用于脉冲激光加工的压强测试方法与系统

本发明属于激光加工，尤其涉及一种用于脉冲激光加工的压强测试方法与系统。

背景技术：

1、脉冲激光聚焦于材料表面，将在极小的空间内引起微爆炸，形成的高速等离子体或冲击波使聚焦平面附近的材料在极短的时间内受到不低于数十兆帕的极端高压，引起微裂纹、微通道等一系列材料损伤。研究脉冲激光辐照过程中的高压演变机制，有助于揭示材料损伤的形成和演化过程与机理，对于提高脉冲激光加工质量具有重要意义。

2、在脉冲激光加工领域，目前尚未有关于诱导压强的研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于脉冲激光加工的压强测试方法与系统，以解决脉冲激光加工领域无法测试诱导压强的问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种用于脉冲激光加工的压强测试方法，将待加工试样置于高透光率器皿内，在所述高透光率器皿内注入高透光率流体且使高透光率流体没过所述待加工试样；所述测试方法包括：

3、脉冲激光自上至下地聚焦于所述待加工试样表面，同时脉冲探测光以垂直于所述脉冲激光的方向穿过待加工试样表面且进入图像采集装置；

4、利用所述图像采集装置连续采集待加工试样内等离子体或冲击波的图像，筛选出至少三张连续的图像以构成图像序列；

5、根据所述图像序列中的相邻图像确定等离子体或冲击波的相对位移；

6、根据所述相对位移和牛顿运动学方程，计算出对应时间段内等离子体或冲击波的扩散速度；

7、根据每个时间段内的扩散速度计算出待加工试样表面向高透光率流体施加的推力；

8、根据所述推力计算出待加工试样表面所受到的压强。

9、进一步地，每个时间段内等离子体或冲击波的扩散速度的具体计算公式为：

10、

11、其中，vi为第i个时间段内等离子体或冲击波的扩散速度，li、li+1分别为第i、i+1张图像中等离子体或冲击波的相对位移，i＝1,2,…,n-1，n为图像序列中的图像数，δt为图像采样时间间隔。

12、进一步地，根据每个时间段内的扩散速度计算出待加工试样表面向高透光率流体施加的推力，具体包括：

13、根据相邻两个时间段内的扩散速度计算出对应的扩散加速度，具体计算公式为：

14、

15、其中，ai为第i个扩散加速度，vi、vi+1分别为第i、i+1个时间段内等离子体或冲击波的扩散速度，i＝1,2,…,n-2，n为图像序列中的图像数，δt为图像采样时间间隔；

16、确定第i+2张图像中等离子体或冲击波的宽度，根据所述宽度计算出等离子体或冲击波区域内的流体质量，具体计算公式为：

17、

18、其中，mi为第i个流体质量，ρ为高透光率流体密度，di+2为第i+2张图像中等离子体或冲击波的宽度；

19、根据所述扩散加速度和高透光率流体质量计算出待加工试样表面向高透光率流体施加的推力，具体计算公式为：

20、fi＝miai

21、其中，fi为第i个推力。

22、进一步地，根据所述推力计算出待加工试样表面所受到的压强，具体计算公式为：

23、

24、其中，pi为第i个压强，ρ为高透光率流体密度，di+2为第i+2张图像中等离子体或冲击波的宽度，vi、vi+1分别为第i、i+1个时间段内等离子体或冲击波的扩散速度，δt为图像采样时间间隔。

