CN108738222A - 一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，具体为一种利用光在两片非平行衰减片间多次反射和透射，实现等离子体不同光强区域原位同步成像的观察方法。本发明方法基于等离子体辐射的光进入非平行的两面反射式衰减片中多次反射和透射，采用相机记录每一次透射的光。两面衰减片采用非平行方式的目的是分开每次反射和透射的位置，以便错开透射成像的位置；多次反射的目的是层层剥离低光强区域，留到最后的是高光强区域。采用该方法能够获得等离子体不同光强区域的清晰形貌。本发明适用于激光制造、电弧制造、激光电弧复合制造、核聚变等过程中等离子体的观察。

Description

一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成 像方法

技术领域

本发明涉及一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，具体为一种利用光在两片非平行衰减片间多次反射和透射，实现等离子体不同光强区域原位同步成像的观察方法。

背景技术

等离子体是激光制造、电弧制造、激光电弧复合制造、核聚变等过程中固有的物理现象。研究等离子体的特性行为，对揭示等离子体的物理性质及其对相关过程的影响规律均具有重要意义。例如，研究激光焊接等离子体或电弧焊接等离子体，对理解激光或电弧焊接物理过程及优化该焊接工艺具有重要的指导意义。等离子体的形态和温度是描述等离子体特性行为的主要方面，近年来的有关等离子体的研究基本围绕这两方面展开。

关于等离子体的形态，通常采用高速摄像、基于等离子体辐射的光强进行观测。然而，等离子体的温度很高，采用该方法进行观察容易产生炫光，干扰对等离子体的准确认识。关于等离子体的温度，普遍的研究手段是基于光谱仪诊断等离子体辐射的谱线进行计算。等离子体的温度分布不均匀，而光谱仪仅能够逐点间的测量，采用该方法也难以准确获得等离子体温度的空间分布规律。等离子体辐射的光强与其温度的分布具有紧密联系。可以通过高速摄像配置不同的衰减片，基于测量等离子体辐射光强分布区域，初步判断等离子体温度空间分布规律。然而，针对同一个等离子体，以现有的方法同一时刻只能判断一个分布区域。针对同一个等离子体，原位同时获得其不同光强分布区域的方法尚未见报道。

本发明方法基于等离子体辐射的光进入非平行的两面反射式衰减片中多次反射和透射，采用相机记录每一次透射的光。两面衰减片采用非平行方式的目的是分开每次反射和透射的位置，以便错开透射成像的位置；多次反射的目的是层层剥离低光强区域，留到最后的是高光强区域。采用该方法能够获得等离子体不同光强区域的清晰形貌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，适用于激光制造、电弧制造、激光电弧复合制造、核聚变等过程中等离子体的观察。

所述的一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，其特征在于：采用两片等尺寸的反射式衰减片，衰减片的透光率为1％～99％，两片衰减片的透光率不同或者相同，透光波长为10～2000nm，衰减片间夹角为0.01～30°。

所述的一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，其成像原理为：等离子体辐射的光进入第一片反射式衰减片，由于两片衰减片之间存在一定的夹角，光将在两衰减片中间发生一系列的透射和反射。每次经过第二片衰减片透射的光被镜头获得，将形成一系列等离子体的像。

衰减片具有不同的透光率，不同透光率的衰减片组合在一起，最后所成的像亮暗程度也不同。根据衰减片的透光率，可以计算出每一个像的透光率。假设第一个衰减片的透光率为a，第二片衰减片的透光率为b(a，b均<1)。经过第一个衰减片透射之后，再经过第二个衰减片透射，形成第一个像的透光率为：

T₁＝ab (1)

经过第一个衰减片透射之后，再经过第二个衰减片的反射，回到第一个衰减片再反射一次。第二次经第二个衰减片透射后，形成第二个像的透光率为：

T₂＝a(1-b)(1-a)b＝ab(1-b)(1-a) (2)

同理，经过一次第一个衰减片的两次反射，再经过第二个衰减片的两次反射和一次透射之后，形成第三个像的透光率为：

T₃＝a(1-b)(1-a)(1-b)(1-a)b＝ab(1-b)²(1-a)² (3)

