一种用于二氧化硅的激光加热系统

1.本发明涉及激光加热技术领域，特别是涉及一种用于二氧化硅的激光加热系统。


背景技术：

2.一般情况下，非金属材料对激光的反射率较低，表现为高吸收率。非金属材料的导热性很小，不是依靠自由电子加热。长波长的激光照射时，激光能量可以直接被材料晶格吸收而使热振荡加强；短波长的激光照射时，激光光子能量高，激励原子壳层上的电子，通过碰撞传播到晶格上，使激光光能转换为热能被吸收。
3.二氧化硅具有稳定的物理与化学特性，是一种很好的非金属材料，同时作为高硅铁尾矿的主要成分，研究二氧化硅的熔融规律，既有理论价值也利于实现资源的二次利用。二氧化硅的熔点为1723℃，以往加热二氧化硅至熔融状态需要采用1700℃以上的高温电炉，而这样的高温电炉主要存在两个问题，一是加热温度高，高温电炉加热时间长，在通电过程中会伴随产生大量热损耗，存在转换效率低的问题，并且设备昂贵。二是加热时高温电炉内部的温度不是均匀分布，很难实时准确地判断二氧化硅处的温度是否达到其熔点，不能确定其是否处于熔融状态。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有加热二氧化硅装置的不足，本发明提供了一种用于二氧化硅的激光加热系统，采用激光进行加热，摆脱了高温电炉的限制，且激光能量集中，可实现二氧化硅的均匀快速加热，并通过测温装置与图像获取装置实时获取加热温度与二氧化硅的熔融过程，最后使用计算机处理数据，能够准确控制二氧化硅的加热过程及判断其是否处于熔融状态。
5.为此，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于二氧化硅的激光加热系统，包括脉冲激光器，反射镜，透镜，刚玉坩埚，测温装置，图像获取装置和计算机。所述脉冲激光器放置于水平方向，脉冲激光器与控制器相连接，控制器通过信号线连接计算机，将脉冲激光器的状态传输到计算机并由计算机通过控制器发送信号对脉冲激光器进行调节，所述反射镜与激光器处于同一水平方向，用于改变激光入射角度，所述透镜位于反射镜的正下方，用于获得高功率密度光斑，所述刚玉坩埚用于盛放所需加热的二氧化硅，放置于透镜的焦点处，所述测温装置用于激光加热时的温度获取与反馈，同激光器一样，通过控制器与计算机相连，所述图像获取装置与计算机相连接，通过计算机对获取的图像进行实时处理分析。
7.优选的：所述脉冲激光器选用激光功率与光斑大小可调的co2气体激光器。
8.优选的：所述控制器包括两个功能，一是可以控制脉冲激光器的开启和关闭以及激光器输出功率与光斑大小。二是可以将测温装置测取到的温度数据与激光器当前的设置数据反馈到计算机。
9.优选的：所述刚玉坩埚的深度利于二氧化硅温度与图像的获取。
10.优选的：所述测温装置为红外温度传感器，可以实现温度的非接触式测量。
11.优选的：所述图像获取装置为具有放大效果的ccd(电荷耦合器件)视频拍摄系统。
12.本发明的有益效果在于：
13.采用激光器对二氧化硅直接加热，相较于高温电炉电-热的加热方式，提高了系统的能量转化效率。由于激光本身的指向性好、能量分布集中的特点，可实现对二氧化硅的快速均匀加热。采用红外温度传感器，实现对加热温度的非接触的测量。采用计算机综合分析激光加热二氧化硅时的数据，根据分析结果优化激光器的设置，并且通过对二氧化硅采集图像的处理，更准确的判断二氧化硅的熔融状态，可实时准确地调整加热参数。
附图说明
14.图1为本发明提供的用于二氧化硅的激光加热技术方案示意图。
15.图中，1脉冲激光器，2反射镜，3透镜，4刚玉坩埚，5二氧化硅,6支撑平台，7红外测温装置,8图像获取装置，9控制器，10计算机
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细描述，以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
