[发明专利]一种金属对激光能量吸收规律的探测系统及方法

权利要求书

1.一种金属对激光能量吸收规律的探测系统，其特征在于包括：用于产生作为作用光束的毫秒单脉冲激光的毫秒激光器，用于产生探测光束的探测光束激光器(1)、用于细化探测光束的准直透镜组(2)、用于调节金属试样在真空箱内高度的可调式试样平台(3)、用于放置试样平台(3)并具有观察窗的真空箱(4)、真空泵(5)、用于调整探测光束方向的三维平移台(6)、用于调节真空箱在光路中位置的二维步进电机平台(7)、用于记录衍射条纹并自带延时和外触发调节功能的高速CCD(9)、安装在高速CCD(9)镜头的干涉滤波片(8)、用于对采集到的衍射条纹图像进行存储和处理的计算单元(10)；其中，

探测光束激光器(1)、准直透镜组(2)、放置在试样平台(3)上的金属试样、干涉滤波片(8)、高速CCD(9)在探测光束发射方向上依次同轴设置；试样平台(3)固定在真空箱(4)内，金属试样垂直固定在试样平台(3)上；探测光束激光器(1)置于三维平移台(6)上，真空箱固定于二维步进电机平台(7)上，二维步进电机平台(7)的步进可调方向为探测光束方向和上下竖直方向，毫秒激光器透过真空箱(4)的观察窗向金属试样透射作用光束。

2.如权利要求1所述金属对激光能量吸收规律的探测系统，其特征在于，利用经过准直透镜组(2)整形的连续激光探测光束照射在金属试样上，形成衍射图像；以毫秒激光器发射的毫秒单脉冲激光作为热源作用在丝状金属试样上与探测光束照射区域同一的位置上；利用高速CCD(9)采集毫秒单脉冲激光作用过程中的衍射图像序列，并对获得的衍射图像序列进行一定的图像处理获得对应的一组衍射条纹间距；根据巴比涅原理及单缝衍射公式，将衍射条纹间距的变化转换成金属试样的径向直径的变化规律，在满足集总参数法条件下，根据金属试样圆柱体径向热膨胀公式求得试样直径变化对应的试样温升变化规律，进一步求得毫秒单脉冲激光作用区域金属试样的内能变化规律；根据毫秒单脉冲激光作用时间内金属试样的内能变化求出相应的激光能量吸收率变化规律。

3.一种使用如权利要求1所述探测系统探测金属对激光能量吸收规律方法，其特征在于，

步骤1、将待测金属试样垂直插入试样平台(3)的小孔中，调整试样平台(3)的高度使丝状金属试样位于毫秒单脉冲激光的作用光束和探测光束激光器(1)的探测光束的光路上；

步骤2、打开毫秒激光器，通过二维步进电机平台(7)调整真空箱(4)的位置直至金属试样出现在作用光束光路上；

步骤3、将探测光束激光器(1)与准直透镜组(2)置于三维平移台(6)上，根据丝状金属试样直径范围，调节并产生探测光束，以便获得理想的衍射条纹图像；

步骤4、调整三维平移台(6)使探测光束与作用光束正交且水平同高；

步骤5、通过计算单元(10)取景窗口界面，调整高速CCD(9)直至获得探测光束经过被测金属试样后的清晰衍射图样；

步骤6、高速CCD(9)采用外触发方式，以毫秒激光电源信号作为触发输入信号，并根据毫秒激光器充电与出光的延迟情况，设置高速CCD(9)相应的延时记录时间；

步骤7、根据衍射条纹的空间几何特性以及已知的毫秒激光脉宽参数，设置高速CCD[9]记录参数，以便采集到最优化的衍射图像；

步骤8、在没有毫秒激光作用的情况下，记录一组标准试样的衍射图样序列，对衍射图样进行图像处理，得到一组间距x_k不变的条纹序列，根据单缝衍射公式，求得试样到高速CCD[9]镜头的等效距离l；

步骤9、在有作用光束作用下，高速CCD[9]以设置好的采样速度记录一组衍射图样序列，对记录下的衍射条纹图样序列进行相应的图像处理，获得条纹间距随时间演化的序列(x_k(t)，t)，然后根据单缝衍射公式求得一组试样直径的时间演化序列(d(t)，t)：

其中，d(t)为随时间演变的试样直径，x_k(t)为t时刻k级衍射条纹间距，x(t)为t时刻一级衍射条纹间距；

步骤10、为假设作用光束作用区域满足集总参数法条件，假设丝状金属试样的热膨胀系数在熔点温度前保持不变，利用圆柱体径向热膨胀公式求得丝状金属试样直径与温度变化的关系：

其中，β为丝状金属试样线膨胀系数，d(0)为试样初始直径，ΔT为激光作用区域试样温升；

将d(t)带入步骤10中的直径演化公式，得到温度变化ΔT为：

其中，x(0)为无激光作用时的一级衍射条纹间距；

步骤11、假设作用光束整个作用期间仅作用区域内能发生变化，根据步骤10中温度变化得到内能变化ΔQ(t)：

其中，c为丝状金属试样比热，ρ试样密度，D为毫秒激光光斑直径；

则金属试样对作用光束的吸收率α为：

其中，表示试样在作用光斑下所占的比例，P为入射激光功率，τ为激光脉宽。