依此类推，理论上，在形成第n个像时，第n个像的透光率为：

T_n＝ab(1-b)^n-1(1-a)^n-1 (4)

从公式可知，每成一次像，透光率都会逐渐降低，成像次数越多，仅有光强更强的区域才能够保留下来。

两片衰减片之间的夹角张角越大，像间的间距就会越大，镜头视野里所能拍到的像的个数就越少。假设两片衰减片之间的夹角为α，两衰减片之间的间距近似为d，则经过两片衰减片的透射形成的第一个像与经过两片衰减片的反射形成的第二个像的距离(此距离为两个像在刚出最后一片衰减片时的距离，不等于最后视野里像的实际距离)：

D₁＝2dtan 2α (5)

经过两片衰减片的反射形成的第二个像与经过两片衰减片的反射形成的第三个像的距离：

D₂＝2dtan 4α (6)

经过两片衰减片的反射形成的第三个像与经过两片衰减片的反射形成的第四个像的距离：

D₃＝2dtan 6α (7)

依此类推，理论上，经过两片衰减片的反射形成的第n个像与经过两片衰减片的反射形成的第n+1个像的距离：

D_n＝2dtan 2nα (8)

从公式可知，两片衰减片之间的夹角越大，像与像之间的间距就越大，镜头视野里所能拍到的像的个数就越少。

所述的一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，其特征在于：采用的相机为CCD相机、或者COMS相机或者其它类型的相机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用两片非平行反射式衰减片反射成像原理，可以同时观察到不同光强区域的等离子体的图像。激光制造、电弧制造、激光电弧复合制造、核聚变等过程中等离子体的观察。

附图说明

图1为本发明基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域多次成像的结构示意图。

图2为本实施例获得的激光电弧复合焊接等离子体多次成像的结果图。

图1中：1、靶材，2、激光致等离子体，3、电弧等离子体，4、激光束，5、聚焦镜，6、激光器，7、光路系统，8、焊枪，9、衰减片，10、衰减片，11、镜头，12、反射光路，13、高速摄像图像处理器，14、电脑输出端。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

图1为基于两面反射式衰减片的等离子体不同发光区域多次反射成像结构示意图，其中观察装置包括镜头11、衰减片9、衰减片10、高速摄像图像处理器13和电脑输出端14；靶材1上方产生的等离子体2和3辐射的光进入镜头11内部，镜头里放置了两片反射式衰减片9和10，两片衰减片之间存在一定的夹角；光在两衰减片中间会发生一系列的透射和反射，经衰减片10透射的像被镜头采集，经过高速摄像图像处理器13，最终传输到电脑输出端14，形成等离子体2和3的不同光强区域的像。由于等离子体2和3的温度很高、亮度很强，所以经过衰减片9和衰减片10的多次反射衰减之后，层层剥离低光强区域，逐渐获得等离子体2和3光强越来越高的区域。

本实施案例中，靶材为10mm厚的工业纯铁，实验采用的激光器为YLS-6000光纤激光器，其波长为1.07μm；保护气体为氩气；焊接工艺参数为：激光功率3kW，电弧电流150A，热源间距3mm，保护气流量15L/min，焊接速度2m/min，离焦量0mm，焦距300mm。衰减片的透光率分别为10％和50％，高速摄像拍摄帧数10000帧。图2为采用本方法获得的结果图，从图中我们可以看到获得了4个等离子体光强区域。

以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，其特征在于：非平行的两片反射式衰减片置于相机镜头前，等离子体辐射的光经第一片衰减片进入后，在衰减片间多次反射和透射，每次经第二片衰减片透射出的光被相机记录，获得一系列不同光强区域的等离子体像；衰减片的透光率为1％～99％，两片衰减片的透光率不同或者相同，透光波长为10～2000nm，衰减片间夹角为0.01～30°；通过改变两片衰减片间的夹角，调节像的间距；通过改变两片衰减片的透光率及其组合，调节像的明暗程度。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，其特征在于：采用的相机为CCD相机、或者COMS相机机。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射式衰减片的等离子体不同光强区域原位同步成像方法，其特征在于：适用于激光加工领域、核聚变领域、激光电弧复合加工领域或电弧加工领域。