[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

说明书

本发明提出一种金属对激光能量吸收规律的探测系统及方法。该系统及方法依据巴比涅原理的激光衍射法，采用低功率连续激光器作为探测光源，高速CCD作为衍射条纹采集装置，对毫秒激光作用过程中衍射条纹的变化情况进行探测，对采集到的条纹图样序列进行图像处理，获得条纹间距信息，再利用相应的理论模型计算就能得到金属试样对毫秒激光的吸收规律信息。本发明实现了金属材料对毫秒激光作用时吸收规律信息的提取，方法简单有效，适用于低强度激光下材料吸收规律的定量探测分析，以及高强度激光下材料烧蚀情况的定性分析。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种毫秒激光作用于丝状金属靶材过程中金属靶材对激光能量吸收规律的探测系统及方法。

背景技术

激光热处理的本质是利用材料吸收的激光能量来改变材料物理化学结构从而实现一定的热处理目的。材料对激光的吸收问题一直以来都是激光热处理最为关心的主题之一，它对工件的热处理质量有着直接影响。了解和掌握激光与材料作用过程中材料对激光能量的吸收变化规律，对于研究和应用激光热处理技术具有重要意义。而当前激光热处理的材料主要为金属，因此对金属材料激光吸收率的研究就显得相对迫切。对金属材料激光吸收率的实验测量目前主要有三类：第一类是以积分球法为代表的光强测定法，通过测量材料反射光强来间接获得吸收率；第二类为椭率测定法，其基本原理是通过测定线偏振光经过材料反射前后的偏振状态变化(振幅和相位变化)，获得金属材料的复折射率，再根据菲涅尔反射定律求得材料反射率，间接获得吸收率；第三类是量热法，通过热电偶等测温手段获得材料某点温度曲线，在基于集总参数法条件的基础上，求出材料的热能变化，从而获得材料吸收率。光强测定法和椭率测定法为非接触式光电探测方法，虽能有效测定金属材料对激光能量的动态吸收，但是所需设备复杂，成本高昂，实验条件和环境要求相对较高。其中椭率测定法对材料要求较高，一般适用于薄膜材料的光学性质测定，且后续的数据处理十分复杂。量热法属于接触式热电探测方法，测量时需要将热电偶焊接在待测材料表面或内部。这种方法的弊端是由于热电偶丝的热传导作用，测定的温度会较大地偏离真实值，需要根据实际情况对测得数据进行修正，另外，受限于热电偶较长的热响应时间，对材料的动态吸收测量效果不佳。

光学衍射法是一种常见的非接触式测量方法，利用它可以测量许多物理参数，其中最常见的就是测量衍射单缝宽度。由于衍射法是一种光学测量方法，其响应之快十分适合动态参数的测量，如衍射法测量材料在动态热、力负载下的热膨胀系数和杨氏模量。结合光学衍射方法的灵敏、非接触、快速动态响应优势以及集总参数法简单有效、经济、易操作的优点，利用高速CCD记录毫秒激光作用时间内金属细丝局部热膨胀引起的衍射条纹的变化，在假设热膨胀系数不变的条件下反演出作用区域温度变化曲线，从而计算出该区域的内能变化并以此求得金属细丝的激光吸收率。这种方法结合了光、热、电三种探测手段，各取所长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式的基于光学衍射图像对金属材料光学吸收率随温度变化进行实时探测的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属对激光能量吸收规律的探测系统包括：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激光器、用于细化探测光束的准直透镜组、用于调节金属试样在真空箱内高度的可调式试样平台、用于放置试样平台并具有观察窗的真空箱、真空泵、用于调整探测光束方向的三维平移台、用于调节真空箱在光路中位置的二维步进电机平台、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、安装在高速CCD镜头的干涉滤波片、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；其中，

探测光束激光器、准直透镜组、放置在试样平台上的金属试样、干涉滤波片、高速CCD在探测光束发射方向上依次同轴设置；试样平台固定在真空箱内，金属试样垂直固定在试样平台上；探测光束激光器置于三维平移台上，真空箱固定于二维步进电机平台上，二维步进电机平台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的观察窗向金属试样透射作用光束。