CN108982392A - 一种激光吸收率测量装置及激光吸收率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光吸收率测量装置，包括激光器、光束整形器、第一分束器、第一功率计、第二分束器、第一待测样品、第二功率计、第二待测样品、第三功率计。同时还提供了一种激光吸收率测量方法，同时测量参考功率、热辐射功率和反射功率，通过三者的计算得到吸收功率。本发明提供的激光吸收率测量装置和测量方法，能够准确、方便的测量激光吸收率。

Description

一种激光吸收率测量装置及激光吸收率测量方法

技术领域

本发明涉及激光吸收率测量领域，尤其涉及一种激光吸收率测量装置及激光吸收率测量方法。

背景技术

材料对激光的吸收率，特别是高温吸收率，是激光加工领域的重要指标之一，是影响激光切割和激光焊接设备性能的主要影响因素。目前定量测量材料激光吸收率的方法包括两类：第一类，根据激光辐照条件下材料的温升情况反推材料的吸收率；第二类，通过测量反射率，由1减去反射率获得吸收率。其中，第一类方法,如发明专利《测量激光吸收率的装置》[授权公告号CN 203249885 U]描述，主要测量及计算吸收率过程为：(1)建立激光加热温度场有限元模型，模型中的边界条件及温度输出按照实际工件尺寸、工件热物理参数、激光入射位置、工件表面激光光斑直径及热电偶位置得出，计算不同实际吸收激光功率加载时热电偶测温点温度随时间变化曲线；(2)开启热电偶采集温度，激光入射在所述工件上，热电偶将温度转化为电压信号，经数据采集卡输入工控机，将温度随时间的变化保存；(3)通过数据处理软件，读取入射激光能量，将实验测得的热电偶温度随时间的变化曲线与仿真结构对比，取最接近曲线对应的吸收功率值，求得吸收率。另一种反推吸收率的方法，如《一种材料吸收率的测试装置和测试方法》[申请公布号CN 105758820 A]中描述，主要测量及计算吸收率过程为：开启激光器对试件进行照射，温度采集装置将采集到的试件温度通过数据采集装置传给处理器，通过下式计算激光吸收率，

式中，P为激光照射功率，t₀为激光照射时间，T₁为t₀时刻试样的温度，T₀为实验的初始温度，c为试样比热容，m为试样质量。第二类方法，如发明专利《高精度激光吸收率测量装置》[申请公布号CN 102435582 A]描述，将待查样品置于积分球第二开口处，入射激光经积分球第一开口穿过导光管照射的被测样品上，反射光照射到积分球壁上，经过多次反射和散射，由积分球第三开口上的光电探测器转化为电信号，同时第二光电探测器将激光器出口附近的分光转换为电信号，计算机控制同步数据采集并进行运算处理获得被测样品吸收率。

其中，第一类方法具有以下缺点：物理通过建立有限元分析模型或公式求解吸收率，都需要输入材料物理参数(如密度、导热率、热容等)，但是在激光加载条件下，材料温度会发生一定的变化，材料物理参数在变温条件下非定值，特别是高温条件下变化非常明显，因此迭代产生吸收率结果可能并不唯一确定，同时吸收率本身也随温度变化量，利用该类方法只能求得激光加载过程中的吸收率平均值，而不能求得吸收率随温度的变化特征规律。采用积分球的第二类方法具有以下缺点：反射光要通过积分球内壁多次散射均匀化后进行探测，当激光入射功率较强，反射光直射积分球壁，有可能造成积分球内壁损伤，影响设备性能，另外，在高温条件下，测试样品有可能冒烟或产生较强热辐射，污染积分球内壁或影响积分球内壁反射率或面型，影响设备性能。这两类方法还具有共同缺点，在计算吸收率过程中未考虑高温条件下，红外热辐射对测量结果的影响。一是红外热辐射对激光加热材料来说是一种能量损失，与温度的四次方成正比，导致反推吸收率计算结果出现偏差，二是在积分球内，红外热辐照作为吸收部分被测试样品发射出来，再被积分球内光电探测器作为反射信号进行探测，也会造成吸收率计算结果的偏差。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够准确、方便的测量激光吸收率的激光吸收率测量装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种激光吸收率测量装置，包括激光器、光束整形器、第一分束器、第一功率计、第二分束器、第一待测样品、第二功率计、第二待测样品、第三功率计，所述激光器用于发射激光束，所述光束整形器、第一分束器、第二分束器和第二待测样品沿激光束的出射方向依次设置，所述激光束经所述光束整形器整形后射向所述第一分束器，所述第一分束器、第二分束器及第二待测样品均与所述激光束的出射方向呈45°角设置在所述激光束的出射方向上；所述第一分束器将经所述光束整形器整形后的激光束分为沿所述激光束的出射方向第一光束和垂直于所述激光束的出射方向的第二光束，所述第一功率计接收所述第二光束并测量参考功率；所述第二分束器接收所述第一光束并将所述第一光束分为沿所述激光束的出射方向的第三光束和垂直于所述激光束的出射方向的第四光束，所述第一待测样品与所述第四光束呈45°角设置在所述第四光束的传递方向上，所述第二功率计用于检测所述第一待测样品的热辐射功率；所述第二待测样品接收所述第三光束并反射形成第五光束，所述第三功率计设置在第五光束的传递方向上并用于测量第二待测样品的反射功率；所述第一待测样品和第二待测样品为相同的待测样品，所述第一分束器为1:N分束器，所述第二分束器为1:1分束器，所述N大于或等于2。

