CN106410597A - 一种非金属的激光加热方法 - Google Patents

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宋伟
杨莉萍
彭小娜
钟秋
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陶冶
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Abstract

一种非金属激光加热方法。现有技术的激光加热方法一般为CO2激光器用单一波长加热。这样的加热方法很难获得高的加热温度和大的融化直径。且加热系统的重量和体积较大。本发明采用双波长加热系统能获得更高的加热温度或获得更大尺寸的融化直径。

Description

一种非金属的激光加热方法
技术领域
本发明属于非金属加热领域，具体涉及一种可以在空间站使用的非金属激光加热方法。
背景技术
激光对材料进行加热，材料以一定吸收率将光能转化为热能引起自身温度上升从而产生加热效果。其机理是入射光与金属中电子产生非弹性散射，通过逆轫致辐射效应电子从光子获得能量，成为受激态电子，它们与晶格相互作用，将能量传递给晶格而激起强烈的晶格振动，从而使材料加热。对材料加热所用激光器，目前主要有CO2激光器、Nd:YAG激光器、准分子激光器和半导体激光器等四大类。
对金属材料而言，激光的吸收率满足如下关系：CO2激光器<Nd:YAG激光器<半导体激光器，且无论材料处于固相或是熔融相，半导体激光器的吸收率都是三者最高的，因此，半导体激光器更适合于对金属材料进行激光加热。但非金属材料加热中半导体激光器很难将其加热到熔点。
红外光学材料按照透射波段可分为两大类：中波材料(0.9μm～5μm)和长波材料(8μm～12μm)。大多数中波材料在可见光(0.3μm～0.7μm)波段也是透明的。中波红外光学材料包括氧化物陶瓷如Al2O3(蓝宝石单晶)、ZrO2、Y2O3、MgO、MgAl2O4(尖晶石)、AlON(氮氧化铝)、石英晶体和熔融石英，氟化物晶体如CaF2、MgF2，Si3N4、SiC；长波材料则大多是半导体材料。对于常用红外材料包括表面损失的透过率，从图中不难发现：相比于Nd：YAG激光器(1.06μm)和半导体激光器(0.915μm)，红外光学材料对CO2激光器发射的10.6μm波段激光吸收率最高，因此，在红外光学材料加热方面，CO2激光器有着其它激光器不可替代的作用。但CO2激光器单独使用只能将小粒径的非金属材料加热到熔点。
大功率半导体激光器的光电转换效率在50％～60％之间，而CO2激光器的转换效率仅有5％～10％。
半导体激光器与Nd:YAG激光器在激光波长上相近，但是半导体激光器在光谱吸收系数、电光转换效率、光束传输、使用寿命和整体尺寸都优于Nd:YAG激光器，因此，二者相比优选半导体激光器。然而，由于受到波长限制，半导体激光器对玻璃和陶瓷材料的吸收率很低，单使用半导体激光对非金属材料的加热将会是较低效的。考虑到CO2激光在陶瓷及玻璃材料上吸收较好，但是这种激光器最大的问题是较低的电光转换效率。如果加热系统整体都使用这类激光器体积及重量将都会有负面的影响。
因此目前用任何单一的激光器加热非金属，效果都不太好，需要寻找到一种加热效果好、体积小、重量轻的加热系统的加热非金属的方法。
发明内容
由于单独非金属材料对半导体激光的吸收效率会随着温度的升高而升高。且考虑到半导体激光对非金属材料的吸收率很低，单独使用半导体激光对非金属材料的加热将会是较低效的，而CO2激光在非金属材料的吸收较好，以及半导体和CO2激光器各自的电光转换效率问题，对非金属材料来说，可以采用先利用CO2激光器对其进行预热，随着温度升高至材料对半导体吸收系数升高时，再利用半导体激光器所提供的最大的电光转换效率对样品进行加热，可提高对非金属材料的加热效果，即获得更高的加热温度或获得更大尺寸的融化直径。
本发明涉及一种非金属的激光加热方法，其特征在于：采用至少两种波长进行加热。
