Способ спектрального лазерного сканирования композитных материалов в соответствии с оптической плотностью его матрикса и составных компонентов Российский патент 2019 года по МПК G01N21/17 G01N21/63 

Способ спектрального лазерного сканирования композитных материалов в соответствии с оптической плотностью его матрикса и составных компонентов относится к области физико-химической диагностики материалов. Способ осуществляется, в полной темноте, последовательным облучением композитного материала батареей лазеров с разной частотой излучения и отдельной фиксацией (на отдельных носителях) характера дифракции (X; Y) и спектрального резонанса (Z) для каждого лазера в соответствии с пространственной структурой рассматриваемого образца/ Накладывая фиксированные результаты, дифракции в объеме материала (характеризующие оптическую плотность исследуемого материала X; Y) и локальный частотный резонанс (характеризующие резонансное излучение молекул Z) для каждого компонента получаем первичную картину структуры композитного материала для каждой частоты лазерного излучения. Полученные таким образом картины для каждого лазерного облучения обобщаются методом матричного анализа с опорой на всю линейку частотного излучения от 100 нм до 3000 нм (компьютерное моделирование объемных форм), с выделением сдвигов частотности резонансного излучения для каждого материала. Далее проводится корреляция характера сдвигов частотности каждого материала с необходимыми физико-химическими свойствами данного класса композитных материалов.

В отличие от лазерной диагностики, основанной на одной определенной лазерной частоте, лазерное сканирование проводится с опорой на целый ряд нормированных лазерных источников. Опора, при сканировании объекта, сразу на несколько фиксированных источников излучения позволяет рассматривать данные (дифракции и частотного резонанса) полученные по каждому лазеру как отдельные независимые от других параметры исследуемого материала. Данные по облучению каждым лазером следует фиксировать отдельно в виде фотоснимков для отраженного (X) и проходящего (Y) света и спектрограмм (профилей) для резонансного (Z) излучения материала.

Наиболее близким аналогом, позволяющим раскрыть принцип работы нашего способа, является обычная фотография объекта (X), полученная на основании отраженного света и рентгеновский снимок характеризующий внутреннюю структуру этого объекта (Y), где в результате совмещения этих снимков возникает картина дифракции, происходящая во внутренней среде объекта. Известно, что "непрозрачные" вещества поглощают основную часть излучения, а "прозрачные" преимущественно пропускают, преломляя его на границах с различной оптической плотности, в соответствии длинной волны направленного излучения. При этом, известно, что поглощение и излучение света связано с длинной волны на уровне скачкообразных переходов квантовой системы (атома, молекулы, твердого тела) из одного состояния в другое, но то как различные квантовые системы взаимодействуют в объеме одного композитного материала и то, как излучение одной квантовой системы поглощается и преобразуется в другой квантовой системе остается не изученным. Принято рассматривать черный цвет предметов, в видимом диапазоне как цвет, наиболее соответствующий поглощению, при этом обычно отмечается, что световой поток разной частотности энергетически деградирует до инфракрасного, теплового излучения (Z1). При этом, нельзя исключить наличие в анализируемом нами материале, молекул, преобразующих свет (эталонной частоты лазера) не только в тепло, но и в излучение в других частотах (Z1, Z2, Z3, …Zn).

Данный способ можно рассматривать как глубинную спектрографию, где используется строго направленное относительно мощное, поляризованное и синхронизированное по частоте излучение лазера, вызывающее относительно слабое собственное излучение вещества в других частотах (Z1, Z2, Z3, …Zn). Учитывая, что монохромный лазерный луч проходя сквозь материал рассеивается только в областях соответствующей ему электронно-оптической плотности, то, отсекая на выходе соответствующим светофильтром частоту облучающего лазера (чтоб не забивал резонансное) лазерного облучения, в плоскости расположения объекта перпендикулярной прохождению лазерного луча, мы учитываем резонансное, слабое излучение материала (Z1, Z2, Z3, …Zn, при длительной экспозиционной выдержке).

В отличие от лазерной спектрографии, где мощное излучение лазера используется для разрушения ковалентных связей с переводом вещества в газообразное и плазменное состояния с последующей спектрографией, наш способ носит щадящий, направленный характер, где учитывается только ответное излучение материала.

В отличие от других способов диагностики внутренней структуры материала, мы используем набор лазеров, где излучение каждого лазера монохроматично, поляризовано, интенсивно, и по-разному распространяется как в "прозрачных", для человеческого восприятия, так и "непрозрачных" средах в зависимости от частоты излучения лазера, что позволяет исключить субъективные представления о "прозрачности" в рассмотрении внутренней структуры материала. Использование в анализе внутренней молекулярно-химической структуры материала сразу нескольких лазеров с разной частотой излучения позволяет получать объемную картину этой структуры. Батарея лазеров с разной частотой излучения позволяет направленно оценивать те или иные молекулярно-химические особенности материала в определенном лазерном пространстве, лазерной матрице. То есть, облучая тело несколькими лазерами для каждого материала можно получить определенную картину этого вещества в объеме используемых лазеров.