一些实施例中，激光吸收率测量装置包括光束阻塞器，所述光束阻塞器用于接收所述第一待测样品反射的光束。

一些实施例中，所述第二功率计设置在用于调节所述第二功率计与所述第一待测样品的相对位置的第一平移台上，所述第三功率计设置在用于调节所述第三功率计与所述第二待测样品的相对位置的第二平移台上。

一些实施例中，还包括用于检测第一待测样品温度的第一温度测量仪和用于检测第二待测样品温度的第二温度测量仪。

一些实施例中，所述第一温度测量仪为红外热像仪或单点测温仪，所述第二温度测量仪为红外热像仪或单点测温仪。

一些实施例中，所述光束整形器用于将所述激光器发射的激光束整形为平顶光束。

一些实施例中，所述第一平移台与所述第一待测样品的法线方向呈45°角设置，所述第二平移台与所述第二待测样品的法线方向呈45°角设置。

一些实施例中，所述第一温度测量仪和第二温度测量仪均为红外热像仪，所述红外热像仪的示数差值小于所述红外热像仪的测量误差。

一些实施例中，所述第一待测样品和第二待测样品的测试面抛光的粗糙度级别相同。

本发明还提供了一种激光吸收率测量方法，包括以下步骤：

选取相同的第一待测样品和第二待测样品，组建权利要求1至7任意一项所述的激光吸收率测量装置；通过第一功率计测量参考功率Q1，通过第二功率计测量热辐射功率Q2，通过第三功率计测量反射功率Q3，激光吸收率a通过公式：

a＝1-(Q3-Q2)/(0.5×N×Q1)

计算得到。

本发明的有益效果在于：本发明提供的激光吸收率测量装置和激光吸收率测量方法，同时测量参考功率和待测样品的热辐射功率和反射功率，可以通过三者的结合计算得到吸收功率。解决了金属或表面涂漆金属材料高温条件下激光吸收率测量困难的问题，同时在测量装置中加入了热辐射功率的测量，可以减小待测样品随温度变化导致的吸收率测量困难的问题。此外，本发明提供的激光吸收率测量装置中，通过待测样品的反射率和热辐射的结合计算吸收功率，更加准确，整个装置的组装及测量也较为简便。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，激光吸收率测量装置的组成示意图。

附图标记：

激光器10；光束整形器20；第一分束器31；第二分束器32；第一功率计41；第二功率计42；第三功率计43；第一待测样品51；第二待测样品52；光束阻塞器60；第一平移台71；第二平移台72；第一温度测量仪81；第二温度测量仪82。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1详细说明一下本发明提供的激光吸收率测量装置。

