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激光加热技术

激光加热的基本概念

激光加热是通过激光能量对材料进行加热的过程。通过热传递,温度上升会导致材料的受热,熔融,沸腾,甚至形成等离子体(离子化的材料)。

激光束与材料的相互作用

当激光束打到材料表面后,会有若干效果发生:反射,吸收和一些光被透射过去,在材料表面通过对流和/或辐射所导致的热扩散和热损失。在该过程中材料的吸收和利用的能量取决于材料的光学和热物性能。图1 说明了光束入射到材料后,一般情况下光的分配方式。


图1:激光加热时光的一般分配

材料对激光束的吸收率取决于材料(表面形状,颜色)和波长:显然的是,吸收性越好的材料,越有助于提高加热效率。

下表是不同的材料对激光束吸收特性的参考:

Property 特性Material 材料
高反射率(低吸收)Au, Ag, Al, Cu (图2: 显示了常见金属材料在不同波长下的吸收度).
中反射率(中吸收)
低熔点
高熔点
高氧化熔点
大部分为金属:
Fe,Ni,Sn,Pb 
W, Mo, Cr, Ta, Ti, Zr
Cr, AI, Zr
低反射率(高吸收)
有机物
无机物
大部分的非金属:
皮革, 木头, 橡胶, 羊毛, 棉花
天然石头

图2: 常见金属材料在不同波长下的吸收度

总之,激光功率密度必须足够克服反射率及热传递,才能对材料进行加热。

一般情况下,我们通过比尔-朗伯定律激光束在材料中吸收度:

I(z)= I0e^(-μz)

这儿:

I(z)—深度Z时的功率密度 [W/m2]

I0 —入射光的功率密度 [W/m2]

μ — 吸收系数 [1/m] (范围 105 to 107 cm-1)

激光束打到材料后,该材料本身将发生以下反应:

图3: 激光加热时材料本身的反应

除了热传递外,激光加热也包含了相的变化(液化,汽化,分解)

开始,最初,材料通过激光束和热传递进行加热

激光密度≥熔化的阈值时 → 熔化

激光密度≥汽化阈值 → 汽化 → 蒸汽

激光密度≥等离子化的阈值 → 气体物质的离子化等离子体 → 热耦合 → 吸收能量

下图显示了随着激光功率的提高时材料的变化过程.

图4: 随着激光功率的提高时材料的变化顺序

激光加热常用激光器

目前在材料加热过程中使用的激光器可以被分为以下类型,主要激励介质和波长λ来进行区别:

CO2激光器: λ=10,6μm (IR), 也有一些通过调整气体成分获得波长为λ=9,3 和 10,2μm ( 主要是为了获得材料的更好的吸收度) , 大部分的非金属材料或氧化材料可以采用CO2激光器。从封装及激励方式来区分,市场上也有玻璃管的直流/轴流 CO2激光器及射频全金属CO2激光器。他们的区别主要是电光转换效率及光束质量。

YAG激光器: λ=1,06μm (NIR), 是一种典型的固体激光器。其基本组成部分包含激光工作物质、泵浦源和谐振腔。YAG的全名为钇铝石榴石,其化学式为Y3 Al5 O15 。目前市场上使用最多的Nd:YAG就是在YAG基质中掺入的激活离子Nd3+ (约1%)就成为Nd:YAG。由于Nd:YAG的阈值比红宝石和钕玻璃低得多,同时Nd:YAG晶体又具有优良的热学性能, 所以,可以获得更高功率及高重复频率的特性。因而在工业及科研上获得了极大的应用。

光纤激光器: λ=1,06μm (NIR), 光纤激光器也是一种固体激光器。泵浦介质是包层光纤, 不是晶体棒, 参杂的介质在纤芯中. 光放大器就是没有腔镜的光纤激光器。

HPDD (high-power direct diode,高功率直接半导体激光器): 工业上HPDD大部分的波长介于 900nm到1000nm (NIR)之间。通常, HPDD不是单个发射源,最新的技术是通过许多个的LD合并成激光堆栈, 以此来获得高功率输出。HPDD 的光斑模式有别于传统意义上的高斯光斑,而是端面比较均匀的 “平帽”式光斑。 图5显示了在热传递过程中“平帽”式光斑与“高斯”光斑的传递方向的差异.

Fig5: “平帽”式光斑与“高斯”光斑的传递方向的差异

激光加热独特性

由于激光(光斑尺寸以及加热时间)可以精确控制,并结合高温计,因而我们可以精确控制加热温度及加热时间;加热过程中也可以迅速关闭激光,也可以控制激光冷却的时间及速度,很容易达到深过冷控制的目的。

激光光斑可以通过光路控制到很小或均匀的程度,同时,随着激光技术的不断发展,可以选择吸收度更高的激光对材料进行加热;提高加热效率;因此激光加热具有下面独特性:

1.最小热输入:由于激光源可以有很高的能量密度,且转化迅速发生,因此减少了热效应区;

2.精确控制: 由于激光的方向性强,可以形成光的能量集中区,加热区域可以精确控制。这个优势可以给我们深过冷条件;

3.非接触式: 由于能量来自激光,磁和空气不影响激光光束。因此在悬浮状态下可以将光导入进行加热。

一个典型的激光加热过程如下所示:

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