CN111122299A - 一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置，包括激光器、空芯光纤、耦合器、喷嘴、气阀、气瓶、三维位移台、加热室、导气管及透镜；本发明采用将激光器输出端的激光束经透镜、耦合器进入空芯光纤，再将气瓶内的氮气或惰性气体经气阀、导气管及耦合器也进入空芯光纤，构成气流和激光束共同通过空芯光纤的喷嘴射出的激光装置，通过空芯光纤传递激光束和气流一体化集成，使熔体样品在加热室内悬浮受热，以提升熔体样品受热的均匀性，提高超高温和深过冷熔体的热物理性能评测精准度，避免了在坩埚或其他器皿中加热物料所带来的接触干扰。本发明具有结构简单，评测精准，气动悬浮加热熔体样品的稳定性和可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置。
背景技术
传统坩埚法评测极弱熔体样品的热物理性能时，因容器壁和熔体样品接触处易发生异相成核而迅速析晶、以及高温条件下熔体样品易与容器发生化学反应玷污熔体样品等方面的限制，使超高温和深过冷熔体的热物理性能评测误差极大甚至无法评测，因而限制了人们对高温、过冷特别是深过冷熔体结构和性能的直接观察和评测。现有技术的激光加工设计方案是利用系列光学元件在自由空间通过红外激光光束多次调制再聚焦到熔体样品，该方案中光束对焦难度较大，而且容易随仪器的轻微振动而发生光路偏离的现象，此外，由于激光光束与气流从不同方向上作用于熔体样品，即激光光束无法与气流方向同向向上，导致熔体样品悬浮样品难以受热均匀。如何克服容器壁和熔体样品接触的现状，使熔体样品在容器内悬浮受热，提升熔体样品受热的均匀性，是提高超高温和深过冷熔体的热物理性能评测精准度的有效措施。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置，本发明采用将激光器输出端的激光束经透镜、耦合器进入空芯光纤，再将气瓶内的氮气或惰性气体经气阀、导气管及耦合器也进入空芯光纤，构成气流和激光束共同通过空芯光纤的喷嘴射出的激光装置，通过空芯光纤传递激光束和气流一体化集成，使熔体样品在加热室内悬浮受热，以提升熔体样品受热的均匀性，提高超高温和深过冷熔体的热物理性能评测精准度。本发明具有结构简单，评测精准，气动悬浮加热熔体样品的稳定性和可靠性高的优点。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置，其特点包括激光器、空芯光纤、耦合器、喷嘴、气阀、气瓶、三维位移台、加热室、导气管及透镜；
所述空芯光纤的一端依次连接耦合器、透镜及激光器的输出端构成激光装置；
所述气瓶经气阀与导气管连接构成气体装置；
所述加热室为圆形或多边形，所述三维位移台上设有光纤座，三维位移台为数件，均布设于加热室周边；
所述激光装置为数套，数套激光装置的空芯光纤的另一端指向加热室并分别固定在数件三维位移台的光纤座上；
所述数套激光装置中至少有一套空芯光纤的另一端连接喷嘴、至少有一套耦合器上连接气体装置，且耦合器与气体装置的导气管连接。
所述三维位移台的光纤座在三维空间上绕沿XYZ轴移动、绕XYZ轴转动。
本发明采用将激光器输出端的激光束经透镜、耦合器进入空芯光纤，再将气瓶内的氮气或惰性气体经气阀、导气管及耦合器也进入空芯光纤，构成上气流和激光束共同通过空芯光纤的喷嘴射出的激光装置，通过空芯光纤传递激光束和气流一体化集成，使熔体样品在加热室内悬浮受热，以提升熔体样品受热的均匀性，提高超高温和深过冷熔体的热物理性能评测精准度。本发明具有结构简单，评测精准，气动悬浮加热熔体样品的稳定性和可靠性高的优点。
本发明所产生的技术效果是，a、激光束被限制在空芯光纤内传输，抗外部环境振动等干扰能力强；b、激光束与气流共路，气流通过锥形耦合器侧壁上的开孔导入，便于实现激光束对熔体样品在悬浮状态下准直加热，提高加热均匀性；c、气流对激光传输系统可产生风冷效果，提高运行可靠性；d、通过激光器输入功率、光纤芯径、耦合器锥度等参数的优化设计，操控光纤传输激光的模式和输出光束的能量分布、发散角、光斑尺寸和能流密度等，进而提升悬浮熔滴受热的均匀性。
