一种金属对激光能量吸收规律的探测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种毫秒激光作用于丝状金属靶材过程 中金属靶材对激光能量吸收规律的探测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 激光热处理的本质是利用材料吸收的激光能量来改变材料物理化学结构从而实 现一定的热处理目的。材料对激光的吸收问题一直以来都是激光热处理最为关心的主题之 一，它对工件的热处理质量有着直接影响。了解和掌握激光与材料作用过程中材料对激光 能量的吸收变化规律，对于研究和应用激光热处理技术具有重要意义。而当前激光热处理 的材料主要为金属，因此对金属材料激光吸收率的研究就显得相对迫切。对金属材料激光 吸收率的实验测量目前主要有三类：第一类是以积分球法为代表的光强测定法，通过测量 材料反射光强来间接获得吸收率；第二类为椭率测定法，其基本原理是通过测定线偏振光 经过材料反射前后的偏振状态变化（振幅和相位变化），获得金属材料的复折射率，再根据 菲涅尔反射定律求得材料反射率，间接获得吸收率；第三类是量热法，通过热电偶等测温手 段获得材料某点温度曲线，在基于集总参数法条件的基础上，求出材料的热能变化，从而获 得材料吸收率。光强测定法和椭率测定法为非接触式光电探测方法，虽能有效测定金属材 料对激光能量的动态吸收，但是所需设备复杂，成本高昂，实验条件和环境要求相对较高。 其中椭率测定法对材料要求较高，一般适用于薄膜材料的光学性质测定，且后续的数据处 理十分复杂。量热法属于接触式热电探测方法，测量时需要将热电偶焊接在待测材料表面 或内部。这种方法的弊端是由于热电偶丝的热传导作用，测定的温度会较大地偏离真实值， 需要根据实际情况对测得数据进行修正，另外，受限于热电偶较长的热响应时间，对材料的 动态吸收测量效果不佳。
[0003] 光学衍射法是一种常见的非接触式测量方法，利用它可以测量许多物理参数，其 中最常见的就是测量衍射单缝宽度。由于衍射法是一种光学测量方法，其响应之快十分适 合动态参数的测量，如衍射法测量材料在动态热、力负载下的热膨胀系数和杨氏模量。结合 光学衍射方法的灵敏、非接触、快速动态响应优势以及集总参数法简单有效、经济、易操作 的优点，利用高速CCD记录毫秒激光作用时间内金属细丝局部热膨胀引起的衍射条纹的变 化，在假设热膨胀系数不变的条件下反演出作用区域温度变化曲线，从而计算出该区域的 内能变化并以此求得金属细丝的激光吸收率。这种方法结合了光、热、电三种探测手段，各 取所长。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种非接触式的基于光学衍射图像对金属材料光学吸收 率随温度变化进行实时探测的装置及方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属对激光能量吸收规律的探测系统包 括：用于产生作为作用光束的毫秒单脉冲激光的毫秒激光器，用于产生探测光束的探测光 激光器、用于细化探测光束的准直透镜组、用于调节金属试样在真空箱内高度的可调式试 样平台、用于放置试样平台并具有观察窗的真空箱、真空栗、用于调整探测光束方向的三维 平移台、用于调节真空箱在光路中位置的二维步进电机平台、用于记录衍射条纹并自带延 时和外触发调节功能的高速CCD、安装在高速CCD镜头的干涉滤波片、用于对采集到的衍射 条纹图像进行存储和处理的计算单元；其中，
[0006] 探测光束激光器、准直透镜组、放置在试样平台上的金属试样、干涉滤波片、高速 CCD在探测光束发射方向上依次同轴设置；试样平台固定在真空箱内，金属试样垂直固定 在试样平台上；探测光束激光器置于三维平移台上，真空箱固定于二维步进电机平台上，二 维步进电机平台的步进可调方向为探测光束方向和上下竖直方向，毫秒激光器透过真空箱 的观察窗向金属试样透射作用光束。