进一步地，先用一种波长将非金属加热至吸收率随温度快速上升的温度水平。
进一步地，其后加大吸收率随温度上升的波长的激光器功率。
进一步地，分别由不同类型的激光器提供至少两种波长。
进一步地，第一种波长由CO2激光器提供，第二种波长由半导体激光器提供。
进一步地，在CO2激光器进行加热阶段，半导体激光器以最低功率开启；和/或在半导体激光器工作阶段，CO2激光器保留光阈值电功率。
进一步地，所述非金属为非金属氧化物。
进一步地，所述非金属氧化物为Al2O3。
进一步地，所述Al2O3的粒径为16.65mm以下。
本发明还涉及一种非金属加热系统，其特征在于同时具有CO2激光器和半导体激光器。
附图说明
图1常温开始的对不同半径Al2O3样品小球的加热温度估算
图2不同尺寸样品在CO2&LD激光器不同比例混合加热平衡温度
图3 Al2O3材料对LD激光束(980nm)吸收率随温度变化示意图
图4对直径2mm样品加热至热平衡温度
图5在吸收率0.18下的样品平衡温度随LD激光比例变化
图6 CO2激光器加热不同尺寸Al2O3材料所至平衡温度
图7在不同吸收率下LD激光器加热不同尺寸Al2O3材料温度
具体实施方式
实施例1
1、初始加热状态比较
根据斯特凡-波茲曼定律，本文推导过程基于如下热平衡公式：
Pint·α＝ε·C0·[(T2)4-(T1)4]·4πr2,Pint·α＝PCO2·αCO2+PLD·αLD
其中C0＝5.67×10-8W/(m2·K4)。
其中Pint·α＝PCO2·αCO2+PLD·αLD，常数C0＝5.67×10-8W/(m2·K4)。
参数Pint为输入光功率，α为吸收率，ε为热辐射发射率，r为加热小球的半径，T2为样品温度，T1为环境温度。PCO2为CO2激光器的输入光功率，αco2为材料对CO2激光器的吸收率，PLD为LD激光器的输入光功率，αLD为材料对半导体激光器的吸收率。
(1)激光器单独使用
若激光器加热子系统输入总电功率为600W，那么CO2(10.6μm)/LD(980nm)激光器单独加热，CO2&LD混合加热(输入功率比1：1)对直径为2～8mm的Al2O3样品小球从常温加热直至热平衡的效果如图1所示。其中，Al2O3对CO2激光器(10.6μm)的吸收率设为αCO2＝0.9，对LD激光(980nm)收率为αLD＝0.05，环境温度取T1＝45℃，半球发射率取ε＝0.8。LD激光器电光效率取0.46，CO2取0.069。
从图1可以看出CO2激光器单独对直径2mm样品加热温度至热平衡温度可至2570.9℃；LD激光器对直径2mm样品加热至热平衡温度为1940.6℃；CO2&LD输入功率以50％比例混合对直径2mm样品加热至热平衡温度为2314.3℃。图中的水平线为Al2O3的熔点(2050℃)，可以看出，单独CO2激光器只能熔化2mm和3mm小球(对应实验结果⑦d＝2.06mm)；单独LD激光器无法熔化任何直径的小球(⑧-1，⑩-1，⑾-1)；CO2&LD输入功率以50％比例混合只能熔化2mm的小球(⑧-4，⑩-4)。因此，如果想涵盖更广的尺寸，不能单独使用CO2也不能单独使用LD,需要寻求混合加热模式,对其加热能力进行分析(⑩-3)。
以上的分析结果与以下的实验结果(如表1)基本吻合，说明该分析模型正确。
表1实验结果
(此处试验条件：CO2激光器电光转化效率为0.05，LD为0.5，总的输入电功率为600W，表中激光器数据是转化之后的光功率)
(2)激光器混合使用
若CO2&LD输入功率以一定比例混合，对不同直径样品加热温度曲线在CO2单独加热和LD单独加热的曲线之间，对不同尺寸样品，不同比例的混合加热平衡温度如图2所示，可以看出CO2激光器分配功率越高，得到的平衡温度越高，样品尺寸越小平衡温度越高。
表2实验结果
(此处试验条件：CO2激光器电光转化效率为0.05，LD为0.5，总的输入电功率为600W，表中激光器数据是转化之后的光功率)
2、热平衡温度随吸收率变化
