一種金屬對(duì)激光能量吸收規(guī)律的探測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種毫秒激光作用于絲狀金屬靶材過程 中金屬靶材對(duì)激光能量吸收規(guī)律的探測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光熱處理的本質(zhì)是利用材料吸收的激光能量來改變材料物理化學(xué)結(jié)構(gòu)從而實(shí) 現(xiàn)一定的熱處理目的。材料對(duì)激光的吸收問題一直以來都是激光熱處理最為關(guān)心的主題之 一，它對(duì)工件的熱處理質(zhì)量有著直接影響。了解和掌握激光與材料作用過程中材料對(duì)激光 能量的吸收變化規(guī)律，對(duì)于研究和應(yīng)用激光熱處理技術(shù)具有重要意義。而當(dāng)前激光熱處理 的材料主要為金屬，因此對(duì)金屬材料激光吸收率的研究就顯得相對(duì)迫切。對(duì)金屬材料激光 吸收率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量目前主要有三類：第一類是以積分球法為代表的光強(qiáng)測(cè)定法，通過測(cè)量 材料反射光強(qiáng)來間接獲得吸收率；第二類為橢率測(cè)定法，其基本原理是通過測(cè)定線偏振光 經(jīng)過材料反射前后的偏振狀態(tài)變化（振幅和相位變化），獲得金屬材料的復(fù)折射率，再根據(jù) 菲涅爾反射定律求得材料反射率，間接獲得吸收率；第三類是量熱法，通過熱電偶等測(cè)溫手 段獲得材料某點(diǎn)溫度曲線，在基于集總參數(shù)法條件的基礎(chǔ)上，求出材料的熱能變化，從而獲 得材料吸收率。光強(qiáng)測(cè)定法和橢率測(cè)定法為非接觸式光電探測(cè)方法，雖能有效測(cè)定金屬材 料對(duì)激光能量的動(dòng)態(tài)吸收，但是所需設(shè)備復(fù)雜，成本高昂，實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境要求相對(duì)較高。 其中橢率測(cè)定法對(duì)材料要求較高，一般適用于薄膜材料的光學(xué)性質(zhì)測(cè)定，且后續(xù)的數(shù)據(jù)處 理十分復(fù)雜。量熱法屬于接觸式熱電探測(cè)方法，測(cè)量時(shí)需要將熱電偶焊接在待測(cè)材料表面 或內(nèi)部。這種方法的弊端是由于熱電偶絲的熱傳導(dǎo)作用，測(cè)定的溫度會(huì)較大地偏離真實(shí)值， 需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，另外，受限于熱電偶較長(zhǎng)的熱響應(yīng)時(shí)間，對(duì)材料的 動(dòng)態(tài)吸收測(cè)量效果不佳。
[0003] 光學(xué)衍射法是一種常見的非接觸式測(cè)量方法，利用它可以測(cè)量許多物理參數(shù)，其 中最常見的就是測(cè)量衍射單縫寬度。由于衍射法是一種光學(xué)測(cè)量方法，其響應(yīng)之快十分適 合動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量，如衍射法測(cè)量材料在動(dòng)態(tài)熱、力負(fù)載下的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量。結(jié)合 光學(xué)衍射方法的靈敏、非接觸、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)勢(shì)以及集總參數(shù)法簡(jiǎn)單有效、經(jīng)濟(jì)、易操作 的優(yōu)點(diǎn)，利用高速CCD記錄毫秒激光作用時(shí)間內(nèi)金屬細(xì)絲局部熱膨脹引起的衍射條紋的變 化，在假設(shè)熱膨脹系數(shù)不變的條件下反演出作用區(qū)域溫度變化曲線，從而計(jì)算出該區(qū)域的 內(nèi)能變化并以此求得金屬細(xì)絲的激光吸收率。