Отличительной особенностью данного способа от лазерного дифракционного анализа заключается в том, что на ряду с особенностями дифракции лазерного луча на границах с разной оптической плотностью компонентов в объеме композитного материала, нами учитывается и спектральный характер облучаемого вещества внутри сложноорганизованного композитного материала. Направленным излучением лазера соответствующей частоты, определяется, то, в каком месте внутренней структуры композитного материала, какой именно компонент этого материала вызывает данное изменение частоты входящего луча и как это связано с изменением оптической плотности в этой области. В отличии от отдельно применяемых способов лазерной диагностики мы накладываем результаты лазерного спектрального анализа материалов (сред) на результаты лазерного дифракционного анализа и на уровне первичных структурных картин для каждой частоты излучения лазера, где характер оптической плотности (дифракционный анализ) становятся контуром в объеме матрикса композитного материала, а локальные частотные сдвиги резонансного излучения (спектральный анализ) раскрывают особенности собственного, резонансного излучения отдельных компонентов рассматриваемого материала.

В отличие от сканирования, как лазерного, так других форм пространственного сканирования объекта проводимого путем соотнесения положения анализатора и сканируемого объекта наш способ сканирования проходит еще и по вектору изменения частотности излучения в батарее лазеров в соответствии с уменьшением частотности излучения от 100 нм до 3000 нм. Где частота излучения каждого лазера привязана к электронной плотности ковалентных связей каждого компонента композитного материала и является маркерной, что является необходимым условием в получении общего профиля композитного материала. Частотная лазерная маркировка позволяет оценить характер изменения резонансного излучения каждого компонента материала уже в структуре композитного материала.

Другой отличительной особенностью нашего способа является принцип матричного обобщения получаемых картин по каждому лазеру на уровне всей линейки частотного излучения, что позволяет характеризовать рассматриваемый материал в целом по характеристикам собственного резонансного излучения в структурном объеме рассматриваемого композитного материала. При этом результаты лазерного сканирования по каждому лазеру могут находиться как в диапазоне видимого спектра, так и в ультрафиолетовых и инфракрасных областях, в связи с этим, обобщение результатов проводится с опорой на всю линейку частотного излучения от 100 нм до 3000 нм. Опора в математическом матричном анализе (компьютерное моделирование объемных форм) результатов на всю линейку частотного излучения позволяет сравнивать различные композитные материалы между собой и проводить параллель с их физико-химическими свойствами.

Изобретение относится к области исследования структуры материалов и касается способа спектрального лазерного сканирования композитных материалов в соответствии с оптической плотностью его матрикса и составных компонентов. Способ осуществляется в полной темноте и заключается в последовательном облучении композитного материала батареей лазеров с разной частотой излучения и отдельной фиксацией характера дифракции и спектрального резонанса для каждого лазера в соответствии с пространственной структурой рассматриваемого образца. Дифракция фиксируется для проходящего и отраженного излучения лазера. Далее накладывая фиксированные результаты дифракции и локальный спектральный резонанс, получают первичную картину структуры композитного материала для каждой частоты лазерного излучения. Полученные таким образом картины для каждого лазерного облучения обобщают с опорой на всю линейку частотного излучения от 100 нм до 3000 нм и осуществляют корреляцию характера спектрального резонанса в объеме каждого материала с физико-химическими свойствами данного класса композитных материалов. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения структуры композитного материала без его разрушения.

Способ спектрального лазерного сканирования композитных материалов в соответствии с оптической плотностью его матрикса и составных компонентов, который осуществляется в полной темноте и заключается в последовательном облучении композитного материала батареей лазеров с разной частотой излучения и отдельной фиксацией характера дифракции и спектрального резонанса для каждого лазера в соответствии с пространственной структурой рассматриваемого образца, дифракция фиксируется для проходящего и отраженного излучения лазера, далее накладывая фиксированные результаты дифракции и локальный спектральный резонанс, получают первичную картину структуры композитного материала для каждой частоты лазерного излучения, полученные таким образом картины для каждого лазерного облучения обобщают с опорой на всю линейку частотного излучения от 100 нм до 3000 нм и осуществляют корреляцию характера спектрального резонанса в объеме каждого материала с физико-химическими свойствами данного класса композитных материалов.