolls soll eine ausreichende Homogenität des Beleuchtungsstrahlprofils bei Verwendung einer SLM-gekoppelten Laserquelle für strukturiertes Erwärmen hergestellt werden (siehe Schritt 1.10). Der Diodenlaser bietet eine hohe Bestrahlungsstärke, muss aber in den Projektor mit dem SLM mit dem richtigen Strahldurchmesser und der Richtwirkung eingespeist werden. Wegen der leichten unvermeidlichen geometrischen und spektralen Fehlanpassungen mit dem proprietären optischen Weg innerhalb des Projektors wird das erzeugte Bild auf der Probe verzerrt. Daher wird eine numerische Korrektur der die projizierten Bilder steuernden Bildintensitätswerte mit einer referenzierenden Strahlprofilmessung durchgeführt. Ein zweiter kritischer Schritt für ein erfolgreiches Experiment besteht darin, eine hohe räumliche Auflösung des IR-Bildes zu erreichen (siehe Schritte 3.3.7- 3.3.8). Die Verarmungszone muss ausreichend räumlich aufgelöst werden, sonst keine Verarmung und damit keine Defektposition gemessen werden. Die Natur der angewandten thermischen Wellen ist diffusionsartigProzess, der zu einer starken Dämpfung ihrer Amplitude über ein paar Millimeter nur führt. Wir begegnen dieser intrinsischen physikalischen Begrenzung, indem wir einen Hochleistungs-Diodenlaser als Lichtquelle verwenden. Der Engpass des aktuellen Versuchsaufbaus ist die thermische Belastungsgrenze des SLM 21 , was bedeutet, dass nur ein Bruchteil der verfügbaren Laserleistung angewendet werden kann. Unsere aktuelle Lösung besteht darin, die Probenoberfläche mit einer schwarzen Graphitbeschichtung zu beschichten. In Zukunft erwarten wir mit optimierten Lichtmaschinen oder sogar umschaltbaren Direkt-Laser-Arrays, wie z. B. Hochleistungs-Vertikal-Hohlraum-Oberflächenemissionslaser (VCSEL) Arrays 22 , Setups mit höherer Empfindlichkeit. Der Hauptunterschied zwischen dieser Methode und der bestehenden thermischen Bildgebung bei der zerstörungsfreien Prüfung ist die Tatsache, dass wir die zerstörerische Interferenz von vollständig kohärenten thermischen Wellenfeldern verwenden; Was erst nach der Kontrolle über die Amplitude und Phase eines Satzes von individuellen Li möglich istGht Quellen in einer deterministischen Weise. Innerhalb der bestehenden thermografischen Verfahren wird entweder eine im Zeitbereich gesteuerte planare Lichtquelle oder ein einziger fokussierter Laserpunkt, der im räumlichen Bereich gesteuert wird, verwendet. Der große Vorteil unseres Ansatzes ist eine hohe Empfindlichkeit gegenüber senkrecht zur Probenoberfläche liegenden Defekten. Bisher wurden nur zwei einzelne Lichtquellen erzeugt. Mit dem lasergekoppelten SLM können wir grundsätzlich bis zu einer Million einzelne Lichtquellen - eine Million Wärmequellen - auf der Probenoberfläche erzeugen und steuern. Eindeutig eröffnet dieser Ansatz die Möglichkeiten der willkürlichen thermischen Wellenformung auf lange Sicht und Transfertechniken von Ultraschall oder Radar auf das Gebiet der aktiven Thermographie, innerhalb physikalischer Grenzen. Sobald die Bestrahlungsaufgabe wie oben angegeben ( dh die optische Leistung pro projiziertem Pixel) zufriedenstellend gelöst ist, sollten noch kleinere Defekte, die tiefer unter der Oberfläche liegen, detektierbar werden. Bisher,Stahl wurde getestet, aber das Verfahren ist sehr vielversprechend vor allem für Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und andere empfindliche Materialien, aufgrund der geringen thermischen Belastung angewendet.