[0007] 进一步，所述探测系统利用经过准直透镜组整形的连续激光探测光束照射在金属 试样上，形成衍射图像；以毫秒激光器发射的毫秒单脉冲激光作为热源作用在丝状金属试 样上与探测光束照射区域同一的位置上；利用高速CCD采集毫秒单脉冲激光作用过程中的 衍射图像序列，并对获得的衍射图像序列进行一定的图像处理获得对应的一组衍射条纹间 距；根据巴比涅原理及单缝衍射公式，将衍射条纹间距的变化转换成金属试样的径向直径 的变化规律，在满足集总参数法条件下，根据金属试样圆柱体径向热膨胀公式求得试样直 径变化对应的试样温升变化规律，进一步求得毫秒单脉冲激光作用区域金属试样的内能变 化规律；根据毫秒单脉冲激光作用时间内金属试样的内能变化求出相应的激光能量吸收率 变化规律。
[0008] 本发明还提出一种使用所述探测系统探测金属对激光能量吸收规律方法：
[0009] 步骤1、将待测金属试样垂直插入试样平台的小孔中，调整试样平台的高度使丝状 金属试样位于毫秒单脉冲激光的作用光束和探测光束激光器的探测光束的光路上；
[0010] 步骤2、打开毫秒激光器，通过二维步进电机平台调整真空箱的位置直至金属试样 出现在作用光束光路上；
[0011] 步骤3、将探测光激光器与准直透镜组置于三维平移台上，根据丝状金属试样直径 范围，调节并产生探测光束，以便获得理想的衍射条纹图像；
[0012] 步骤4、调整三维平移台使探测光束与作用光束正交且水平同高，这样两路光束相 交于丝状金属试样的同一区域；
[0013] 步骤5、为防止毫秒激光散射光对高速CCD造成损坏以及可见光对探测光的干扰， 在高速CCD可拆卸镜头中加装窄带带通干涉滤波片，且干涉滤波片中心波长为探测光束波 长，通过计算单元取景窗口界面，调整高速CXD直至获得探测光束经过被测丝状金属试样 后的清晰衍射图样，确保高速CCD与探测光束同轴；
[0014] 步骤6、高速CCD采用外触发方式，以毫秒激光电源信号作为触发输入信号，并根 据毫秒激光器充电与出光的延迟情况，设置高速CCD相应的延时记录时间；
[0015] 步骤7、根据衍射条纹的空间几何特性以及已知的毫秒激光脉宽参数，设置高速 CCD[9]记录参数，如视场、帧率、采样时间等，以便采集到最优化的衍射图像；
[0016] 步骤8、由于高速C⑶镜头的存在，丝状金属试样到C⑶镜头的等效距离需要进行 标定，在没有毫秒激光作用的情况下，记录一组标准试样（直径d已知）的衍射图样序列， 对衍射图样进行图像处理，得到一组间距&不变的条纹序列，根据单缝衍射公式，求得试样 到高速CCD镜头的等效距离1为：
[0018] 式中，&为k级条纹间距，X为1级条纹间距，d为丝状金属试样直径，λ探测光 束波长；
[0019] 步骤9、为了获得作用光束作用区域内丝状金属试样直径的时间演化情况，在有作 用光束作用下，高速CCD以设置好的采样速度记录一组衍射图样序列，对记录下的衍射条 纹图样序列进行相应的图像处理，获得条纹间距随时间演化的序列（xk(t)，t)，然后根据单 缝衍射公式求得一组试样直径的时间演化序列（d(t)，t)为：
[0021] 其中，d(t)为随时间演变的试样直径，xk(t)为t时刻k级衍射条纹间距，x(t)为 t时刻一级衍射条纹间距。
[0022] 步骤10、为了将获得的试样作用区域的直径变化转换成温度变化，采用以下假设 进行求解：考虑到所用丝状金属试样为直径为亚毫米量级紫铜细丝，其内热阻远小于表面 热阻，故认为作用光束作用区域满足集总参数法条件，温度能立刻达到均匀，假设丝状金属 试样的热膨胀系数在熔点温度前保持不变，于是利用圆柱体径向热膨胀公式可求得丝状金 属试样直径与温度变化的关系：
[0024] 其中，β为丝状金属试样线膨胀系数，d(0)为试样初始直径，ΔΤ为激光作用区域 试样温升
[0025] 将d (t)带入步骤9中的直径演化公式，得到温度变化Δ T的公式为：
[0027] 其中，X(O)为无激光作用时的一级衍射条纹间距，x(t)为激光作用开始后t时刻 一级衍射条纹间距。
[0028] 步骤11、为了获得作用光束作用区域丝状金属试样的吸收规律，在忽略热损和热 传导的情况下，认为整个激光脉冲期间仅作用区域内能发生变化，根据步骤10