Search

Precise control over light-matter interactions is critical for many optical manipulation and material characterization methodologies, further playing a paramount role in a host of nanotechnology applications. Nonetheless, the fundamental aspects of interactions between electromagnetic fields and matter have yet to be established unequivocally in terms of an electromagnetic momentum density. Here, we use tightly focused pulsed laser beams to detect bulk and boundary optical forces in a dielectric fluid. From the optical convoluted signal, we decouple thermal and nonlinear optical effects from the radiation forces using a theoretical interpretation based on the Microscopic Ampère force density. It is shown, for the first time, that the time-dependent pressure distribution within the fluid chiefly originates from the electrostriction effects. Our results shed light on the contribution of optical forces to the surface displacements observed at the dielectric air-water interfaces, thus shedding light on the long-standing controversy surrounding the basic definition of electromagnetic momentum density in matter., Light: Science & Applications, 11 (1), ISSN:2047-7538

U ovom diplomskom radu biti će obrađene ne destruktivne metode ispitivanja nosivih konstrukcija. Napravljena će biti usporedba između destruktivnih i ne destruktivnih metoda, te opisan proces tehničke dijagnoze na konstrukciji. Pojasniti će se trajnost betonske konstrukcije koja se mora ostvariti odgovarajućim planiranjem, projektiranjem i dimenzioniranjem, ali i također i odabirom građevnih proizvoda i izvođenjem radova. Tema rada je ne destruktivna Impact-echo metoda. Ista je teoretski obrađena, te su objašnjene teoretske postavke na temelju kojih funkcionira uređaj i način ispitivanja. Proračunima će biti dokazana ispravnost metode i svih njezinih segmenata. U praktičnom dijelu zadatka uređajem će se ispitati oštećeni most, te će se dijagnosticirati oštećenja, lokacija kao i težina oštećenja. In this master work, will be discussed non - destructive methods of testing load - bearing structures. A comparison between destructive and non-destructive methods will be made, and the process of technical diagnosis on the structure will be described. The durability of the concrete structure will be clarified, which must be achieved by appropriate planning, design and dimensioning, but also by the selection of construction products and execution of works. The topic of the this master work is the non-destructive Impact-echo method. It is theoretically processed, and the theoretical settings on the basis of which the device operates and the test method are explained. The calculations will prove the correctness of the method and all its segments.

Electromagnetic momentum carried by light is observable through the mechanical effects radiation pressure exerts on illuminated objects. Momentum conversion from electromagnetic fields to elastic waves within a solid object proceeds through a string of electrodynamic and elastodynamic phenomena, collectively bound by momentum and energy continuity. The details of this conversion predicted by theory have yet to be validated by experiments, as it is difficult to distinguish displacements driven by momentum from those driven by heating due to light absorption. Here, we have measured temporal variations of the surface displacements induced by laser pulses reflected from a solid dielectric mirror. Ab initio modelling of momentum flow describes the transfer of momentum from the electromagnetic field to the dielectric mirror, with subsequent creation/propagation of multicomponent elastic waves. Complete consistency between predictions and absolute measurements of surface displacements offers compelling evidence of elastic transients driven predominantly by the momentum of light., The exact mechanism of momentum conversion from light to an object has varied descriptions in the literature and experimental verifications are difficult. Here the authors do an in-depth experimental and numerical study of the momentum dynamics of elastic waves in a dielectric mirror hit by a pulsed laser beam.

Dok je u svijetu, pogotovo u SAD-u primjena metode impact-echo (IE) raširena u praksi, kod nas ova metoda nije toliko zastupljena. Stoga je svrha ovog rada prikazati primjenu metode impact- echo na praktičnom primjeru, te objasniti princip ispitivanja uz pripadajuću teorijsku podlogu. Kako trajnost konstrukcija predstavlja sve veći problem u današnjoj praksi, potrebno je primijeniti nerazorna ispitivanja za detekciju i karakterizaciju oštećenja. Impact-echo je nerazorna metoda ispitivanja koja se temelji na refleksiji elastičnih valova u konstrukciji u svrhu utvrđivanja njihovog stanja. Valovi se generiraju u materijal pomoću udaraljke, najčešće kuglice, malog promjera, te se mjeri dinamički odziv. Impact-echo metoda je korištena za određivanje različitih unutarnjih defekata ploča, zidova, stupova, greda, ploče mostova, tunelskih elemenata i drugih elemenata. Mogu se dobiti informacije o defektima u konstruktivnim elementima kao što su: pukotine, delaminacije, šupljine, segregacije. Može se odrediti debljina ploče ako druga strana ploče nije dostupna, bez da dođe do oštećenja iste. Cilj ovoga rada je odrediti točnost metode na AB ploči dimenzija 200 cm × 180 cm × 25 cm s ugrađenim defektima i prikaz rezultata. Teorijski će biti objašnjeno širenje i refleksija elastičnih valova u konstrukciji, kao i odabir ulaznih parametara koji čine odabir odgovarajuće veličine kuglice, postavke uređaja za ispitivanje i pristupu ispitivanju. Usporedit će se primjena različih kontaktnih vremena i rezolucija.