這種方法結(jié)合了光、熱、電三種探測(cè)手段，各 取所長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式的基于光學(xué)衍射圖像對(duì)金屬材料光學(xué)吸收 率隨溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)的裝置及方法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種金屬對(duì)激光能量吸收規(guī)律的探測(cè)系統(tǒng)包 括：用于產(chǎn)生作為作用光束的毫秒單脈沖激光的毫秒激光器，用于產(chǎn)生探測(cè)光束的探測(cè)光 激光器、用于細(xì)化探測(cè)光束的準(zhǔn)直透鏡組、用于調(diào)節(jié)金屬試樣在真空箱內(nèi)高度的可調(diào)式試 樣平臺(tái)、用于放置試樣平臺(tái)并具有觀察窗的真空箱、真空栗、用于調(diào)整探測(cè)光束方向的三維 平移臺(tái)、用于調(diào)節(jié)真空箱在光路中位置的二維步進(jìn)電機(jī)平臺(tái)、用于記錄衍射條紋并自帶延 時(shí)和外觸發(fā)調(diào)節(jié)功能的高速CCD、安裝在高速CCD鏡頭的干涉濾波片、用于對(duì)采集到的衍射 條紋圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的計(jì)算單元；其中，
[0006] 探測(cè)光束激光器、準(zhǔn)直透鏡組、放置在試樣平臺(tái)上的金屬試樣、干涉濾波片、高速 CCD在探測(cè)光束發(fā)射方向上依次同軸設(shè)置；試樣平臺(tái)固定在真空箱內(nèi)，金屬試樣垂直固定 在試樣平臺(tái)上；探測(cè)光束激光器置于三維平移臺(tái)上，真空箱固定于二維步進(jìn)電機(jī)平臺(tái)上，二 維步進(jìn)電機(jī)平臺(tái)的步進(jìn)可調(diào)方向?yàn)樘綔y(cè)光束方向和上下豎直方向，毫秒激光器透過真空箱 的觀察窗向金屬試樣透射作用光束。
[0007] 進(jìn)一步，所述探測(cè)系統(tǒng)利用經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡組整形的連續(xù)激光探測(cè)光束照射在金屬 試樣上，形成衍射圖像；以毫秒激光器發(fā)射的毫秒單脈沖激光作為熱源作用在絲狀金屬試 樣上與探測(cè)光束照射區(qū)域同一的位置上；利用高速CCD采集毫秒單脈沖激光作用過程中的 衍射圖像序列，并對(duì)獲得的衍射圖像序列進(jìn)行一定的圖像處理獲得對(duì)應(yīng)的一組衍射條紋間 距；根據(jù)巴比涅原理及單縫衍射公式，將衍射條紋間距的變化轉(zhuǎn)換成金屬試樣的徑向直徑 的變化規(guī)律，在滿足集總參數(shù)法條件下，根據(jù)金屬試樣圓柱體徑向熱膨脹公式求得試樣直 徑變化對(duì)應(yīng)的試樣溫升變化規(guī)律，進(jìn)一步求得毫秒單脈沖激光作用區(qū)域金屬試樣的內(nèi)能變 化規(guī)律；根據(jù)毫秒單脈沖激光作用時(shí)間內(nèi)金屬試樣的內(nèi)能變化求出相應(yīng)的激光能量吸收率 變化規(guī)律。
[0008] 本發(fā)明還提出一種使用所述探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)金屬對(duì)激光能量吸收規(guī)律方法：
[0009] 步驟1、將待測(cè)金屬試樣垂直插入試樣平臺(tái)的小孔中，調(diào)整試樣平臺(tái)的高度使絲狀 金屬試樣位于毫秒單脈沖激光的作用光束和探測(cè)光束激光器的探測(cè)光束的光路上；
[0010] 步驟2、打開毫秒激光器，通過二維步進(jìn)電機(jī)平臺(tái)調(diào)整真空箱的位置直至金屬試樣 出現(xiàn)在作用光束光路上；
