CN105181701B - 一种金属对激光能量吸收规律的探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种金属对激光能量吸收规律的探测系统及方法。该系统及方法依据巴比涅原理的激光衍射法，采用低功率连续激光器作为探测光源，高速CCD作为衍射条纹采集装置，对毫秒激光作用过程中衍射条纹的变化情况进行探测，对采集到的条纹图样序列进行图像处理，获得条纹间距信息，再利用相应的理论模型计算就能得到金属试样对毫秒激光的吸收规律信息。本发明实现了金属材料对毫秒激光作用时吸收规律信息的提取，方法简单有效，适用于低强度激光下材料吸收规律的定量探测分析，以及高强度激光下材料烧蚀情况的定性分析。
Description
技术领域
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
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。
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
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。
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、真空泵、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，
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。
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。
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：
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；
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；
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；
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；
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CCD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；
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；
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；
步骤8、由于高速CCD镜头的存在，丝状金属试样到CCD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xk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l为：
式中，xk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；
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：
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。
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：
其中，β为丝状金属试样线膨胀系数，d(0)为试样初始直径，ΔT为激光作用区域试样温升
将d(t)带入步骤9中的直径演化公式，得到温度变化ΔT的公式为：
其中，x(0)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。
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中温度变化得到内能变化ΔQ(t)：
其中，c为丝状金属试样比热，m为激光辐照区域试样质量，ρ试样密度，D为毫秒激光光斑直径。
于是丝状金属试样对毫秒单脉冲激光(作用光束)的吸收率α可表示为：
其中，表示试样在作用光斑下所占的比例，E(t)为入射单脉冲激光能量，P为入射激光功率，t为激光脉宽。
由此，通过条纹间距演化序列(xk(t)，t)便能获得毫秒单脉冲激光作用期间丝状金属试样的吸收规律。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)通过采用光学衍射方法，实现了非接触探测；(2)通过高速CCD实现了金属试样在毫秒脉冲激光作用下的能量吸收规律随温度变化的瞬态测量；(3)通过对CCD采集到的衍射条纹图案标定，实现了金属试样吸收率的定量分析；(4)本发明不仅能得到较低激光功率密度下金属试样吸收率的演化规律，同时也能获得金属试样在激光作用区域的温升曲线；(5)通过得到金属试样直径在激光作用下的时间演化规律，实现定性分析高功率密度下金属试样的烧蚀情况及半定量分析最终的烧蚀量；(6)本发明适用于毫秒激光作用下金属试样吸收规律的探测。