Optodynamic interaction between a laser pulse and the surface of an opaque, solid elastic object produces transient waves that propagate and reverberate within the object. They can be, in general, categorized into three distinctive types which are all formed through different mechanisms: ablation-induced waves, light-pressure-induced waves, and thermoelastic waves. In this paper, out-of-plane displacements of such waves are simulated at the epicentral position on the opposite side of an extended plane-parallel elastic plate. Wave propagation is mathematically described by Greenʼs transfer functions convolved with suitable time profiles of the incoming laser pulses. The simulated size of the circularly symmetric laser-illuminated area on the plate surface is varied to show the limit-to-limit transition of the displacement waveforms: from a 2D point source to an infinite 1D source. Optodinamska interakcija med laserskim bliskom in površino neprozornega trdnega elastičnega predmeta povzroči prehodne valove, ki se širijo in zvenijo znotraj predmeta. V splošnem se jih lahko razdeli na tri značilne vrste, ki se razlikujejo glede na mehanizem nastanka: ablacijsko inducirane valove, valove povzročene s svetlobnim tlakom in termoelastične valove. V tem članku so simulirani izvenravninski pomiki takih valov v epicentralnem položaju na nasprotni površini široke planparalelne elastične plošče. Širjenje valovanja se matematično opiše s konvolucijo Greenove prenosne funkcije z ustreznim časovnim potekom vpadlega laserskega bliska. Pri tem se simulirana velikost vpadnega območja krožno simetričnega laserskega bliska na površini plošče spreminja, s čimer je prikazan prehod valovnih oblik iz ene limite drugo: iz 2D točkastega vira v neskončen 1D vir.

We investigate the thermoelastic waves launched by a localized heat deposition. Pulsed laser excitation is used to generate mechanical perturbations in metals that are detected using the photothermal mirror method. This method detects the wavefront distortion of the probe beam reflected from the perturbed sample surface. Nanometer scale expansion of the material is induced just under the irradiated surface releasing transient thermoelastic waves of much smaller amplitudes on the surface. Numerical predictions and the experimental results are in a good agreement and represent both the thermal diffusion of the large amplitude, long-lasting outward bulge, and the released elastic waves.