[0011] 步驟3、將探測(cè)光激光器與準(zhǔn)直透鏡組置于三維平移臺(tái)上，根據(jù)絲狀金屬試樣直徑 范圍，調(diào)節(jié)并產(chǎn)生探測(cè)光束，以便獲得理想的衍射條紋圖像；
[0012] 步驟4、調(diào)整三維平移臺(tái)使探測(cè)光束與作用光束正交且水平同高，這樣兩路光束相 交于絲狀金屬試樣的同一區(qū)域；
[0013] 步驟5、為防止毫秒激光散射光對(duì)高速CCD造成損壞以及可見光對(duì)探測(cè)光的干擾， 在高速CCD可拆卸鏡頭中加裝窄帶帶通干涉濾波片，且干涉濾波片中心波長(zhǎng)為探測(cè)光束波 長(zhǎng)，通過計(jì)算單元取景窗口界面，調(diào)整高速CXD直至獲得探測(cè)光束經(jīng)過被測(cè)絲狀金屬試樣 后的清晰衍射圖樣，確保高速CCD與探測(cè)光束同軸；
[0014] 步驟6、高速CCD采用外觸發(fā)方式，以毫秒激光電源信號(hào)作為觸發(fā)輸入信號(hào)，并根 據(jù)毫秒激光器充電與出光的延遲情況，設(shè)置高速CCD相應(yīng)的延時(shí)記錄時(shí)間；
[0015] 步驟7、根據(jù)衍射條紋的空間幾何特性以及已知的毫秒激光脈寬參數(shù)，設(shè)置高速 CCD[9]記錄參數(shù)，如視場(chǎng)、幀率、采樣時(shí)間等，以便采集到最優(yōu)化的衍射圖像；
[0016] 步驟8、由于高速C⑶鏡頭的存在，絲狀金屬試樣到C⑶鏡頭的等效距離需要進(jìn)行 標(biāo)定，在沒有毫秒激光作用的情況下，記錄一組標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑d已知）的衍射圖樣序列， 對(duì)衍射圖樣進(jìn)行圖像處理，得到一組間距&不變的條紋序列，根據(jù)單縫衍射公式，求得試樣 到高速CCD鏡頭的等效距離1為：
[0018] 式中，&為k級(jí)條紋間距，X為1級(jí)條紋間距，d為絲狀金屬試樣直徑，λ探測(cè)光 束波長(zhǎng)；
[0019] 步驟9、為了獲得作用光束作用區(qū)域內(nèi)絲狀金屬試樣直徑的時(shí)間演化情況，在有作 用光束作用下，高速CCD以設(shè)置好的采樣速度記錄一組衍射圖樣序列，對(duì)記錄下的衍射條 紋圖樣序列進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，獲得條紋間距隨時(shí)間演化的序列（xk(t)，t)，然后根據(jù)單 縫衍射公式求得一組試樣直徑的時(shí)間演化序列（d(t)，t)為：
[0021] 其中，d(t)為隨時(shí)間演變的試樣直徑，xk(t)為t時(shí)刻k級(jí)衍射條紋間距，x(t)為 t時(shí)刻一級(jí)衍射條紋間距。
[0022] 步驟10、為了將獲得的試樣作用區(qū)域的直徑變化轉(zhuǎn)換成溫度變化，采用以下假設(shè) 進(jìn)行求解：考慮到所用絲狀金屬試樣為直徑為亞毫米量級(jí)紫銅細(xì)絲，其內(nèi)熱阻遠(yuǎn)小于表面 熱阻，故認(rèn)為作用光束作用區(qū)域滿足集總參數(shù)法條件，溫度能立刻達(dá)到均勻，假設(shè)絲狀金屬 試樣的熱膨脹系數(shù)在熔點(diǎn)溫度前保持不變，于是利用圓柱體徑向熱膨脹公式可求得絲狀金 屬試樣直徑與溫度變化的關(guān)系：
[0024] 其中，β為絲狀金屬試樣線膨脹系數(shù)，d(0)為試樣初始直徑，ΔΤ為激光作用區(qū)域 試樣溫升
[0025] 將d (t)帶入步驟9中的直徑演化公式，得到溫度變化Δ T的公式為：
[0027] 其中，X(O)為無激光作用時(shí)的一級(jí)衍射條紋間距，x(t)為激光作用開始后t時(shí)刻 一級(jí)衍射條紋間距。
[0028] 步驟11、為了獲得作用光束作用區(qū)域絲狀金屬試樣的吸收規(guī)律，在忽略熱損和熱 傳導(dǎo)的情況下，認(rèn)為整個(gè)激光脈沖期間僅作用區(qū)域內(nèi)能發(fā)生變化，根據(jù)步驟10