Das laserprojizierte photothermische Thermographieverfahren (LPPT) wird verwendet, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die in das Volumen des Probekörpers eingebettet sind und vorwiegend senkrecht zu seiner Oberfläche orientiert sind. Das Verfahren verwendet die zerstörende Interferenz von zwei anti-phasengesteuerten thermischen Wellenfeldern der gleichen Dehnung und Frequenz, wie in 1b gezeigt . Bei isotropen fehlerfreien Materialien neutralisieren die thermischen Wellen destruktiv ( dh Nulltemperaturschwingung) an der Symmetrieebene durch kohärente Überlagerung. Im Falle eines Materials mit einem Untergrunddefekt nutzt das Verfahren die Wechselwirkung der seitlichen ( dh in der Ebene liegenden) Komponenten zwischen dem transienten Wärmestrom und diesem Defekt. Diese Wechselwirkung kann in einer neu erzeugten Oszillationstemperaturdehnung an der Symmetrielinie auf der Probenoberfläche gemessen werden. Nun wird die fehlerbehaftete Probe durch das überlagerte thermische Wellenfeld abgetastet undWird der Grad der Temperaturdehnung in Bezug auf die Probenposition gemessen. Aufgrund der Symmetrie wird die destruktive Interferenzbedingung noch einmal erfüllt, wenn der Defekt die Symmetrieebene kreuzt; Damit können wir den Defekt sehr empfindlich finden. Da außerdem der Grad der maximalen Störung der zerstörenden Interferenz mit der Tiefe des Defekts korreliert, ist es möglich, seine Tiefe durch Analysieren der Temperaturabtastung 1 zu bestimmen. Der LPPT kann der aktiven Thermografie-Methodik zugeordnet werden, einer gut etablierten, zerstörungsfreien Methode, bei der eine transiente Erwärmung aktiv erzeugt wird und die daraus resultierende, auch transiente Temperaturverteilung über eine thermische IR-Kamera gemessen wird. Im Allgemeinen ist die Empfindlichkeit dieser Methodik auf Defekte beschränkt, die im Wesentlichen senkrecht zum transienten Wärmestrom orientiert sind. Da die regulierende transiente Wärmeleitungsgleichung ein parabolischer partieller Unterschied istGleichung ist der Wärmestrom in das Volumen stark gedämpft. Infolgedessen ist die Sondierungstiefe der aktiven Thermographie-Methodik auf einen nahezu oberflächennahen Bereich beschränkt, üblicherweise im Millimeterbereich. Zwei der häufigsten aktiven Thermografietechniken sind gepulste und Lock-in-Thermografie. Sie sind aufgrund der planaren optischen Flächenbeleuchtung 2 schnell, führen aber zu einem transienten Wärmestrom senkrecht zur Oberfläche. Daher ist die Empfindlichkeit dieser Techniken auf Defekte begrenzt, die überwiegend parallel ausgerichtet sind ( z. B. Delaminierungen oder Hohlräume) auf die beheizte Probenoberfläche. Eine empirische Regel für gepulste Thermographie besagt, dass &quot;der Radius des kleinsten detektierbaren Defektes mindestens ein bis zwei Mal größer sein sollte als seine Tiefe unter der Oberfläche&quot; 3 . Um die effektive Wechselwirkungsfläche zwischen einem senkrecht orientierten Defekt ( zB Riss) und dem Wärmestrom zu erhöhen, muss die Richtung des Wärmestroms erfolgengeändert. Die lokale Erregung erzeugt beispielsweise unter Verwendung eines fokussierten Lasers mit einem linearen oder kreisförmigen Fleck einen Wärmestrom mit einer in der Ebene liegenden Komponente, die in der Lage ist, effektiv mit dem senkrechten Defekt 4 , 5 , 6 , 7 in Wechselwirkung zu treten. In der vorgestellten Methode verwenden wir auch die lateralen Wärmestromkomponenten, um Untergrunddefekte zu detektieren, aber wir verwenden die Tatsache, dass thermische Wellen überlagert werden können, während Defekte, insbesondere vertikal orientierte, diese Überlagerung stören. Auf diese Weise ähnelt das vorgestellte Verfahren einem referenzfreien, symmetrischen und sehr empfindlichen Verfahren, da es möglich ist, künstliche Untergrunddefekte bei einem Breiten- / Tiefenverhältnis von weit unter einem 8 , 9 zu detektieren. Bisher war es schwierig, zwei anti-phased thermische Wellenfelder zu schaffen, die genügend Energie liefern. Wir haben das erreichtY-Kopplung eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) an einen Hochleistungs-Diodenlaser, der es uns ermöglichte, die hohe optische Leistung des Lasersystems mit der räumlichen und zeitlichen Auflösung des SLM (siehe Abbildung 2 ) in einen Hochleistungsprojektor zu verschmelzen . Die thermischen Wellenfelder werden nun durch photothermische Umwandlung von zwei antiphasigen sinusförmig modulierten Linienmustern über die Pixelhelligkeit des projizierten Bildes erzeugt (siehe Abbildung 2 , Abbildung 1a ). Dies führt zu einer strukturierten Erwärmung der Probenoberfläche und führt zu klar definierten, destruktiv störenden thermischen Wellenfeldern. Um einen Untergrunddefekt zu finden, wird die Störung der destruktiven Schlußfolgerung als Temperaturschwingung an der Oberfläche mit einer IR-Kamera gemessen. Der Begriff thermische Welle wird kontrovers diskutiert, weil thermische Wellen keine Energie aufgrund des diffusiven Charakters der Wärmeausbreitung transportieren. Dennoch gibt es Wellen-Verhalten, wenn hea<html> Regelmäßig, so dass wir Ähnlichkeiten zwischen realen Wellen und Diffusionsprozessen 10 , 11 , 12 verwenden können . Somit kann eine thermische Welle als in der Ausbreitungsrichtung stark gedämpft verstanden werden, aber periodisch über die Zeit ( Fig. 1b ). Die charakteristische thermische Diffusionslänge <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/55733/55733eq1.jpg" /> Wird hiermit durch seine Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit k , Wärmekapazität c p und Dichte ρ ) und die Erregerfrequenz ƒ beschrieben. Obwohl die thermische Welle stark abklingt, kann ihre Wellenart angewendet werden, um Einblick in die Eigenschaften der Probe zu erhalten. Die erste Anwendung der thermischen Welleninterferenz wurde verwendet, um die Dicke der Schichten zu bestimmen. Im Gegensatz zu unserer Methode wurde der Interferenzeffekt in der Tiefenabmessung ( dh senkrecht zur Oberfläche) verwendet,<html> Ref &quot;&gt; 13. Ausdehnung der Idee der Interferenz auf eine zweite Dimension durch Aufteilung eines Laserstrahls, wurde eine thermische Wellenstörung verwendet, um Untergrunddefekte zu beschädigen 14. Dieses Verfahren wurde in der Übertragungskonfiguration angewendet, was bedeutet, dass es durch die Penetration begrenzt wurde Tiefe der thermischen Welle, da nur eine Laserquelle verwendet wird, gilt diese Methode für konstruktive Interferenzen, so dass eine fehlerfreie Referenz benötigt wird. Neben der Idee der Verwendung von thermischen Wellenstörungen ist die erste technische räumliche und räumliche Die zeitlich kontrollierte Erwärmung wurde von Holtmann et al. Mit einem unmodifizierten Flüssigkristall-Display (LCD) -Projektor mit der eingebauten Lichtquelle durchgeführt, die in ihrer optischen Ausgangsleistung stark eingeschränkt war. Weitere Ansätze von Pribe und Ravichandran zielten darauf ab, das optische zu erhöhen Ausgangsleistung durch auch Kopplung eines Lasers an einen SLM 16 ,<html> S = &quot;xref&quot;&gt; 17 Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt die Anwendung des LPPT-Verfahrens, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche von Stahlproben orientiert sind. Die Methode ist in einem frühen Stadium, aber dennoch mächtig genug, um den vorgeschlagenen Ansatz zu validieren; Es ist jedoch immer noch in Bezug auf die erreichbare optische Ausgangsleistung des Versuchsaufbaus begrenzt. Da die Zunahme der optischen Ausgangsleistung eine Herausforderung bleibt, wird das vorgestellte Verfahren auf beschichteten Stahl angewendet, der künstliche elektrisch entladene bearbeitete Kerben enthält. Dennoch halten die wichtigsten und kritischsten Schritte des Protokolls, die eine homogene strukturierte Beleuchtung erzeugen, die Voraussetzungen für eine zerstörende thermische Wellenstörung erfüllen und den Defekt lokalisieren, immer noch für anspruchsvollere Defekte. Da die Regelgröße die thermische Diffusionslänge μ ist, kann das