17.本发明提供了一种用于二氧化硅的激光加热系统，具体技术方案如图1所示：脉冲激光器(1)，反射镜(2)，透镜(3)，刚玉坩埚(4)，二氧化硅(5)，支撑平台(6)，红外测温装置(7)，图像获取装置(8)，控制器(9)，计算机(10)。其中，所述控制器(9)与脉冲激光器(1)、红外测温装置(7)相连接，控制器(9)和图像获取装置(8)通过信号线连接到计算机；脉冲激光器(1)与反射镜(2)位于同一水平方向，反射镜(2)可根据需要进行角度的调节，改变入射激光光斑位置；所述透镜(3)位于反射镜(2)下方，在透镜(3)焦点位置形成高功率密度光斑；二氧化硅(5)放置于刚玉坩埚中(4)，刚玉坩埚(4)放置于支撑平台(6)上，加热时，二氧化硅(5)处在透镜焦点位置。
18.所述的脉冲激光器(1)使用co2气体激光器，用于产生波长为10.6微米的固定波长光。
19.所述反射镜(2)初始状态与水平方向成45度。
20.所述透镜(3)为平凸透镜，材质为bk7玻璃。
21.所述图像获取装置(8)为具有放大效果的ccd视频拍摄系统。
22.实施过程：如图1所示：脉冲激光器(1)产生固定波长的脉冲激光，经过反射镜(2)和透镜(3)后，光斑汇聚于刚玉坩埚(4)中的二氧化硅(5)表面，二氧化硅(5)吸收激光的热能，温度不断上升，此过程中，红外测温装置(7)实时对二氧化硅(5)处的温度进行测量，并传输到计算机(10)中，当温度上升至1700℃左右时，计算机(10)对ccd获取的图像进行处理，检测二氧化硅的加热及熔融状态，达到所要求的状态或者完全熔融时，二氧化硅状态不再发生变化时，计算机(10)发出信号，控制器(9)控制脉冲激光器(1)改变参数或者关闭激光器。加热过程中，可以随时通过计算机控制激光输出功率，光斑大小等加热参数，以满足所需加热要求。
23.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种用于二氧化硅的激光加热系统，其特征在于：包括脉冲激光器，反射镜，透镜，刚玉坩埚，测温装置，图像获取装置和计算机。所述脉冲激光器放置于水平方向，脉冲激光器与控制器相连接，控制器通过信号线连接计算机，将脉冲激光器的状态参数传输到计算机并由计算机通过控制器发送信号对脉冲激光器进行调节，所述反射镜与激光器处于同一水平方向，所述透镜位于反射镜的正下方，所述刚玉坩埚用于盛放所需加热的二氧化硅，放置于透镜的焦点处，所述测温装置用于激光加热时的温度获取与反馈，同激光器一样，通过控制器与计算机相连，所述图像获取装置与计算机相连接，通过计算机对获取的图像进行实时处理分析。2.根据权利要求1所述一种用于二氧化硅的激光加热系统，其特征在于：所述脉冲激光器为激光功率与光斑大小可调的co2气体激光器。3.根据权利要求1所述一种用于二氧化硅的激光加热系统，其特征在于：所述控制器包括两个功能，一是可以控制脉冲激光器的开启和关闭以及激光器输出功率与光斑大小。二是可以将测温装置测取到的温度数据与激光器当前的设置数据传输到计算机。4.根据权利要求1所述一种用于二氧化硅的激光加热系统，其特征在于：所述测温装置为红外温度传感器，可以实现温度的非接触式测量。5.根据权利要求1所述一种用于二氧化硅的激光加热系统，其特征在于：所述图像获取装置为具有放大效果的ccd(电荷耦合器件)视频拍摄系统。6.根据权利要求2所述一种用于二氧化硅的激光加热系统，其特征在于：co2气体激光器的固定波长为10.6微米。

技术总结
本发明涉及一种用于二氧化硅的激光加热系统。该系统包括脉冲激光器，反射镜，透镜，刚玉坩埚，测温装置，图像获取装置，控制器和计算机。将二氧化硅放入刚玉坩埚中，采用脉冲激光加热，由测温装置测取加热时的温度变化，图像获取装置实时拍摄二氧化硅的熔融状态并传输到计算机中进行图像处理，当达到所需加热状态或者二氧化硅熔融状态不再发生变化，控制模块收到反馈信号停止激光加热。由于二氧化硅的熔点较高，所需的加热炉昂贵，本发明采用激光加热的方式实现非接触加热，提高加热效率，并且能实时分析二氧化硅的加热状态。能实时分析二氧化硅的加热状态。能实时分析二氧化硅的加热状态。


技术研发人员：杨志韬 刘宏鑫
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2022.03.02
技术公布日：2022/6/4