固体表面的脉冲激光烧蚀区温度跟踪技术

发布时间：2020-09-27 15:59

　　随着大功率激光技术的成熟,材料的激光烧蚀和热处理工艺,作为一种崭新的材料加工处理工艺,其中的物理学和材料学过程已成为多个学科领域的研究热点。其中大功率激光辐照材料表面产生的烧蚀等离子体以及相应的热影响区便是等离子体物理及技术领域的前沿研究方向。大功率脉冲激光对材料表面的加热是激光辐照的首要物理过程,激光能量转化为热能的过程至今仍然是值得研究的课题。短脉冲激光(主要包括纳秒脉冲、皮秒脉冲和飞秒脉冲)的能量经透镜聚焦在固体表面很小的区域内,在固体表面附近形成能量密度极高(10~(12-15)W/m~2)的局域光场。一般认为,处于光场中固体的自由电子和束缚电子,经逆韧致过程将激光能量高效快速的转化为电子动能,再经过电子与晶格之间的弛豫过程转变为热能。激光能量的沉积导致材料表面温度骤升,使固体表面局部快速液化、气化和热电离,形成电子、离子和中性原子组成的高密度热等离子体,从基体表面向外扩散形成烧蚀等离子体。目前,针对激光烧蚀等离子体的主要研究方向是激光的热作用对材料表面的改性以及烧蚀等离子体的利用,包括激光焊接、切割、淬火等材料处理工艺以及基于等离子体的薄膜沉积技术(PLD)等。但是对于脉冲激光辐照固体表面引发的快速加热及温度场分布与演变,作为一个基础物理问题,并没有给于足够重视和详尽研究。纠其原因,在于对激光烧蚀区的温度及其演变没有有效的跟踪技术手段。本文在分析了脉冲激光辐照固体表面产生的温度参数的主要特点之后,提出了一种基于红外辐射的温度跟踪方法,并选择几种代表性的固体材料,对激光烧蚀区表面温度的迅速变化进行了跟踪探索,以研究所提温度跟踪方法的适用性。首先实验研究了脉冲激光能量在辐照固体表面时的分配规律。特别通过测量、计算、分析脉冲激光烧蚀等离子体的辐射强度,分析了激光能量在等离子体产生和辐射中的分配比例及其影响因素。对比研究了不同材料的等离子体辐射强度,以及激光能量对烧蚀辐射的影响。实验发现,等离子辐射强度与固体靶材的原子序数和激光能量成正相关性。通过材料的激光反射性能测试实验,发现相同表面光洁度的材料,对激光的反射特性基本一致。脉冲激光与材料作用的过程中,其能量主要用于烧蚀材料。脉冲等离子体辐射强度与固体表面反射特性的研究表明,脉冲激光在加热不同材料时,靶材的原子序数越低,激光能量转化为材料热能的占比越大。烧蚀等离子体的脉冲产量也是一个可以反映激光能量消耗的重要指标。本文分析了脉冲烧蚀等离子体的扩散行为特点,认为这种等离子体的扩散是一种非典型的双极扩散,其中电子的快速扩散能够形成单独的扩散电流脉冲,基于此设计了一种电路,根据电路测量原理,形成了一种分析方法,进行了脉冲激光烧蚀等离子体产量的评估,对比分析了影响脉冲激光等离子体产量的主要因素。为了开展烧蚀区温度快速演变行为的跟踪测量,基于烧蚀区温度高的特点,在估算最可几热辐射波段的基础上,基于红外辐射测温原理,设计了双色法红外测温方案,利用滤光系统和红外传感器组成了辐射测温系统。对测温系统进行标定之后,利用这一系统对脉冲激光烧蚀导致的材料表面的温度演变进行了跟踪测量。研究表明,脉冲激光对材料的加热是一个迅变过程,其表面温度微秒时间尺度内可升至数千度的温度峰值,温度峰值远滞后于激光能量的峰值时刻,峰值过后降温过程是相对缓慢的,可持续近百微秒。通过对比金属与非金属的烧蚀温度演变历程,表明烧蚀材料的金属属性,对温度行为有很大影响。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB306
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 加热方式的发展与变化
    1.2 激光快速加热技术
    1.3 本文研究的主要内容及文章安排
2 实验装置及技术原理
    2.1 脉冲等离子体的辐射特性研究
        2.1.1 等离子体产生机制
        2.1.2 等离子体辐射特性
        2.1.3 脉冲等离子体的辐射特性实验
        2.1.4 验证实验光路的可行性
        2.1.5 材料的激光反射特性
    2.2 微型热电偶快速测温方法
        2.2.1 热电偶测温原理
        2.2.2 微型热电偶的性能检测
        2.2.3 微型热电偶的安装
    2.3 双色法测温系统
        2.3.1 热辐射的基本定律
        2.3.2 双色法测温
        2.3.4 双色测温法光路设计
        2.3.5 光路的调准与测试
        2.3.6 双色法测温实验定标
3 实验数据及结论
    3.1 脉冲激光烧蚀的辐射特性
        3.1.1 激光烧蚀材料与辐射强度的关系
        3.1.2 等离子体辐射强度与脉冲激光功率的关系
        3.1.3 脉冲激光器的功率校准
        3.1.4 材料表面的激光反射特性
    3.2 微型热电偶测温
        3.2.1 微型热电偶测温
        3.2.2 激光功率对等离子体产量的影响
        3.2.3 烧蚀金属大小对电路信号的影响
        3.2.4 压强对峰值电压的影响
        小结
    3.3 双色法测温
        3.3.1 双色测温法尝试
        3.3.2 滤光片性能检测
        3.3.3 激光功率对加热过程的影响
        3.3.4 负载电阻对光电转换电路响应的影响
        3.3.5 双色法测温小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】