LPPT-Verfahren auch auf zahlreiche verschiedene Materialien angewendet werden. Nt &quot;&gt; <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig1.jpg" /> Abbildung 1: Prinzip der zerstörenden Interferenzwirkung. ( A ) Schematische Darstellung des bei Experimenten verwendeten Beleuchtungsmusters Die Probe wird räumlich und zeitlich durch zwei periodisch beleuchtete Muster mit einer Phasenverschiebung von π erwärmt. Die gestrichelte Linie stellt die Symmetrielinie zwischen beiden Mustern dar. Diese Zeile wird zur Auswertung als &quot;Verarmungslinie&quot; verwendet. ( B ) Schema des räumlich und zeitlich aufgelösten thermischen Wärmeergebnisses, berechnet aus der analytischen Lösung der thermischen Wärmeleitungsgleichung. Es zeigt die ansprechenden thermischen Wellen zur Beleuchtung von (a) mit einer Bestrahlung der beiden Muster mit P opt 1 = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W und P opt 2 = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W für Baustahl ρ </Em&gt; = 7,850 kg / m 3 , c p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Das Temperaturprofil an der gestrichelten Linie zeigt keine thermische Oszillation für homogenes, isotropes Material. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55733/55733fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig2.jpg" /> Abbildung 2: Schematische Darstellung des Messprinzips der strukturierten Erwärmung in der aktiven Thermographie. Ein Gauß-Strahl, der zu einem Hutprofil homogenisiert ist, wird auf einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) angewendet. Der SLM löst den Strahl räumlich durch seine schaltbaren Elemente und zeitlich durch seine Schaltgeschwindigkeit. Jedes Element repräsentiert ein SLM-Pixel. In diesem Experiment ist das SLM ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD). Durch die Modulation der Pixelhelligkeit A mit einer zeitdeterministischen Steuerungssoftware, der ProbenoberflächeWird strukturiert beheizt. Im Falle des dargestellten Experiments modulieren wir zwei anti-phasenförmige Linien (Phasen: φ = 0, π), die den Ursprung kohärent störender thermischer Wellenfelder bei der Winkelfrequenz ω sind. Die Wellenfelder wechselwirken mit der inneren Struktur der Probe, die auch das Temperaturfeld an der Oberfläche beeinflusst. Dies wird über seine Wärmestrahlung durch eine Mittelwellen-Infrarotkamera gemessen. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55733/55733fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="681">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">500 W diode laser system, 940 nm</td>
			<td style="width:88px;">Laserline</td>
			<td style="width:104px;">LDM 500 - 20</td>
			<td style="width:220px;">Pilot laser class 2 @ 650 nm, diode laser is a class 4 laser system --&#62; special laboratory needed</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">Laser control box</td>
			<td style="width:88px;">Laserline</td>
			<td style="width:104px;">Laser control box LDM</td>
			<td style="width:220px;">Add on to the laser system, used to switch electronically, laser threshold, shutter, laser on 0 V ..5 V TTL</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">Control box scanner</td>
			<td style="width:88px;">Laserline</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Add on to the laser system, used to adjust the optical output power via analog signal from 0 V..10 V</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Fiber Laser Mount 2&#34;, f = 80 mm</td>
			<td style="width:88px;">Laserline</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Add on to the laser system</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">Multifunction Data Aquisition (DAQ) Device + BNC Terminal</td>
			<td style="width:88px;">National Instruments</td>
			<td style="width:104px;">NI-USB 6251</td>
			<td style="width:220px;">The DAQ card is used to trigger the IR camera,&#160; the DLP Light Commander 5500, control Laser and diode PDA 36A</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">Standard - PC&#160;</td>
			<td style="width:88px;"></td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Control PC - graphic card for two screens, at least 4 x USB, Windows based</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">BNC cabel</td>
			<td style="width:88px;"></td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Standard cable</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">HDMI cable</td>
			<td style="width:88px;"></td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Standard cable</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Micro USB to USB cable</td>
			<td style="width:88px;"></td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Standard cable</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">LabVIEW 2013 SP1 Development System</td>
			<td style="width:88px;">National Instruments</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Development environment for device control</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">LPPT control software</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">part of the LPPT software package by LabVIEW 2013 SP1</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">LPPT intensity&#160; software</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">part of the LPPT software package by LabVIEW 2013 SP1</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">LPPT laser control software</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">part of the LPPT software package by LabVIEW 2013 SP1</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Matlab 2016b</td>
			<td style="width:88px;">MathWorks</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Postprocessing of the measurement data</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">LPPT postprocessing software</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Postprocessing of the measurement data</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">IR camera control PC&#160;</td>
			<td style="width:88px;">InfraTec</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Control PC is supplied by camera distributor</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">IR camera control software</td>
			<td style="width:88px;">InfraTec</td>
			<td style="width:104px;">Irbis 3 Professional</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">InfraTec SDK</td>
			<td style="width:88px;">InfraTec</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Dynamic Link Library as interface between the native data aquisition format of Infratec and Matlab</td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:269px;">IR camera</td>
			<td style="width:88px;">InfraTec</td>
			<td style="width:104px;">Image IR 8300</td>
			<td style="width:220px;">640 x 512, cooled InSb detector, wavelength 2 &#181;m..5.7 &#181;m, noise = 20 mK + accessories (LAN cable, Digital in/out cable, space ring, power supply, case)&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Tripod</td>
			<td style="width:88px;">Manfrotto</td>
			<td style="width:104px;">161MK2B</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">IR camera mount</td>
			<td style="width:88px;">Manfrotto</td>
			<td align="right" style="width:104px;">405</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">Projector development kit (PDK) for digital light processing (DLP) technology (DLP Light Commander 5500)</td>
			<td style="width:88px;">Logic PD</td>
			<td style="width:104px;">DLP-LC-DLP5500-10R</td>
			<td style="width:220px;">DLP5500 Digital Micromirror Device from Texas Instruments included , light engine and case need to be disassembed</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">PDK control software</td>
			<td style="width:88px;">Logic PD</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Included when delivered, DLP Light Commander control software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Mechanical platform for the PDK</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Self made (140 x 230 x 420) mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Power meter control unit</td>
