[发明专利]一种激光加热悬浮小球的方法及能量分布计算方法

说明书

本发明涉及一种激光加热悬浮小球的方法及能量分布计算方法，其特征在于：将悬浮小球置于正多面体的中心，多个激光源布置于正多面体的角点，多束激光通过发射相同功率的激光对小球进行加热，直至小球融化。

技术领域

本发明涉及一种利用激光加热的方法，尤其涉及一种利用激光加热悬浮样品以获得温度均匀分布的一种方法以及一种激光加热悬浮小球的能量分布计算方法。

背景技术

空间材料科学，作为空间科学与应用领域中的重要分支，是传统的材料科学向空间环境下的延伸，是发展材料科学新理论、探索材料制备工艺和拓展材料应用新领域中最活跃的前沿性交叉学科之一。空间具有微重力、超真空、无容器和强辐射等特殊效应，是研究材料熔融、凝固等的理想试验条件。但是，人们迄今所能利用的空间资源仍然十分有限。因此，模拟空间环境中各种效应的地面方法应用而生。悬浮技术就是其中之一，它可以模拟空间环境中的无容器状态。在悬浮技术中，通过对悬浮的材料进行激光加热是使材料获得熔融状态的最有效的途径。

研究发现，在对悬浮材料进行熔融加工的过程中，使材料获得均匀的温度分布是进行精确的材料研究的前提条件之一。然后现有技术中并没有很好的方法能够使得材料获得均匀温度。本发明目的在于通过一种新的激光加热方法加热悬浮材料以使小球表面获得均匀的温度分布。

发明内容

本发明是鉴于上述的情况，提供一种能解决上述问题的激光加热方法，具体而言本发明提供一种一种激光加热悬浮小球的方法，其特征在于：将悬浮小球置于正多面体的中心，多个激光源布置于正多面体的角点。

进一步地，其特征在于：所述激光源的输出功率相同。

进一步地，其特征在于：所述激光源的直径相同，且大于等于小球的直径。

进一步地，其特征在于：所述的小球的形状为圆球形。

进一步地，其特征在于：其特征在于所述的正多面体为正四面体。

进一步地，其特征在于：其特征在于所述的正多面体为正六面、正八面、正十二面或正二十面体。

本发明还提供一种一种激光加热悬浮小球的能量分布计算方法，其采用上面任一方案所述激光加热悬浮小球的方法加热，其特征在于，所述计算步骤为：将每束激光在小球表面的分布进行网格划分，即按等距分为多个圆环，例如分为10个圆环，每一圆环对应的弦心角90°/环数，然后根据激光束能量、激光束直径、小球直径、圆环的面积和吸收率可计算出任一圆环吸收的能量，进而可以算得小球表面的能量分布。

进一步地，其特征在于：对于每一束激光都有一个通过球心的圆面与其垂直，且激光能量在该圆面上是均匀分布的，其能量密度为：

其中I为单束激光的能量，R为激光束的半径；

将照射到球面上的激光进行切向和法向的分解，则法向能量密度：n＝msinθ

其中θ为激光束与球面接触点切线的夹角；

球面圆环对应的面积：

ds＝2πr²cosθdθ

其中r为小球的半径

假设小球材料的吸收率为α，则每一微圆环表面吸收的能量为：

n×α×ds

这样对于弦心角从θ₁变化到θ₂的球面圆环来说，其面积为：

s＝2πr²(sinθ₂-sinθ₁)

其吸收的能量为：

然后将每一圆环上吸收的单束激光的能量在圆环面积上进行平均分配，为：