Al2O3样品熔点约为2050℃(2323K)，根据以上分析，单独以CO2激光器加热只能熔化2～3mm之间的Al2O3样品，而单独用LD激光器加热不能融化2～8mm之间任何尺寸的Al2O3样品，以上结论是基于材料对激光的吸收率是一恒定的值为基础，事实上，Al2O3样品对LD激光束(980nm)的吸收率是随温度提高有明显的变化的，如图3所示(根据激光加工经验，1μm±50nm非金属材料吸收率变化规律基本一致)，尤其是Al2O3样品温度高于1227℃(1500K)后，对LD激光器(980nm)吸收率随温度变化曲线斜率明显增大，吸收率由0.18不断攀升直至接近100％。此外，根据经验值Al2O3样品处于低温时，对LD激光器吸收率处于0.05～0.1之间。
这样，对Al2O3样品的加热融化，可以利用其对LD激光束吸收率随温度上升而提高的规律，样品温度高于1227℃(1500K)后，提高LD激光器供给电功率，使得Al2O3样品温度进一步升高直至熔点。这也就意味着在电功率向LD激光器转移之前，必须将Al2O3样品加热至1227℃以上。以直径2mm的Al2O3材料样品为例，在不同比例的混合激光辐照下，按不同吸收率计算得到的样品温度如图4所示。
对于不同混合比例的激光加热，若平衡温度达到1227℃(1500K)而其对应吸收率低于0.18，则在这种混合比例加热下样品温度按照吸收率0.18计算可以继续提高；或者，对于吸收率0.18下，若一定混合比例激光加热的平衡温度超过1227℃(1500K)，也可认为这种混合比例激光加热方案利用上了吸收率随温度变化的规律，沿着图4所示的斜率不断增大的曲线将样品加热至融化温度。在0.18吸收率下，样品平衡温度随LD激光所占比例变化如图5所示。从图5可以看出当样品温度突破1227℃(1500K)后，在给定吸收率下逐渐加大LD激光器分配能量可使得样品平衡温度进一步提高。
若将电能供给600W全部转移至LD激光器，那么按吸收率0.18计算，热平衡温度可至约1903℃，温度依然低于Al2O3 2050℃(2323K)熔点。由图3可知，在1903℃，Al2O3材料对LD激光束(980nm)吸收率应为0.66，那么以吸收率0.66计算，全部功率供给LD激光器，样品平衡温度可以达到2721.4℃，高于Al2O3熔点约700℃，可以认为此时直径2mm的Al2O3样品已经完全融化。
3、混合加热方案
在总电功率有限条件下，单一波长激光器无法使得Al2O3样品融化的情况，采取不同波长激光混合方案可以将材料加热至熔点。但是，这个过程应分为两个阶段：(1)将样品加热至吸收率随温度快速上升的温度水平；(2)之后加大吸收率随温度上升的波长的激光器功率。
最理想的情形是，在(1)阶段全部以CO2激光器加热，在(2)阶段全部以LD激光器加热。这是因为在(1)阶段，激光器加热系统可以产生40W但吸收率高达90％的10.6m激光束(全部能量供给CO2激光器)；而对于LD(980nm)激光器，尽管产生激光束功率可达300W，但是吸收率低于10％，对样品的加热效果，CO2激光器优于LD激光器；在(2)阶段，尽管吸收率依然不高，但注意到吸收率0.12时，300W的980nm激光束与40W的10.6m激光束对Al2O3样品加热效果是等效的，进入吸收率0.18之上的吸收率随温度加速增大的温度区间，LD激光器加热效果大大优于CO2激光器。
在实际应用中，若先关闭CO2激光器而后开启LD激光器中间的时间间隔足以导致样品温度有一定程度的下降，可能导致样品温度低于1500K，那么在总功率限定的情况下，可能采取的方式是在(1)阶段，LD激光器以最低功率(100WLD出光阈值电功率约为10W)开启，余下的全部电能供给CO2激光器；在(2)阶段提高LD激光器能量供给至最大，同时对CO2激光器仅保留其出光阈值电功率。
4、可加热样品最大直径
陶瓷Al2O3材料加热采取双波长混合加热方式，(1)CO2激光器(10.6μm)加热至1227℃(1500K)；(2)LD激光器加热至点2050℃(2323K)。