			<td style="width:88px;">Ophir</td>
			<td style="width:104px;">Vega</td>
			<td style="width:220px;">USB Interface</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">30 W power meter head&#160;</td>
			<td style="width:88px;">Ophir</td>
			<td style="width:104px;">30(150)A-LP1-18</td>
			<td style="width:220px;">Power meter head to determine Transmission of the projector system</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">500 W power meter head</td>
			<td style="width:88px;">Ophir</td>
			<td style="width:104px;">FL500A</td>
			<td style="width:220px;">Power meter for process supervision</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Motion controller</td>
			<td style="width:88px;">Newport</td>
			<td style="width:104px;">ESP301</td>
			<td style="width:220px;">with USB Interface</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Translation stage</td>
			<td style="width:88px;">Newport</td>
			<td style="width:104px;">M-ILS200CC</td>
			<td style="width:220px;">Connected to ESP301</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Photodiode with amplifier</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">PDA 36A-EC</td>
			<td style="width:220px;">1&#34; mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Reflective filter ND1</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">ND10A</td>
			<td style="width:220px;">to be mounted to the PDA 36A</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Pinhole 1&#34;</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">P1000S</td>
			<td style="width:220px;">to be mounted to the PDA 36A</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Optical aluminium breadboard&#160;</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">MB60120/M</td>
			<td style="width:220px;">(1200 mm x 900 mm) base&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Plano Convex Lens f = 200 mm</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">LA1979-B</td>
			<td style="width:220px;">Coated for IR, first telescope lens</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Plano Convex Lens f = 75 mm</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">LA1145-B</td>
			<td style="width:220px;">Coated for IR, second telescope lens</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">xy-translation stage</td>
			<td style="width:88px;">Newport</td>
			<td style="width:104px;">M401</td>
			<td style="width:220px;">Used for adjusting the telecope</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">Beamsampler</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">BSF20-B&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Splits the optical output, used to reduce the optical input for the projector system</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Mirror</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">BB2-E03</td>
			<td style="width:220px;">Mirror for coupling the beam to the DLP Light Commander</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">Heavy duty lab jack</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">L490</td>
			<td style="width:220px;">Used for the fiber mount and on top of the linear stage to position the sample (2x)</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">PDK-objective&#160;</td>
			<td style="width:88px;">Nikon</td>
			<td style="width:104px;">Nikon AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Objective for DLP Light Commander, 50 mm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Plano Convex Lens f = 100 mm</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">LA1050 -B</td>
			<td style="width:220px;">Lens is attached to the Nikon Objective</td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:269px;">Bi-Convex Lens f = 60 mm</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">LB1723 -B</td>
			<td style="width:220px;">Lens to be attached to the Nikon objective in order to determine the optical transmission with the 30 W measurement head</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Square protected gold mirror</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">PFSQ20-03-M01</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">High power IR sensor card</td>
			<td style="width:88px;">Newport</td>
			<td style="width:104px;">F-IRC-HP-M</td>
			<td style="width:220px;">Sensor card to check the optical pathway</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">2&#34; crosshairs</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Selfmade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">1&#34; crosshairs</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">Selfmade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Bullseye level</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">LCL01</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Translation Stage</td>
			<td style="width:88px;">Newport</td>
			<td style="width:104px;">M-UMR8.25</td>
			<td style="width:220px;">Used for measuring the beam profile</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Micrometer screw</td>
			<td style="width:88px;">Newport</td>
			<td style="width:104px;">DM17-25</td>
			<td style="width:220px;">Used with translation stage M-UMR8.25</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Mounted Zero Aperture Iris</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">&#160;ID75Z/M</td>
			<td style="width:220px;">used to check the optical pathway</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Bases and Post Holders Essentials Kit, Metric and Universal Components</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">ESK01/M</td>
			<td style="width:220px;">Basis&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Posts &#38; Accessories Essentials Kit, Metric and Universal Components</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">ESK03/M</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">M6 Cap Screw and Hardware Kit</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">HW-KIT2/M</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Construction Rails</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">XE25L700/M</td>
			<td style="width:220px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">1&#34; Construction Cube</td>
			<td style="width:88px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:104px;">RM1G</td>
			<td style="width:220px;">Used to mount construction rails</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Electrical discharge machining</td>
			<td style="width:88px;">Sodick</td>
			<td style="width:104px;">AG60L</td>
			<td style="width:220px;">www.sodick.de</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">St37 block of steel (100 x 100 x 40) mm</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">selfmade, hidden defect with remaining wall thicknesses of 0.25 mm, 0.5 mm, 0.70 mm 1.25 mm (shown in Fig. 5)</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:269px;">St37 block of steel (100 x 100 x 40) mm</td>
			<td style="width:88px;">BAM</td>
			<td style="width:104px;"></td>
			<td style="width:220px;">selfmade, hidden defect with remaining wall thicknesses of 1 mm, 1.5 mm, 1.75 mm, 2 mm (shown in Fig. 5)</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:269px;">Graphite spray</td>
			<td style="width:88px;">CRC Industries Europe NV</td>
			<td style="width:104px;">GRAPHIT 33</td>
			<td style="width:220px;">Ref. 20760, 200 ml aerosol (Kontakt-Chemie)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:269px;">Protective tape</td>
			<td style="width:88px;">Tesa</td>
			<td style="width:104px;">tesakrepp 4348</td>
			<td style="width:220px;">used to protect the hidden defects while coating</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

