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：

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：