25、基于同一构思，本发明还提供了一种用于脉冲激光加工的压强测试系统，所述系统包括：

26、设于加工平台上的高透光率器皿，在所述高透光率器皿内设有待加工试样且注入高透光率流体，使高透光率流体没过所述待加工试样；

27、用于产生脉冲激光的第一光发生器，所述脉冲激光自上至下地聚焦于所述待加工试样表面；

28、用于产生脉冲探测光的第二光发生器，所述脉冲探测光以垂直于所述脉冲激光的方向穿过待加工试样表面且进入图像采集装置；

29、图像采集装置，用于在脉冲激光聚焦于待加工试样表面且脉冲探测光穿过待加工试样表面时，采集待加工试样内等离子体或冲击波的图像；

30、以及数据处理装置，用于获取等离子体或冲击波的图像序列，所述图像序列至少包括三张连续的等离子体或冲击波的图像；获取所述图像序列中各图像上等离子体或冲击波的相对位移；根据所述相对位移和牛顿运动学方程，计算出对应时间段内等离子体或冲击波的扩散速度；根据每个时间段内的扩散速度计算出待加工试样表面向高透光率流体施加的推力；根据所述推力计算出待加工试样表面所受到的压强。

31、进一步地，所述高透光率器皿采用石英玻璃制作。

32、进一步地，所述高透光率流体为气体或液体。

33、进一步地，所述图像采集装置为高速相机。

34、进一步地，所述脉冲探测光的波长与所述图像采集装置的感光波长范围匹配；当两者不匹配时，在所述图像采集装置的前端增设闪烁体。

35、有益效果

36、与现有技术相比，本发明的优点在于：

37、本发明基于脉冲激光聚焦于待加工试样表面时采集的待加工试样内等离子体或冲击波的图像，利用牛顿运动定律计算出高速等离子体或冲击波运动过程中的一系列压强，为研究脉冲激光辐照过程中的高压演变机制提供了数据支撑，有助于揭示材料损伤的形成和演化过程与机理，对于提高脉冲激光加工质量具有重要意义。本发明方法测试简单、操作方便。

技术特征：

1.一种用于脉冲激光加工的压强测试方法，其特征在于，将待加工试样置于高透光率器皿内，在所述高透光率器皿内注入高透光率流体且使高透光率流体没过所述待加工试样；所述测试方法包括：

2.根据权利要求1所述的用于脉冲激光加工的压强测试方法，其特征在于，每个时间段内等离子体或冲击波的扩散速度的具体计算公式为：

3.根据权利要求1所述的用于脉冲激光加工的压强测试方法，其特征在于，根据每个时间段内的扩散速度计算出待加工试样表面向高透光率流体施加的推力，具体包括：

4.根据权利要求1～3中任一项所述的用于脉冲激光加工的压强测试方法，其特征在于，根据所述推力计算出待加工试样表面所受到的压强，具体计算公式为：

5.一种用于脉冲激光加工的压强测试系统，其特征在于，所述系统包括：

6.根据权利要求5所述的用于脉冲激光加工的压强测试系统，其特征在于，所述高透光率器皿采用石英玻璃制作。

7.根据权利要求5所述的用于脉冲激光加工的压强测试系统，其特征在于，所述高透光率流体为气体或液体。

8.根据权利要求5所述的用于脉冲激光加工的压强测试系统，其特征在于，所述图像采集装置为高速相机。

9.根据权利要求5～8中任一项所述的用于脉冲激光加工的压强测试系统，其特征在于，所述脉冲探测光的波长与所述图像采集装置的感光波长范围匹配；当两者不匹配时，在所述图像采集装置的前端增设闪烁体。

技术总结
本发明公开了一种用于脉冲激光加工的压强测试方法与系统，该方法在置有待加工试样的高透光率器皿内注入高透光率流体且使其没过待加工试样，具体步骤包括：脉冲激光聚焦于待加工试样表面，同时脉冲探测光穿过待加工试样表面且进入图像采集装置；连续采集待加工试样内等离子体或冲击波的图像，筛选出至少三张连续的图像以构成图像序列；根据相邻图像确定等离子体或冲击波的相对位移；根据相对位移计算出对应时间段内等离子体或冲击波的扩散速度；根据每个时间段内的扩散速度计算出待加工试样表面向高透光率流体施加的推力；根据推力计算出待加工试样表面所受到的压强。本发明能够测试脉冲激光辐照过程中的压强，且测试简单，操作方便。

技术研发人员：韦海英,刘夫,张屹
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4