subsurface defect localization by structured heating using laser projected photothermal thermography

Die dargestellte Methode wird verwendet, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche orientiert sind. Um dies zu erreichen, schaffen wir destruktiv interferierende thermische Wellenfelder, die durch den Defekt gestört werden. Dieser Effekt wird gemessen und verwendet, um den Defekt zu lokalisieren. Wir bilden die zerstörerisch störenden Wellenfelder mit einem modifizierten Projektor. Die ursprüngliche Lichtmaschine des Projektors wird durch einen fasergekoppelten Hochleistungs-Diodenlaser ersetzt. Sein Strahl ist geformt und auf den räumlichen Lichtmodulator des Projektors ausgerichtet und optimiert für optimalen optischen Durchsatz und homogene Projektion, indem er zuerst das Strahlprofil charakterisiert und zweitens mechanisch und numerisch korrigiert. Eine Hochleistungs-Infrarot- (IR-) Kamera wird entsprechend der engen geometrischen Situation (einschließlich Korrekturen der geometrischen Bildverzerrungen) und der Anforderung, schwache Temperaturschwingungen an der Probenoberfläche zu detektieren, aufgebaut. Die Datenerfassung kann nach einer Synchronisation durchgeführt werdenDie Ronisierung zwischen den einzelnen thermischen Wellenfeldquellen, der Abtaststufe und der IR-Kamera wird durch die Verwendung eines dedizierten experimentellen Aufbaus hergestellt, der auf das zu untersuchende spezifische Material abgestimmt werden muss. Während der Daten nach der Verarbeitung werden die relevanten Informationen über das Vorhandensein eines Defekts unterhalb der Oberfläche der Probe extrahiert. Es wird aus dem oszillierenden Teil der erworbenen Wärmestrahlung, die von der sogenannten Verarmungslinie der Probenoberfläche kommt, abgerufen. Die genaue Lage des Defektes ergibt sich aus der Analyse der räumlich-zeitlichen Form dieser Schwingungen in einem abschließenden Schritt. Die Methode ist referenzfrei und sehr empfindlich gegenüber Veränderungen innerhalb des thermischen Wellenfeldes. Bisher wurde das Verfahren mit Stahlproben getestet, ist aber auch für verschiedene Materialien, insbesondere für temperaturempfindliche Materialien, anwendbar.