U svrhu procjene stanja armiranobetonskih konstrukcija neophodno je primjenjivati pouzdane i efikasne nerazorne metode ispitivanja kojima je moguće pronaći i karakterizirati različite vrste oštećenja, poput raslojavanja, pukotina i šupljina. Impact-echo (IE) je akustična nerazorna metoda koja se temelji na refleksijama tranzijentnih elastičnih valova na oštećenim područjima elemenata konstrukcije u svrhu određivanja njihovog stanja. Elastični valovi frekvencija do oko 90 kHz se u materijal uvode mehaničkim putem, elastičnim udarcem male energije, korištenjem male čelične kuglice te se mjeri dinamički odaziv. Poznato je da IE metoda ima određena ograničenja s obzirom na veličinu i dubinu oštećenja koja je moguće otkriti, međutim ne postoje dobro ustanovljeni kriteriji koji kvantificiraju mogućnosti detekcije. Stoga su ciljevi ovoga rada točnije određivanje granice detekcije oštećenja u armiranobetonskim (AB) konstrukcijama IE metodom i uspostava statističkog modela za predviđanje vjerojatnosti detekcije oštećenja s obzirom na njihov tip, veličinu i dubinu. Granice detekcije ovise prvenstveno o frekvencijskom opsegu elastičnih valova uvedenih u ispitivani materijal te o jačini i trajanju udaraca koji nisu definirani. Zbog toga je konstruiran uređaj kojim se automatski generiraju udarci ponovljivog kontaktnog vremena i kontaktne sile. Dokazano je da se uređajem za automatsku primjenu udarca dobivaju kraća kontaktna vremena, znatno bolje ponovljivosti, u odnosu na mjerenja provedena ručnim udaranjem. Ovo je rezultiralo proširenjem granica detekcije s obzirom na dubinu oštećenja s Dmin = 4, 4 cm (ručna pobuda) na Dmin = 3, 2 cm (automatska pobuda). Za provođenje eksperimentalnih istraživanja, a na osnovi postojećih saznanja o granicama detekcije, projektiran je i izrađen armiranobetonski eksperimentalni poligon koji se sastoji od dviju eksperimentalnih ploča. Ploča br. 1 sadržava ugrađene šupljine različitih promjera smještene na različitim dubinama, a ploča br. 2. simulirana „realna oštećenja“ slična onima kakva se javljaju u armiranobetonskim konstrukcijama. (raslojavanja, mjesta segregiranoga betona i mjesta loše ugrađenog betona). Na poligonu su provedena opsežna eksperimentalna istraživanja korištenjem standardnog IE uređaja, poboljšanog uređajem za automatsku primjenu udarca vlastite konstrukcije. Pored toga korišten je i Laserski Dopplerov vibrometar (LDV) kao alternativni bezkontaktni detektor elastičnih valova. Mjerenja odziva na šupljinama eksperimentalne ploče br. 1 analizirana su upotrebom standardne FFT metode i alternativnih metoda spektralne analize: metode spektrograma, Welchove metode i Yule-Walkerove metode. Rezultati su analizirani s obzirom na frekvencije i na intenzitete odziva (parametrarska studija). Navedene analize provedene su za dva načela detekcije - detekciju na osnovi refleksija oštećenja te za detekciju na osnovi savojnih vibracija sloja betona iznad šupljina. Korištenjem rezultata mjerenja izrađen je model detekcije (POD model) koji se zasniva na određivanju intenziteta šuma i intenziteta odziva na pojedinim šupljinama. Na osnovi POD modela precizno su određene granice detekcije s obzirom na promjer i dubinu oštećenja. Rezultati POD modela dali su šire granice detekcije ukoliko se mjereni signal prevodi u frekvencijsko područje Yule-Walkerovom metodom u odnosu na standardnu FFT metodu. Yule-Walkerova metoda dala je prosječnu granicu detekcije oštećenja po dubini Dmin = 4, 8 cm, i prosječnu granicu detekcije po promjeru dmin = 8 cm. Utvrđeno je i da granica detekcije ima kompleksniju ovisnost o dubini i promjeru oštećenja no što se do sada smatralo. Na rezultate mjerenja na eksperimentalnoj ploči br. 2 koja sadrži simulirana “realna” oštećenja primijenjen je dobiveni POD model. Rezultatima mjerenja „realnih oštećenja“ pokazano je da je za uspješnu interperetaciju rezultata mjerenja bitno poznavati prag detekcije. Postavljanjem praga detekcije na utvrđenu razinu omogućen je prikaz oštećenja uz 95 %-tnu vjerojatnost. Na taj su način uspješno prezentirana sva realna oštećenja u eksperimentalnom poligonu (raslojavanja, šupljine nejednolike dubine i mjesta segregiranog betona). Pokazano je da se kao komplementarni alat analize može koristiti i mjerenje prigušenja signala. Primjenom POD modela na rezultate mjerenja LDV-om, dobivene su uže granice detekcije nego kod korištenja akcelerometra. Utvrđeno je da se LDV-om ne može mjeriti debljina eksperimentalne ploče jer su odzivi ispod nivoa šuma. Područje detekcije LDV-om s obzirom na dubinu oštećenja je od Dmin = 7, 5 cm do Dmax = 15 cm, a s obzirom na promjer oštećenja od dmin = 9, 5 cm. Naposljetku, prikazani su rezultati istraživanja mogućnosti detekcije LDV-a kao alternativnog bezkontaktnog detektora elastičnih valova. Rezultati mjerenja LDV-om su analizirani primjenom iste metodologije kao kod standardne IE metode te je izrađen POD model i za mjerenja LDV-om. Utvrđeno je da kod LDV-a šum najvećim dijelom potječe od karakteristika uređaja. Unatoč dobivenim lošijim rezultatima u odnosu na mjerenja akcelerometrom, predlaže se korištenje LDV-a za detekciju raslojavanja na načelu savojnih vibracija, te šupljina na srednjoj dubini na načelu refleksija.

