1. Wprowadzenie

Trochę historii

Lasery, ze względu na niezwykłe właściwości emitowanego przez nie promieniowania
elektromagnetycznego [1-2], coraz częściej stosuje się w do bezkontaktowych i nieniszczących
badań różnych własności materii. Przykładem mogą tu być różne metody mikroskopii laserowej [3],
czy też Laserowa Metoda Impulsowa. Metoda ta (w skrócie określana jako

LFM

- z ang. Laser

Flash Method, nazywana też techniką impulsową - Laser Pulse Technique ) jest prostą, dynamiczną
(impulsową) metodą wyznaczania trzech parametrów termofizycznych materiałów: współczynnika
dyfuzyjności cieplnej (czyli współczynnika wyrównywania temperatury), współczynnika
przewodnictwa cieplnego oraz ciepła właściwego. Technika ta została opracowana na przełamie lat
50-tych i 60-tych przez Parkera i współpracowników [

4-5

] (jeszcze przed zbudowaniem pierwszego

lasera impulsowego - jako źródło światła zastosowano wówczas lampę błyskową), była jednym z
pierwszych zastosowań promieniowania laserowego w metrologii [

6

]. Od tej pory następował

burzliwy rozwój tej metody [7], zarówno pod względem teorii, metod analizy i korekcji błędów, jak i
możliwych zastosowań [8].

Podstawy teoretyczne

metody zostały opracowane przez Watta [9] i

zweryfikowane później przez Taylora [10].

Biorąc pod uwagę sposób transportu ciepła rozróżniamy klasyczną "osiową" metodę impulsową
ALFM (z jednowymiarowym przepływem ciepła wzdłuż głębokości materiału), "radialną" metodę
impulsową RLFM (z dwuwymiarowym transportem ciepła) oraz metodę odwróconej fali cieplnej
(gdzie rejestracja zmian pola temperatury odbywa sie na powierzchni naświetlanej impulsem lasera).
W dalszych rozważaniach zajmiemy się metodą ALFM, która jest stosowana w naszym
laboratorium.

Ponieważ teoria zakłada idealne warunki pomiaru, dość trudne do spełnienia w warunkach
laboratoryjnych, pomiary przeprowadzone bezpośrednio w oparciu o tę teorię obarczone są zwykle

błędami

, w związku z czym szereg prac poświęcono opracowaniu metod korekcji tych błędów.

Metody korekcji błędów wywołanych przez radiacyjne straty ciepła zostały opracowane przez
Cowana [11], Heckmana [

12

], Clarka i Taylora [13] Cape’a i Lehmana [

14

] oraz Jamesa [15].

Badania nad tym problemem trwają w dalszym ciągu (np. [16]). Natomiast wystąpienie efektu
skończonego czasu trwania impulsu analizowali Cape i Lehman [14] oraz Clark i Taylor [17].
Beedham i Dalrymple [18], MacKay i Schriempf [19] i Taylor [20] badali również wpływ
niejednorodnego powierzchniowego źródła ciepła na kształt historii temperatury oraz dokładność
wyznaczenia współczynnika wyrównywania temperatury i stwierdzili, że dla poprawności
osiągniętych wyników istotna jest jedynie jednorodność źródła ciepła w jego centralnej części.

Pierwsze analizy teoretyczne zjawiska transportu laserowo generowanego impulsu ciepła w
materiale niejednorodnym przeprowadził Kerrisk [21-22], określając kryterium homogeniczności dla
materiałów badanych przy pomocy LFM.

W

Zespole Elektroniki Kwantowej i Optyki Nieliniowej

Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej od lat

prowadzone są badania właściwości termofizycznych materiałów przy pomocy LFM, a w roku 1985
po raz pierwszy przeprowadzono badania współczynnika wyrównywania temperatury materiałów
porowatych (czerwonej cegły i gipsu) [23] w czasie których stwierdzono, że uzyskane wyniki są
powtarzalne, a wartości współczynnika wyrównywania temperatury są zgodne z danymi tych
materiałów zawartymi w Polskiej Normie. Badania te, postawiły problem zgodności
przeprowadzonego pomiaru z założeniami Laserowej Metody Impulsowej (przedstawionymi w
rozdziale 2) opracowanymi dla ciał jednorodnych (a właściwie dla metali), a w związku z tym
konieczność zbadania zjawiska transportu energii i masy w ciele porowatym poddanym naświetlaniu
impulsami promieniowania laserowego.

Strona 1 z 2

Laserowa Metoda Impulsowa 1

2008-10-09

http://lodd.p.lodz.pl/ekon/lfm1.htm

W ostatnich latach zastosowano również tę metodę do badania materiałów fazowozmiennych [24-
26] i do wykrywania przemian fazowych.[26] oraz pomiaru efektywnego współczynnika
pochłaniania promieniowania laserowego.

Zakres stosowalności

Przykłady zastosowań Laserowej Metody Impulsowej można znaleźć w pracy [27] i cytowanej tam
literaturze. Zakres wartości współczynnika wyrównywania temperatury a i klasy materiałów
badanych za jej pomocą można zobaczyć na poniższym rysunku.

Dalej

Rys. 1.1.Zakres

stosowalności

Laserowej

Metody

Impulsowej

Strona 2 z 2

Laserowa Metoda Impulsowa 1

2008-10-09

http://lodd.p.lodz.pl/ekon/lfm1.htm