如图1所示，本发明一个实施例中，公开了一种激光吸收率测量装置，包括激光器10、光束整形器20、第一分束器31、第一功率计41、第二分束器32、第一待测样品51、第二功率计42、第二待测样品52、第三功率计43，所述激光器10用于发射激光束，所述光束整形器20、第一分束器31、第二分束器32和第二待测样品52沿激光束的出射方向依次设置，所述激光束经所述光束整形器20整形后射向所述第一分束器31，所述第一分束器31、第二分束器32及第二待测样品52均与所述激光束的出射方向呈45°角设置在所述激光束的出射方向上；所述第一分束器31将经所述光束整形器20整形后的激光束分为沿所述激光束的出射方向第一光束和垂直于所述激光束的出射方向的第二光束，所述第一功率计41接收所述第二光束并测量参考功率；所述第二分束器32接收所述第一光束并将所述第一光束分为沿所述激光束的出射方向的第三光束和垂直于所述激光束的出射方向的第四光束，所述第一待测样品51与所述第四光束呈45°角设置在所述第四光束的传递方向上，所述第二功率计42用于检测所述第一待测样品51的热辐射功率；所述第二待测样品52接收所述第三光束并反射形成第五光束，所述第三功率计43设置在第五光束的传递方向上并用于测量第二待测样品52的反射功率；所述第一待测样品51和第二待测样品52为相同的待测样品，所述第一分束器31为1:N分束器，所述第二分束器32为1:1分束器，所述N大于或等于2。

本发明提供的激光吸收率测量装置和激光吸收率测量方法，同时测量参考功率和待测样品的热辐射功率和反射功率，可以通过三者的结合计算得到吸收功率。解决了金属或表面涂漆金属材料高温条件下激光吸收率测量困难的问题，同时在测量装置中加入了热辐射功率的测量，可以减小待测样品随温度变化导致的吸收率测量困难的问题。此外，本发明提供的激光吸收率测量装置中，通过待测样品的反射率和热辐射的结合计算吸收功率，更加准确，整个装置的组装及测量也较为简便。

上述实施例中提供的激光吸收率测量装置，第一待测样品51和第二待测样品52为相同的待测样品，可以是金属或者表面涂漆的金属材料制成。在该实施例中提供的激光吸收率测量装置，解决了在激光束加载条件下金属或表面涂漆金属材料制成的待测样品从室温到高温(材料熔点)吸收率测量困难的问题；同时，解决了待测样品在高温条件下激光吸收率难于测量的问题。

同时，通过第二功率计42测量热辐射功率，并将热辐射功率带入激光吸收率的计算中，解决了高温条件下，待测样品(金属或表面涂漆金属材料制成)本身热辐射功率不可忽略，导致材料随温度变化的吸收率难以准确测量的问题。

本发明提供的激光吸收率测量装置，通过测量热辐射功率对吸收率进行修正，提高了吸收率测量的准确度。

本发明的一个具体实施例中，采用激光器10发出的单束激光束作为加热源的同时作为入射光束。采用抛光金属薄片或涂漆的抛光金属薄片作为吸收率测量样品，即第一待测样品51和第二待测样品52。采用非聚焦平顶空间分布激光加热样品，调节激光功率可改变第一待测样品51和第二待测样品52的加热温度(低于材料软化温度或熔点)。通过测量反射功率、参考功率和热辐射功率三部分功率，通过本发明提供的测量方法中的公式进行吸收率的计算。在测量过程中，同时使用两块相同的待测样品(第一待测样品51和第二待测样品52)分别测量反射光功率和热辐射功率，减少测量设备之间空间和测量信号之间的相互干扰，提高测量准确度。

本发明的一个具体实施例中，激光器10具有较高输出功率稳定性(测量误差≤3％)和较高光束质量(M²≤1.4)，光束整形器20可将激光束由高斯光束整形为平顶光束，保证达到两个待测样品表面的激光功率密度分布均匀，光斑辐照区域内温度基本保持一致。

在本发明的一个实施例中，第一分束器31选择1:2分束器，第二分束器32选择1:1分束器，通过第一分束器31和第二分束器32将激光束分成功率相等的三束光路，分别是第二光束、第四光束和第五光束。第二光束被第一功率计41接收，用于测量参考功率；第四光束被第一待测样品51接收，用于加热第一待测样品51，再通过第二功率计42计算第一待测样品51的热辐射功率，第五光束入射到第二待测样品52，并通过第三功率计43测量第二待测样品52的反射功率。

本发明的一个实施例中，第一功率计41、第二功率计42和第三功率计43根据需要采用功率计表头或电脑作为测量结果输出端，连续显示功率测量值。并且，在实际测量过程中，根据吸收率测量模式的不同，可以编制不同的吸收率计算方法或软件。