Svojstva mladog i svojstva očvrsnulog betona značajno se razlikuju. U praksi vrlo često postoji potreba da se beton opterećuje u starostima puno manjim od 28 dana. Razvojem novih načina ispitivanja mogu se unaprijediti postojeće metode praćenja razvoja svojstava betona u što ranijoj fazi hidratacije i na taj način povećati sigurnost i brzinu gradnje. Prilikom širenja ultrazvuka kroz beton mijenjaju se brzina i oblik zapisa ultrazvučnih valova. Brzina ultrazvuka povezana je s krutosti i gustoćom materijala, a promjene oblika ultrazvučnog vala nastaju zbog promjena u strukturi poput poroznosti ili pojave pukotina. U radu je provedeno istraživanje korelacije između svojstava ultrazvučnih valova koji prolaze kroz cementni kompozit i procesa vezanja i očvršćivanja koji se događaju kao posljedica hidratacije u materijalima koji sadrže cement kao vezivo, a s ciljem da se na taj način omogući procjena svojstava materijala prateći promjene ultrazvučnih valova. Prikazan je razvoj ultrazvučnog sustava na Građevinskom fakultetu u Zagrebu, u laboratoriju Zavoda za materijale, kojim se može provoditi kontinuirano mjerenje svojstava ultrazvučnih valova tijekom hidratacije. Izneseni su osnovni principi ispitivanja akusto-ultrazvučnom metodom i uveden je pojam faktora mehaničkog vala (stress wave factor – SW faktor). Provedeni su eksperimenti u kojima su ispitivana svojstva početka i kraja vezanja, tlačne čvrstoće i tijeka oslobađanja topline hidratacije uz istovremeno provođenje ispitivanja ultrazvukom. Istraživanje je provedeno ispitivanjem svojstava cementne paste i betona izrađenih s dvije vrste cementa i različitim v/c omjerima. Identificirani su parametri ultrazvučnog vala: brzina ultrazvučnog vala, SW faktori „vrijeme porasta signala“ i „amplituda signala“, a koji se mogu koristiti za tumačenje pojedinih faza skrućivanja i očvršćivanja. Korištenjem akusto-ultrazvučne metode ispitivanja u radu su predložene metode za praćenje procesa vezanja cementne paste i betona te je predložen postupak za predviđanje 28-dnevne tlačne čvrstoće betona.

Trajnost armiranobetonskih konstrukcija čini ozbiljan problem u cijelom svijetu, pa procjena stanja konstrukcija u svrhu određivanja preostalog uporabnog vijeka i planiranja metoda popravka postaje sve značajnija. U razvijenim zemljama troškovi popravaka nadilaze troškove izgradnje novih konstrukcija. Za procjenu stanja armiranobetonskih konstrukcija neophodno je primjenjivati pouzdane i efikasne nerazorne metode ispitivanja kojima je moguće detektirati, lokalizirati i karakterizirati različite tipove oštećenja. Metoda udarca i odjeka je akustička metoda koja koristi refleksiju tranzijentnih elastičnih valova na oštećenjima u materijalu ili na rubnim plohama. Premda je u primjeni kraće vrijeme od većine drugih nerazornih metoda, metoda udarca i odjeka se preporučuje kao efikasna metoda za određivanje oštećenja betonskih i armiranobetonskih konstrukcija. Zahvaljujući korištenju elastičnih valova niske frekvencije (do 80 kHz) metoda udarca i odjeka je dovoljno osjetljiva za detekciju tipičnih oštećenja koja se javljaju u praksi i bitna su za integritet konstrukcije. Osim toga elastični valovi niske frekvencije imaju malo prigušenje u betonu, što omogućava detekciju na relativno velikoj dubini. Rad daje pregled dosadašnjih saznanja o mogucnostima detekcije različitih tipova oštećenja u betonskim konstrukcijama metodom udarca i odjeka i o granicama detekcije. Za dobivanje relevantnih rezultata metodom udarca i odjeka metode veliki znacaj imaju i metode analize rezultata ispitivanja, kojima se može postići uklanjanje šuma, uklanjanje efekata rubnih ploha konstrukcijskog elementa i poboljšati detekcija nestacionarnih signala. U radu su također prikazani rezultati mjerenja na stvarnim konstrukcijama, njihova analiza i interpretacija.