附图说明
图1为本发明金属对激光能量吸收规律的探测系统示意图。
图2为图1中二维步进电机平移台和真空箱的侧视图。
图3为使用本发明方法进行仿真实验时高速CCD采样获得的衍射条纹图例。
图4为使用本发明方法进行仿真实验时获得的衍射条纹图像处理结果。
图5为使用本发明方法进行仿真实验时获得的标准铜丝衍射条纹间距曲线图，为一级条纹等效间距。
图6为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为5.5J时的衍射条纹间距曲线图，为一级条纹间距，所用试样经过200目砂纸打磨。
图7为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为5.5J时试样的吸收率曲线图。
图8为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为9J时的衍射条纹间距曲线图，为一级条纹间距，所用试样经过400目砂纸打磨。
图9为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为9J时试样的吸收率曲线图。
图10为使用本发明方法进行仿真实验时获得的的单脉冲能量为13.5J时的衍射条纹间距曲线图，为一级条纹间距。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明金属对激光能量吸收规律的探测系统及方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1和图2，本发明所述毫秒激光作用下丝状金属试样对激光吸收规律的探测方法，探测过程在一个光学衍射探测系统中完成，该光学衍射探测系统即为本发明所述金属对激光能量吸收规律的探测系统，其包括：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[1]、用于细化探测光束的准直透镜组[2]、用于调节金属试样在真空箱内高度的可调式试样平台[3]、用于放置试样平台[3]的具有三面观察窗的真空箱[4]、真空泵[5]、用于调整探测光束方向的三维平移台[6]、用于调节真空箱在光路中位置的二维步进电机平台[7]、用于防止毫秒激光散射光损坏高速CCD以及可见光对探测光束影响的干涉滤波片[8]、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[9]；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[10]。其中，
探测光束激光器[1]、准直透镜组[2]、放置在试样平台[3]上的丝状金属试样、干涉滤波片[8]、高速CCD[9]在探测光束发射方向上依次同轴设置；试样平台[3]固定在真空箱[4]内，丝状金属试样垂直插入到试样平台[3]的小孔中；探测光束激光器[1]置于三维平移台[6]上，真空箱固定于二维步进电机平台[7]上，二维步进电机平台[7]的步进可调方向为探测光束方向和竖直上下方向。通过真空箱的应用，避免空气受热膨胀造成的折射率改变对于衍射条纹的干扰，毫秒激光器透过真空箱[4]的观察窗向丝状金属试样透射作用光束；所述探测光束激光器[1]为光斑直径2mm的可被高速CCD接收的连续激光器；窄带带通干涉滤波片[8]加装在高速CCD[9]的可拆卸镜头中。
光学衍射探测系统的基本原理是：利用经过准直透镜组[2]整形的连续激光探测光束照射在丝状金属试样上，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的同一位置上，根据热胀冷缩原理，金属试样径向的粗细变化将直接反映在衍射图像的变化上；利用高速CCD[9]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丝状金属试样的径向直径的变化，在满足集总参数法条件下，根据丝状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，进一步求得毫秒单脉冲激光作用区域丝状金属试样的内能变化；考虑到毫秒单脉冲激光以热效应为主，假设丝状金属试样以热耦合的形式吸收激光能量并转化成丝状金属试样的内能增量，于是可以根据毫秒单脉冲激光作用时间内丝状金属试样的内能变化求出相应的吸收率变化。
使用前述光学衍射探测系统测量激光能量吸收率变化的具体步骤为：
步骤1、为了使探测光束激光器[1]发射的探测光束能照射到丝状金属试样，将待测丝状金属试样垂直插入试样平台[3]的小孔中，调整试样平台[3]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[1]的探测光束的光路上；