本发明的一个实施例中，如图1所示，激光吸收率测量装置包括光束阻塞器60，所述光束阻塞器60用于接收所述第一待测样品51反射的光束。

本发明的一个实施例中，所述第二功率计42设置在用于调节所述第二功率计42与所述第一待测样品51的相对位置的第一平移台71上，所述第三功率计43设置在用于调节所述第三功率计43与所述第二待测样品52的相对位置的第二平移台72上。所述第一平移台71与所述第一待测样品51的法线方向呈45°角设置，所述第二平移台72与所述第二待测样品52的法线方向呈45°角设置。

一般情况下，为了保证两个待测样品的相对位置和角度一致，第一平移台71和第二平移台72进行同步控制。

本发明的一个实施例中，还包括用于检测第一待测样品51温度的第一温度测量仪81和用于检测第二待测样品52温度的第二温度测量仪82。一些具体实施例中，所述第一温度测量仪81为红外热像仪或单点测温仪，所述第二温度测量仪82为红外热像仪或单点测温仪。更有选的，所述第一温度测量仪81和第二温度测量仪82均为红外热像仪，所述红外热像仪的示数差值小于所述红外热像仪的测量误差。一般情况下，红外热像仪的示数差值通常为0.1mm量级。

本发明的一个实施例中，所述第一待测样品51和第二待测样品52的测试面抛光的粗糙度级别相同。

本发明的一个实施例中，提供了一种激光吸收率测量方法，该激光吸收率测量方法基于本发明提供的激光吸收率测量装置设计，包括以下步骤：

选取相同的第一待测样品51和第二待测样品52，组建权利要求1至7任意一项所述的激光吸收率测量装置；通过第一功率计41测量参考功率Q1，通过第二功率计42测量热辐射功率Q2，通过第三功率计43测量反射功率Q3，激光吸收率a通过公式：

a＝1-(Q3-Q2)/(0.5×N×Q1)

计算得到。

当N选取为2时，即上文中提到的第一分束器31选择1:2分束器，第二分束器32选择1:1分束器，通过第一分束器31和第二分束器32将激光束分成功率相等的三束光路时，计算公式变为a＝1-(Q3-Q2)/Q1。

本发明的一个具体实施例中，具体测量流程为：

S1、取待测材料切割成尺寸面型完全相同的两个待测样品(第一待测样品51和第二待测样品52)，同时，第一待测样品51和第二待测样品52的测试面抛光到相同粗糙度级别，并按照本发明提供的激光吸收率测量装置组装；

S2、控制激光器10输出弱光，采用功率计表头或电脑作为测量结果输出端，连续显示功率测量值，开启第三功率计43，控制第二平移台72和第一平移台71同步移动，使得第三功率计43输出测量功率为最大值，检测反射功率；

S3、开启第一功率计41、第二功率计42和第三功率计43，根据吸收率测量模式选取激光器10的输出功率档位，开启激光器10输出激光束，开始吸收率测量。测量公式采用如上方法中的公式。

在本发明提供的激光吸收率测量方法中，测量模式包含以下几种情况：

1、特定功率辐照下，待测样品表面性质变化导致的吸收率变化；此模式下，激光器10输出功率选取为上述特定功率，吸收率测量时间到待测样品表面性状发生明显变化为止(如熔融、热变形、烧蚀等)。输出结果为吸收率随辐照时间的连续变化曲线。

2、待测样品在特定温度下的稳态吸收率测量。选取激光器10的输出功率，在激光加热和待测样品散热相互作用达到热平衡时，即热像仪显示温度示数随时间平均值保持不变时，标准偏差小于需求指标或热像仪测量误差，开始吸收率测量。输出结果为吸收率单个值。

3、待测样品的激光吸收率随温度(或加热速率)的变化曲线。选取激光器10的输出功率，使得待测样品温度以所要求的速率上升或下降，分别测量吸收率随时间的变化曲线和温度随时间的变化曲线，二者参数代换得到吸收率随温度的变化曲线，吸收率测量时间到待测样品表面性状发生明显变化为止(如熔融、热变形或烧蚀等)。输出结果为吸收率随温度的变化曲线。