Nach dem Protokoll wurde die Seite 1 der Stahlprobe mit einem Untergrunddefekt in einer Tiefe von 0,25 mm gewählt, um repräsentative Ergebnisse zu erzeugen. Der Defekt wurde zunächst etwa in der Mitte des beleuchteten Bereichs positioniert. Die Probe wurde dann von -5 mm auf 5 mm über die lineare Stufe mit einer Geschwindigkeit von 0,05 mm / s bewegt. Unter Verwendung dieser Parameter zeigt Abbildung 11a die Scan-Daten nach dem Extrahieren aus der Verarmungslinie. In diesem Stadium kann der Erfolg des Experiments geschätzt werden, da die Rohdaten von der IR-Kamera-Steuerungssoftware als Vorschau verfügbar sind (optional: Verwenden Sie das Linienwerkzeug, um die Daten zu sehen, siehe Abbildung 8 , Schritt i.4) . Nach einer weiteren Signalnachverarbeitung zeigt Abbildung 11b die Fehlerposition bei mindestens der Hilbert-Kurve (blau) bei 0,3 mm. Um das Experiment zu validieren, sollte die Kurve hAve die folgenden Eigenschaften: es sollte symmetrisch sein, haben ein ausgeprägtes Minimum an der Symmetrieebene und zwei gleiche Maxima zu seinem links und rechts. Die Maxima entstehen, weil der Wärmestrom von einer der Leitungsquellen über die andere durch die Wärmeansammlung beim Defekt dominiert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Defekt nahe der Symmetrieebene liegt. Der Defekt bildet eine Barriere für den Wärmestrom, so dass wir den Wärmestrom der dominierenden Quelle und dessen Reflexion vom Defekt beobachten können. Ist der Defekt symmetrisch in der Mitte positioniert, so spaltet sich der Wärmestrom gleichmäßig, was zu einem Minimum führt 1 . Die Wirkung der Abtastgeschwindigkeit ist in Abbildung 11c dargestellt . Hier wurde die Scan-Geschwindigkeit auf 0,1 mm / s verdoppelt, um den gleichen Defekt zu bewerten. Im Vorfeld wurde die Probe leicht auf die Bühne verschoben, um eine andere relative Position zu gewinnen. Die Fehlerposition wurde bestimmtZu -2 mm sein Der Grad der Dehnung war ähnlich den in Fig. 11a gezeigten Daten, was eine gute Reproduzierbarkeit des Experiments zeigt, jedoch mit weniger Schwingungen. Da die maximale Dehnung mit der Tiefe des Defektes korreliert, können auch Informationen über Position und Tiefe beibehalten werden 1 . Abbildung 11d zeigt einen suboptimalen Datensatz. Der Defekt war 1 mm unter der Oberfläche, der fast an der Nachweisgrenze dieser Diffusionslänge und der vorhandenen optischen Leistung liegt. Obwohl die Lage des Defektes noch bestimmt werden kann, ist die Messunsicherheit größer, da die Lage der Nullschwingung bereits durch Rauschen beeinflusst wird. Aus diesem Verhalten können wir folgern, dass die offensichtlichsten Anzeichen für ein Versagen des Defektdetektionsexperiments sind, wenn die Verarmungslinie vollständig verschwindet oder wenn es ein starkes asymmetrisches Verhalten gibt. Dies kann auf das folgende folgen(I) die räumliche Auflösung der IR-Kamera ist nicht ausreichend und die Verarmungslinie kann nicht ordnungsgemäß gelöst werden, (ii) das Rauschen der Kamera ist im Vergleich zum Temperaturanstieg zu hoch, (iii) das Beleuchtungsmuster ist Inhomogen und wurde nicht korrekt korrigiert, (iv) die gewählte Stufengeschwindigkeit ist im Vergleich zur Modulationsfrequenz des Beleuchtungsmusters zu hoch und (v) die thermische Diffusionslänge (über die Modulationsfrequenz) nicht an den Defekt angepasst Tiefe. <img alt="Abbildung 11" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig11.jpg" /> Abbildung 11: Repräsentative Datensätze aus Experimenten, um Untergrunddefekte zu lokalisieren. ( A ) Repräsentative experimentelle Daten aus der St37-Probe, Seite 1 mit einem Defekt in einer Tiefe von 0,25 mm. Die schwarze Linie zeigt die Temperaturinformation über die Zeit (obere Achse). Durch Umsetzen der Bühne mit einer Geschwindigkeit v = 0,05 mm / s ist die PositionAbgerufen (untere Achse). Die rote Kurve zeigt eine polynomische Passung (7. Grad), die verwendet wird, um die Wechseltemperaturkomponente zu gewinnen. Die gestrichelte rote Linie stellt die Position des Untergrunddefekts dar. ( B ) Die schwarze Kurve zeigt den alternierenden Temperaturgraphen, der durch Subtrahieren der Polynomanpassung von den Temperaturdaten der Tafel (a) erhalten wird. Die blaue Kurve wurde durch Anwendung der Hilbert-Transformation auf die schwarze Kurve und Mittelung erhalten. ( C ) Repräsentative experimentelle Daten derselben Seite über einen Bereich von -7 mm bis 3 mm bei einer Bahngeschwindigkeit von 0,1 mm / s. Die Frequenz ist halbiert, aber die Dehnung ist ähnlich wie die Platte (a). ( D ) Suboptimale experimentelle Daten, die erfasst wurden, als der Untergrunddefekt in einer Tiefe von 1 mm lag. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55733/55733fig11large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