步骤2、为了使作用光束能通过真空箱的视窗照射到丝状金属试样上，打开毫秒激光器，通过二维步进电机平台[7]调整真空箱[4]的位置直至丝状金属试样出现在作用光束(即毫秒激光)光路上，作用光束光斑位置在靠近丝状金属试样自由端处，没有超过端点；
步骤3、将探测光激光器[1]与准直透镜组[2]置于三维平移台[6]上，根据丝状金属试样直径范围，调节并产生0.5mm光斑直径的探测光束，以便可以获得较理想的衍射条纹图像；
步骤4、为了使作用光束作用点与探测光束探测点处于同一区域，调整三维平移台[6]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；
步骤5、为防止毫秒激光散射光对高速CCD[9]造成损坏以及可见光对探测光的干扰，在高速CCD[9]可拆卸镜头中加装窄带带通干涉滤波片[8]，且干涉滤波片[8]中心波长为探测光束波长，通过计算单元[10]取景窗口界面，调整高速CCD[9]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[9]与探测光束同轴；
步骤6、高速CCD[9]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[9]相应的延时记录时间；
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；
步骤8、由于高速CCD[9]镜头的存在，丝状金属试样到CCD[9]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xk不变的条纹序列，根据单缝衍射公式，求得试样到高速CCD[9]镜头的等效距离l为：
式中，xk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；
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[9]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：
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。
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：
其中，β为丝状金属试样线膨胀系数，d(0)为试样初始直径、ΔT为激光作用区域试样温升。
将d(t)带入步骤8中的直径演化公式，得到温度变化ΔT的公式为：
其中，x(0)为无激光作用时的一级衍射条纹间距。
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9中温度变化得到内能变化ΔQ(t)：
其中，c为丝状金属试样比热，m为激光辐照区域试样质量，ρ试样密度，D为毫秒激光光斑直径。
于是丝状金属试样对毫秒单脉冲激光(作用光束)的吸收率α可表示为：
其中，表示试样在作用光斑下所占的比例，，E(t)为入射单脉冲激光能量、P为入射激光功率、t为激光脉宽。
由此，通过条纹间距演化序列(xk(t)，t)便能获得毫秒单脉冲激光作用期间丝状金属试样的吸收规律。
下面结合仿真实验对本发明做进一步详细的描述：
步骤1、根据探测系统的光路示意图搭建衍射探测系统。其中，探测光激光器[1]为波长532nm，输出光斑直径2mm的半导体激光器；准直透镜组[2]将2mm光斑聚焦成0.5mm光斑准直光束；真空箱[4]窗口直径5cm，真空度可达到几十pa；干涉滤波片[8]滤过波长532nm；高速CCD[9]帧率可调，最高17000fps，对应视场1280*32；毫秒激光器为波长1064nm，脉宽0.5ms的Nd:YAG激光器，光斑直径经聚焦透镜后调整为1.5mm。
步骤2、为了探测光束能照射到试样，将待测丝状金属试样垂直插入试样平台[3]小孔，试样分别为0.37mm直径的标准紫铜细丝以及经过200目和400目砂纸均匀打磨的紫铜细丝若干(粗细不统一，且未知)，试样长度为统一为1cm；调整平台高度使试样能充分进入真空箱[4]窗口视野范围(即试样在作用光束和探测光束光路上)；真空箱[4]固定于二维步进电机平台[7]；
步骤3、为了毫米激光能通过真空箱视窗照射到试样上，打开毫秒激光器，通过步进电机调整真空箱[4]位置直至试样出现在毫秒激光光路上，毫秒激光光斑位置在靠近试样自由端处，没有超过端点；
步骤4、将探测光激光器[1]与准直透镜组[2]置于三维平移台[6]上，本实验中试样直径范围0.4mm左右，因此调节并产生0.5mm光斑直径的探测光束，以获得较理想衍射条纹图像；
步骤5、为了使毫米单脉冲激光作用点与探测光束探测点处在同一区域，调整三维平移台[6]使探测光束与作用光束正交且水平同高，两路光束相交于试样同一区域；
步骤6、为防止毫秒单脉冲激光散射光对高速CCD[9]造成损坏以及可见光对探测光的干扰，在高速CCD[9]可拆卸镜头中加装窄带带通干涉滤波片[8]，中心波长为532nm，通过电脑取景窗口界面，调整CCD直至获得探测光束经过被测试样后的清晰衍射图样，确保CCD与探测光束同轴。清晰衍射图样如图3所示，为单脉冲能量9J时第一帧图样。由于中心亮纹在CCD中严重过曝，为防止对CCD传感器的损伤，且受限于视场范围，CCD只采样衍射条纹一侧，且避开中心亮纹；图中最右侧小亮纹为中心亮纹的一部分，左侧黑色区域没有条纹是由于真空室窗口的阻挡。