本发明中，激光器10发出的激光束同时作为测量源和加热源，可以直观测量激光诱导高温引起的吸收率变化。以待测样品的反射功率为获取吸收率的主要因素，避免了反射激光对测试设备的辐射损伤和测量信号干扰。并且在测量过程中，在反射功率中扣除了热辐射功率，减少了吸收率测量系统误差，提高了吸收率测量结果的准确度。同时采用两块相同的待测样品，避免了各种相关测量设备在空间上和信号测量上的相互干扰。

本发明直接测量待测样品的反射功率来获得待测样品的吸收率，相对于前文提到的第一类测量方法(根据激光辐照条件下材料的温升情况反推材料的吸收率)，避免调用许多随温度变化的材料参数，如密度、热容、热导率等(这些参数本身也存在测量误差)，可提高吸收测量的准确定，并且可获得吸收率随温度或待测样品表面性质的变化规律，而非获得吸收率的平均值。

本发明相对于前文提到的基于积分球的第二类吸收率测量方法，避免了高功率反射激光对待测样品内部和光电探测器的损伤，扩展了激光诱导高温吸收率的测量温度范围。

本发明在吸收率测量结果中，修正了高温热辐射功率引入的系统测量误差，提高了吸收率测量结果的准确度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种激光吸收率测量装置，其特征在于，包括激光器、光束整形器、第一分束器、第一功率计、第二分束器、第一待测样品、第二功率计、第二待测样品、第三功率计，所述激光器用于发射激光束，所述光束整形器、第一分束器、第二分束器和第二待测样品沿激光束的出射方向依次设置，所述激光束经所述光束整形器整形后射向所述第一分束器，所述第一分束器、第二分束器及第二待测样品均与所述激光束的出射方向呈45°角设置在所述激光束的出射方向上；所述第一分束器将经所述光束整形器整形后的激光束分为沿所述激光束的出射方向第一光束和垂直于所述激光束的出射方向的第二光束，所述第一功率计接收所述第二光束并测量参考功率；所述第二分束器接收所述第一光束并将所述第一光束分为沿所述激光束的出射方向的第三光束和垂直于所述激光束的出射方向的第四光束，所述第一待测样品与所述第四光束呈45°角设置在所述第四光束的传递方向上，所述第二功率计用于检测所述第一待测样品的热辐射功率；所述第二待测样品接收所述第三光束并反射形成第五光束，所述第三功率计设置在第五光束的传递方向上并用于测量第二待测样品的反射功率；所述第一待测样品和第二待测样品为相同的待测样品，所述第一分束器为1:N分束器，所述第二分束器为1:1分束器，所述N大于或等于2。

2.根据权利要求1所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，包括光束阻塞器，所述光束阻塞器用于接收所述第一待测样品反射的光束。

3.根据权利要求1所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，所述第二功率计设置在用于调节所述第二功率计与所述第一待测样品的相对位置的第一平移台上，所述第三功率计设置在用于调节所述第三功率计与所述第二待测样品的相对位置的第二平移台上。

4.根据权利要求1所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，还包括用于检测第一待测样品温度的第一温度测量仪和用于检测第二待测样品温度的第二温度测量仪。

5.根据权利要求4所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，所述第一温度测量仪为红外热像仪或单点测温仪，所述第二温度测量仪为红外热像仪或单点测温仪。

6.根据权利要求1所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，所述光束整形器用于将所述激光器发射的激光束整形为平顶光束。

7.根据权利要求3所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，所述第一平移台与所述第一待测样品的法线方向呈45°角设置，所述第二平移台与所述第二待测样品的法线方向呈45°角设置。

8.根据权利要求5所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，所述第一温度测量仪和第二温度测量仪均为红外热像仪，所述红外热像仪的示数差值小于所述红外热像仪的测量误差。

9.根据权利要求1所述的激光吸收率测量装置，其特征在于，所述第一待测样品和第二待测样品的测试面抛光的粗糙度级别相同。

10.一种基于权利要求1至9任意一项所述的激光吸收率测量装置的激光吸收率测量方法，其特征在于，选取相同的第一待测样品和第二待测样品，组建权利要求1至7任意一项所述的激光吸收率测量装置；通过第一功率计测量参考功率Q1，通过第二功率计测量热辐射功率Q2，通过第三功率计测量反射功率Q3，激光吸收率a通过公式：

a＝1-(Q3-Q2)/(0.5×N×Q1)

计算得到。