Diese Methode zielt darauf ab, vertikale Untergrunddefekte zu lokalisieren. Hier koppeln wir einen Laser mit einem räumlichen Lichtmodulator und lösen seinen Videoeingang aus, um eine Probenoberfläche deterministisch mit zwei anti-phased modulierten Linien zu erwärmen, während hochaufgelöste thermische Bilder aufgenommen werden. Die Fehlerposition wird von der Auswertung von thermischen Welleninterferenzminima abgerufen.

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...

subsurface-defect-localization-structured-heating-using-laser

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

11.0K Aufrufe.  Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).  Diese Methode zielt darauf ab, vertikale Untergrunddefekte zu lokalisieren. Hier koppeln wir einen Laser mit einem räumlichen Lichtmodulator und lösen seinen Videoeingang aus, um eine Probenoberfläche deterministisch mit zwei anti-phased modulierten Linien zu erwärmen, während hochaufgelöste thermische Bilder aufgenommen werden. Die Fehlerposition wird von der Auswertung von thermischen Welleninterferenzminima abgerufen. 

Serie: Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

Early plasma is generated owing to high intensity laser irradiation of target and the subsequent target material ionization. Its dynamics plays a significant role in laser-material interaction, especially in the air environment1-11.
Early plasma evolution has been captured through pump-probe shadowgraphy1-3 and interferometry1,4-7. However, the studied time frames and applied laser parameter ranges are limited. For example, direct examinations of plasma front locations and electron number densities within a delay time of 100 picosecond (ps) with respect to the laser pulse peak are still very few, especially for the ultrashort pulse of a duration around 100 femtosecond (fs) and a low power density around 1014 W/cm2. Early plasma generated under these conditions has only been captured recently with high temporal and spatial resolutions12. The detailed setup strategy and procedures of this high precision measurement will be illustrated in this paper. The rationale of the measurement is optical pump-probe shadowgraphy: one ultrashort laser pulse is split to a pump pulse and a probe pulse, while the delay time between them can be adjusted by changing their beam path lengths. The pump pulse ablates the target and generates the early plasma, and the probe pulse propagates through the plasma region and detects the non-uniformity of electron number density. In addition, animations are generated using the calculated results from the simulation model of Ref. 12 to illustrate the plasma formation and evolution with a very high resolution (0.04 ~ 1 ps).
Both the experimental method and the simulation method can be applied to a broad range of time frames and laser parameters. These methods can be used to examine the early plasma generated not only from metals, but also from semiconductors and insulators.

An experimental method to examine the early plasma evolution induced by ultrashort laser pulses is described. Using this method, high quality images of early plasma are obtained with high temporal and spatial resolutions. A novel integrated atomistic model is used to simulate and explain the mechanisms of early plasma.

Untersuchung der frühen Evolution von Plasma ultrakurzer Laserpulse

Early plasma is generated owing to high intensity laser irradiation of target and the subsequent target material ionization. Its dynamics plays a ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Herstellung von transparenten leitenden Oxide durch Pulsed Laser Deposition Nano-engineered

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to neutral gold Au(0) by reducing agents, such as sodium citrate or sodium borohydride. The extension of this method to decorate iron oxide or similar nanoparticles with gold nanoparticles to create multifunctional hybrid Fe2O3-Au nanoparticles is straightforward. This approach yields fairly good control over Au nanoparticle dimensions and loading onto Fe2O3. Additionally, the Au metal size, shape, and loading can easily be tuned by changing experimental parameters (e.g., reactant concentrations, reducing agents, surfactants, etc.). An advantage of this procedure is that the reaction can be done in air or water, and, in principle, is amenable to scaling up. The use of such optically tunable Fe2O3-Au nanoparticles for hyperthermia studies is an attractive option as it capitalizes on plasmonic heating of gold nanoparticles tuned to absorb light strongly in the VIS-NIR region. In addition to its plasmonic effects, nanoscale Au provides a unique surface for interesting chemistries and catalysis. The Fe2O3 material provides additional functionality due to its magnetic property. For example, an external magnetic field could be used to collect and recycle the hybrid Fe2O3-Au nanoparticles after a catalytic experiment, or alternatively, the magnetic Fe2O3 can be used for hyperthermia studies through magnetic heat induction. The photothermal experiment described in this report measures bulk temperature change and nanoparticle solution mass loss as functions of time using infrared thermocouples and a balance, respectively. The ease of sample preparation and the use of readily available equipment are distinct advantages of this technique. A caveat is that these photothermal measurements assess the bulk solution temperature and not the surface of the nanoparticle where the heat is transduced and the temperature is likely to be higher.

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.

Multifunktions-Hybrid Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; -Au Nanopartikel für effiziente Plasmonische Heizung

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step process that finishes with Negishi coupling. Negishi coupling is a cross-coupling process in which a chemical precursor is first lithiated, followed by transmetallation with ZnCl2. The resultant organozinc compound can be coupled to a dibrominated aromatic precursor to give the conjugated monomer. Polymer films can be prepared via electropolymerization of the monomer and characterized using cyclic voltammetry and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopy. Nanoparticles (NPs) are prepared via emulsion polymerization of the monomer using a two-surfactant system to yield an aqueous dispersion of the polymer NPs. The NPs are characterized using dynamic light scattering, electron microscopy, and UV-Vis-NIR-spectroscopy. Cytocompatibility of NPs is investigated using the cell viability assay. Finally, the NP suspensions are irradiated with a NIR laser to determine their effectiveness as potential materials for photothermal therapy (PTT).

A protocol is presented for the synthesis and preparation of nanoparticles consisting of electroactive polymers.

Elektroaktiven Polymer-Nanopartikel Teilnahmephotothermische Eigenschaften

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...

Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a new and inexpensive procedure to force mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser. This procedure is based on the detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs. This change is used to command the alignment of the intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions. More specifically, the value of the first Stokes parameter varies when the angle of the polarization controller is swept and, moreover, it undergoes an abrupt variation when the laser enters the mode-locked state. Monitoring this abrupt variation provides a practical easy-to-detect signal that can be used to command the alignment of the polarization controller and drive the laser towards mode locking. This monitoring is achieved by feeding a small portion of the signal to a polarization analyzer measuring the first Stokes parameter. A sudden change in the read out of this parameter from the analyzer will occur when the laser enters the mode-locked state. At this moment, the required angle of the polarization controller is kept fixed. The alignment is completed. This procedure provides an alternate way to existing automating procedures that use equipment such as an optical spectrum analyzer, an RF spectrum analyzer, a photodiode connected to an electronic pulse-counter or a nonlinear detecting scheme based on two-photon absorption or second harmonic generation. It is suitable for lasers mode locked by nonlinear polarization rotation. It is relatively easy to implement, it requires inexpensive means, especially at a wavelength of 1550 nm, and it lowers the production and operation costs incurred in comparison to the above-mentioned techniques.

A protocol to detect and automate mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser is presented. The detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs is used to command the alignment of an intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions.