步骤7、高速CCD[9]采用外触发方式，以毫秒激光电源信号作为触发输入信号，并根据激光器充电与出光的延迟情况，设置CCD相应的延时记录时间，本实验中延时设置200us；
步骤8、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CCD记录参数，本实验中采样帧率选择最高的17000fps，视场1280*32，由于中心亮纹在CCD中过曝，为防止对CCD传感器的损伤，且受限于视场范围，CCD只采样衍射条纹一侧，且避开中心亮纹，典型衍射条纹图像如图3所示。
步骤9、由于高速CCD[9]镜头的存在，试样到CCD的等效距离需要进行标定，在没有毫秒激光作用的情况下，CCD采样时间设置为1ms(即采样17张图片)，记录一组标准试样(直径d＝0.37mm)的衍射图样序列，对衍射图样进行图像处理，得到一组间距xk不变的条纹序列，如图5所示，本实验中k取7，x7＝9.52cm，于是根据单缝衍射公式，求得试样到CCD的等效距离为
步骤10、为了获得毫秒激光作用区域试样直径的时间演化情况，在有毫秒激光作用时，采样时间设置为50ms。在毫秒脉冲的触发下，CCD以17000fps的采样速度每58.8us采样一幅衍射图样，对记录下的衍射条纹图样进行相应的图像处理，如图4所示，。图例对应单脉冲能量9J时第一帧图样；图像处理原理为对图样每一列(共32个像素)的R像素值求和，得到条纹长度方向上的R分量强度分布图；对每一个亮纹两侧边缘(强度最小值处)位置取平均，即表示亮纹中心位置值，以此就可以用来计算条纹间距。图中最右侧强度峰值为部分中心亮纹处理结果，因此计算时从右侧第二条峰值开始。获得条纹间距随时间演化序列(x7(t)，t)，如图6、图8、图10所示，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
步骤11、为了将得到的试样激光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，考虑到所用试样为直径亚毫米量级紫铜细丝，其内热阻远小于表面热阻，故认为激光作用区域满足集总参数法条件，温度能立刻达到均匀，假设紫铜试样的热膨胀系数β＝1.7×10-5(1/K)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试样直径与温度变化的关系
带入步骤8中的直径演化公式，得到温度变化公式为
步骤12、为了获得毫秒激光作用区域式样的吸收规律，忽略热损和热传导，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9中温度变化得到内能变化，本例中紫铜的比热为c＝385J/kg·℃，密度为ρ＝8900kg/m3，毫秒激光光斑直径D＝1.5mm，
本实验中毫秒激光单脉冲能量E分别为5.5J、9J、13.5J，于是试样对毫秒激光的吸收率可表示为
表示试样在作用光斑下所占的比例。
由此，通过条纹间距演化序列(x7(t)，t)便能获得毫秒激光作用期间试样的吸收规律，如图7和图9所示。
本发明所提供的丝状金属试样对毫秒激光吸收规律的探测方法，前提获得等效距离l。本实验中取直径为0.37mm的标准紫铜试样进行实验，高速CCD参数设置为采样帧数取最高17000fps，相应视场1280*32，采样时间取1ms(即采样17帧)。对采集到的17帧图样做一定的图像处理获得衍射条纹间距序列(x7(t)，t)，将此序列数据代入步骤8中的公式，求得等效距离为9.46m。
条纹间距序列(x7(t)，t)如图3所示。可以看到，条纹间距在没有毫秒单脉冲激光作用时是不变的，这表明了等效距离测定的可靠性，进一步说明了用衍射法对毫秒单脉冲激光作用下金属试样吸收规律的探测方法的可行性。
在上述获得的各图中，图7为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为5.5J时试样的吸收率曲线图，其中黑线曲线1为仿真实验所得，红线曲线2为理论公式计算所得，蓝线曲线3为考虑到试样经200目砂纸打磨而提高了初始吸收率的理论结果。曲线1所示吸收率曲线在脉冲后半段时间开始下降是由于热传导及热损造成内能计算偏小导致。图8为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为9J时的衍射条纹间距曲线图，为一级条纹间距，所用试样经过400目砂纸打磨。图9为使用本发明方法进行仿真实验时获得的单脉冲能量为9J时试样的吸收率曲线图，其中黑线曲线1为本仿真实验所得，红线曲线2为理论公式计算所得，蓝线曲线3为考虑到试样经400目砂纸打磨而提高了初始吸收率的理论结果。曲线1所示吸收率曲线在脉冲后半段时间开始下降是由于热传导及热损造成内能计算偏小导致。可以看到，相较于图7中的吸收率曲线，图9中吸收率反而有所降低，本发明认为这主要是由于前者打磨粗糙度高于后者造成的初始吸收率增加。图10为使用本发明方法进行仿真实验时获得的的单脉冲能量为13.5J时的衍射条纹间距曲线图，为一级条纹间距。可以看出，此时的条纹间距曲线与图6和图8中的曲线有非常大的区别，它在脉冲时间内不再是单调的，其经历了下降—上升—再下降的过程，如图中A—B—C所示。从中可以得到一些定性的分析结果：1、从开始至A点试样处于热膨胀主导阶段，而从A点至B点阶段表现为收缩，本发明认为这是由于在高功率密度激光作用下，试样烧蚀或熔融物喷射造成的试样变细，一旦熔蚀产物剥离，热膨胀重新开始占据主导，即B点至C点阶段，这种往复性膨胀收缩将取决于激光强度以及脉宽大小；2、当激光停止作用，条纹间距曲线将类似于图6和图8中的情况，但由于产生了烧蚀性损伤，最终的条纹间距将不会恢复到初始点，即试样永久性变细，通过条纹展宽反演出试样收缩量，可分析烧蚀程度。