Al2O3材料对10.6μm激光束吸收率约为0.9，发射率以0.8计算，得到直径2mm～8mm球体Al2O3样品热平衡温度如图6所示，可以看到对于直径小于3mm样品，单独CO2激光器即可将其熔化；当CO2激光器将样品温度加热到吸收率有明显变化时的1227℃(1500K)时，其所对应的样品直径为7.2mm。
温度1227℃(1500K)的Al2O3材料对980nm激光进入吸收率随温度增高迅速上升通道，以吸收率0.18计算，直径7.2mm以下Al2O3材料以LD激光器单独加热至平衡温度如图7所示，可以看出在吸收率0.18下，直径3.8mm样品可以熔化，扩展了可熔化样品尺寸范围。
对于直径7.2mm样品，温度可达到1580℃，注意到在1580℃，Al2O3对980nm激光吸收率为0.37，在此吸收率下可以熔化的样品直径为6.45mm，使得可融化的样品尺寸进一步扩大。以此吸收率重新计算温度曲线得到直径为7.2mm的样品新的温度，这样每得到更高的温度，以更高温度下的吸收率再次进行温度计算。迭代进行至直径7.2mm达到1980℃，吸收率达到0.48，以吸收率0.48计算得到温度达到2297℃，已超过样品的熔点2050℃。在此吸收率下计算温度达到熔点2050℃下的样品直径为16.65mm。
计算方法：先用CO2激光器将材料加热到1227℃，此温度的CO2激光器可加热的材料的最大尺寸为7.2mm。此温度时材料对LD激光器的吸收率为0.18，按此吸收率计算，用LD激光器可将3.8mm样品融化掉，直径为7.2mm的样品的足最大温度为1580℃，由于融化过程中温度在升高，吸收率也会升高，在1580℃材料对LD激光器的吸收率为0.37，在此吸收率下，计算材料可融化的样品直径为6.45mm，以此吸收率重新计算温度曲线得到直径为7.2mm的样品新的温度，这样每得到更高的温度，以更高温度下的吸收率再次进行温度计算。迭代进行至直径7.2mm达到1980℃，吸收率达到0.48，以吸收率0.48计算得到温度达到2297℃，已超过样品的熔点2050℃。在此吸收率下计算温度达到熔点2050℃下的样品直径为16.65mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种非金属的激光加热方法，其特征在于：采用至少两种波长进行加热。
2.如权利要求1所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：先用一种波长将非金属加热至吸收率随温度快速上升的温度水平。
3.如权利要求2所述的非金属的激光加热方法，其特征在于包括如下步骤：其后加大吸收率随温度上升的波长的激光器功率。
4.如权利要求3所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：分别由不同类型的激光器提供至少两种波长。
5.如权利要求1-4之一所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：第一种波长由CO2激光器提供，第二种波长由半导体激光器提供。
6.如权利要求5所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：在CO2激光器进行加热阶段，半导体激光器以最低功率开启；和/或在半导体激光器工作阶段，CO2激光器保留光阈值电功率。
7.如权利要求1-6之一所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：所述非金属为非金属氧化物。
8.如权利要求7所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：所述非金属氧化物为Al2O3。
9.如权利要求7所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：所述Al2O3的粒径为16.65mm以下。
10.一种非金属加热系统，其特征在于同时具有CO2激光器和半导体激光器。
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