Automatisierung der Modenkopplung in einem nicht-linearen Polarisationsdrehung Faserlaser durch Ausgabe Polarisationsmessungen

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a ...

Measuring Spray Droplet Size from Agricultural Nozzles Using Laser Diffraction

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to make an application so that the material reaches the target site (i.e., plant). Information critical in this process is the droplet size that a particular spray nozzle, spray pressure, and spray solution combination generates, as droplet size greatly influences product efficacy and how the spray moves through the environment. Researchers and product manufacturers commonly use laser diffraction equipment to measure the spray droplet size in laboratory wind tunnels. The work presented here describes methods used in making spray droplet size measurements with laser diffraction equipment for both ground and aerial application scenarios that can be used to ensure inter- and intra-laboratory precision while minimizing sampling bias associated with laser diffraction systems. Maintaining critical measurement distances and concurrent airflow throughout the testing process is key to this precision. Real time data quality analysis is also critical to preventing excess variation in the data or extraneous inclusion of erroneous data. Some limitations of this method include atypical spray nozzles, spray solutions or application conditions that result in spray streams that do not fully atomize within the measurement distances discussed. Successful adaption of this method can provide a highly efficient method for evaluation of the performance of agrochemical spray application nozzles under a variety of operational settings. Also discussed are potential experimental design considerations that can be included to enhance functionality of the data collected.

We present protocols to be used in the measurement of spray droplet size from agricultural nozzles used in both aerial and ground based agrochemical applications. These methods presented were developed to provide consistent and repeatable droplet size data both inter- and intra-laboratory, when using laser diffraction systems.

Mess Spray Tröpfchengröße von landwirtschaftlichen Düsen mit Laserbeugung

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to ...

Quantitative Analysis of Vacuum Induction Melting by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves several steps, include drawing samples, cooling, cutting, transport to the laboratory, and analysis. The whole analysis process requires more than 30 minutes, which hinders on-line process control. Laser-induced breakdown spectroscopy is an excellent on-line analysis method that can satisfy the requirements of vacuum induction melting because it is fast and noncontact and does not require sample preparation. The experimental facility uses a lamp-pumped Q-switched laser to ablate melted liquid steel with an output energy of 80 mJ, a frequency of 5 Hz, a FWHM pulse width of 20 ns, and a working wavelength of 1,064 nm. A multi-channel linear charge coupled device (CCD) spectrometer is used to measure the emission spectrum in real time, with a spectral range from 190 to 600 nm and a resolution of 0.06 nm at a wavelength of 200 nm. The protocol includes several steps: standard alloy sample preparation and an ingredient test, smelting of standard samples and determination of the laser breakdown spectrum, and construction of the elements concentration quantitative analysis curve of each element. To realize the concentration analysis of unknown samples, the spectrum of a sample also needs to be measured and disposed with the same process. The composition of all main elements in the melted alloy can be quantitatively analyzed with an internal standard method. The calibration curve shows that the limit of detection of most metal elements ranges from 20-250 ppm. The concentration of elements, such as Ti, Mo, Nb, V, and Cu, can be lower than 100 ppm, and the concentrations of Cr, Al, Co, Fe, Mn, C, and Si range from 100-200 ppm. The R2 of some calibration curves can exceed 0.94.

During vacuum induction melting, laser-induced breakdown spectroscopy is used to perform real-time quantitative analysis of the main-ingredient elements of a molten alloy.

Quantitative Analyse der Vakuum-Induktionsschmelze durch Laser-induzierte Spectroskopie

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves ...

Pore-scale Imaging and Characterization of Hydrocarbon Reservoir Rock Wettability at Subsurface Conditions Using X-ray Microtomography

In situ wettability measurements in hydrocarbon reservoir rocks have only been possible recently. The purpose of this work is to present a protocol to characterize the complex wetting conditions of hydrocarbon reservoir rock using pore-scale three-dimensional X-ray imaging at subsurface conditions. In this work, heterogeneous carbonate reservoir rocks, extracted from a very large producing oil field, have been used to demonstrate the protocol. The rocks are saturated with brine and oil and aged over three weeks at subsurface conditions to replicate the wettability conditions that typically exist in hydrocarbon reservoirs (known as mixed-wettability). After the brine injection, high-resolution three-dimensional images (2 &#181;m/voxel) are acquired and then processed and segmented. To calculate the distribution of the contact angle, which defines the wettability, the following steps are performed. First, fluid-fluid and fluid-rock surfaces are meshed. The surfaces are smoothed to remove voxel artefacts, and in situ contact angles are measured at the three-phase contact line throughout the whole image. The main advantage of this method is its ability to characterize in situ wettability accounting for pore-scale rock properties, such as rock surface roughness, rock chemical composition, and pore size. The in situ wettability is determined rapidly at hundreds of thousands of points. 
The method is limited by the segmentation accuracy and X-ray image resolution. This protocol could be used to characterize the wettability of other complex rocks saturated with different fluids and at different conditions for a variety of applications. For example, it could help in determining the optimal wettability that could yield an extra oil recovery (i.e., designing brine salinity accordingly to obtain higher oil recovery) and to find the most efficient wetting conditions to trap more CO2 in subsurface formations.

This protocol is presented to characterize the complex wetting conditions of an opaque porous medium (hydrocarbon reservoir rock) using three-dimensional images obtained by X-ray microtomography at subsurface conditions.

Pore-Scale Imaging und Charakterisierung von Kohlenwasserstoff Reservoir Rock Benetzbarkeit am Untergrund Bedingungen mit Röntgen-Mikrotomographie

In situ wettability measurements in hydrocarbon reservoir rocks have only been possible recently. The purpose of this work is to present a protocol to ...