Claims (3)
1.一种金属对激光能量吸收规律的探测系统，其特征在于包括：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束激光器(1)、用于细化探测光束的准直透镜组(2)、用于调节金属试样在真空箱内高度的可调式试样平台(3)、用于放置试样平台(3)并具有观察窗的真空箱(4)、真空泵(5)、用于调整探测光束方向的三维平移台(6)、用于调节真空箱在光路中位置的二维步进电机平台(7)、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(9)、安装在高速CCD(9)镜头的干涉滤波片(8)、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(10)；其中，
探测光束激光器(1)、准直透镜组(2)、放置在试样平台(3)上的金属试样、干涉滤波片(8)、高速CCD(9)在探测光束发射方向上依次同轴设置；试样平台(3)固定在真空箱(4)内，金属试样垂直固定在试样平台(3)上；探测光束激光器(1)置于三维平移台(6)上，真空箱固定于二维步进电机平台(7)上，二维步进电机平台(7)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(4)的观察窗向金属试样透射作用光束。
2.如权利要求1所述金属对激光能量吸收规律的探测系统，其特征在于，利用经过准直透镜组(2)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(9)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。
3.一种使用如权利要求1所述探测系统探测金属对激光能量吸收规律方法，其特征在于，
步骤1、将待测金属试样垂直插入试样平台(3)的小孔中，调整试样平台(3)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(1)的探测光束的光路上；
步骤2、打开毫秒激光器，通过二维步进电机平台(7)调整真空箱(4)的位置直至金属试样出现在作用光束光路上；
步骤3、将探测光束激光器(1)与准直透镜组(2)置于三维平移台(6)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；
步骤4、调整三维平移台(6)使探测光束与作用光束正交且水平同高；
步骤5、通过计算单元(10)取景窗口界面，调整高速CCD(9)直至获得探测光束经过被测金属试样后的清晰衍射图样；
步骤6、高速CCD(9)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(9)相应的延时记录时间；
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，以便采集到最优化的衍射图像；
步骤8、在没有毫秒激光作用的情况下，记录一组标准试样的衍射图样序列，对衍射图样进行图像处理，得到一组间距xk不变的条纹序列，根据单缝衍射公式，求得试样到高速CCD[9]镜头的等效距离l；
步骤9、在有作用光束作用下，高速CCD[9]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)：
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；
步骤10、为假设作用光束作用区域满足集总参数法条件，假设丝状金属试样的热膨胀系数在熔点温度前保持不变，利用圆柱体径向热膨胀公式求得丝状金属试样直径与温度变化的关系：
其中，β为丝状金属试样线膨胀系数，d(0)为试样初始直径，ΔT为激光作用区域试样温升；
将d(t)带入步骤10中的直径演化公式，得到温度变化ΔT为：
其中，x(0)为无激光作用时的一级衍射条纹间距；
步骤11、假设作用光束整个作用期间仅作用区域内能发生变化，根据步骤10中温度变化得到内能变化ΔQ(t)：
其中，c为丝状金属试样比热，ρ试样密度，D为毫秒激光光斑直径；
则金属试样对作用光束的吸收率α为：
其中，表示试样在作用光斑下所占的比例，P为入射激光功率，τ为激光脉宽。
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