本发明的三维位移台设于加热室的周边并连接，通过三维位移台的光纤座在三维空间的移动与转动，可调节空芯光纤及喷嘴的射出方向，便于精确调节空芯光纤输出端的位置，以精确控制熔体样品的悬浮状态及激光束的加热位置。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明三套激光装置的使用状态示意图。
具体实施方式
参阅图1，本发明包括激光器1、空芯光纤2、耦合器3、喷嘴4、气阀5、气瓶6、三维位移台7、加热室8、导气管10及透镜11；
所述空芯光纤2的一端依次连接耦合器3、透镜11及激光器1的输出端构成激光装置；
所述气瓶6经气阀5与导气管10连接构成气体装置。
参阅图1，所述加热室8为圆形或多边形，所述三维位移台7上设有光纤座，所述三维位移台7为数件，均布设于加热室8周边；
所述激光装置为数套，数套激光装置的空芯光纤2的另一端指向加热室8并分别固定在数件三维位移台7的光纤座上；
所述数套激光装置中至少有一套空芯光纤2的另一端连接喷嘴4、至少有一套耦合器3上连接气体装置，且耦合器3与气体装置的导气管10连接。
参阅图1，所述三维位移台7的光纤座在三维空间上绕沿XYZ轴移动、绕XYZ轴转动。
实施例1
参阅图1，选用两套激光装置，其中，一套激光装置的空芯光纤2的另一端连接喷嘴4、耦合器3上连接气体装置，且耦合器3侧壁上的开孔与气体装置的导气管10连接。选用气瓶6内的气体为氮气。
选用两件三维位移台7，三维位移台7对称设于多边形加热室8的外侧，
将两套激光装置的空芯光纤2指向加热室8并分别固定在两件三维位移台7的光纤座上；
将熔体样品9置于加热室8内；
其中，一套激光装置上激光器1输出端的激光束经透镜11、耦合器3进入空芯光纤2，气瓶6内的氮气经气阀5、导气管10及耦合器3也进入空芯光纤2，气流和CO2激光束共同通过空芯光纤2的喷嘴4射出，喷嘴4由熔体样品9的底部向上喷射，在气流的作用下，熔体样品9在加热室8内形成悬浮状，并对熔体样品9进行加热；
另一套激光装置上激光器1输出端的CO2激光束经透镜11、耦合器3进入空芯光纤2，CO2激光束由空芯光纤2射出，光束由上向下入射到熔体样品9。
两套激光装置的CO2激光束一上一下，两条光束交汇到加热室8内的熔体样品9上，对熔体样品9实施悬浮状态的准直加热，避免传统在坩埚或其他器皿中加热物料所带来的接触干扰，对高温、深过冷熔体结构和性能的直接观察和评测具有重要应用前景。
本发明的三维位移台7设于加热室8的周边并连接，通过三维位移台7的光纤座在三维空间的移动与转动，可调节空芯光纤2及喷嘴4的射出方向，以精确控制熔体样品9的悬浮状态及激光束的加热位置。
实施例2
参阅图2，选用三套激光装置，其中，一套激光装置的空芯光纤2的另一端连接喷嘴4、耦合器3上连接气体装置，且耦合器3侧壁上的开孔与气体装置的导气管10连接。选用气瓶6内的气体为氮气。
选用三件三维位移台7，三维位移台7均布设于多边形加热室8的外侧，
将三套激光装置的空芯光纤2指向加热室8并分别固定在三件三维位移台7的光纤座上；
将熔体样品9置于加热室8内；
其中，一套激光装置上激光器1输出端的CO2激光束经透镜11、耦合器3进入空芯光纤2，气瓶6内的氮气经气阀5、导气管10及耦合器3也进入空芯光纤2，气流和CO2激光束共同通过空芯光纤2的喷嘴4射出，喷嘴4由熔体样品9的底部向上喷射，在气流的作用下，熔体样品9在加热室8内形成悬浮状，并对熔体样品9进行加热；
另外两套激光装置上激光器1输出端的CO2激光束经透镜11、耦合器3进入空芯光纤2，CO2激光束由空芯光纤2射出，光束由上向下入射到熔体样品9。
三套激光装置的激光束一上两下，三条光束交汇到加热室8内的熔体样品9上，对熔体样品9实施悬浮状态的准直加热，避免传统在坩埚或其他器皿中加热物料所带来的接触干扰，实现对高温、深过冷熔体结构和性能的直接观察和评测。
Claims (2)
1.一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置，其特征在于，它包括激光器（1）、空芯光纤（2）、耦合器（3）、喷嘴（4）、气阀（5）、气瓶（6）、三维位移台（7）、加热室（8）、导气管（10）及透镜（11）；
所述空芯光纤（2）的一端依次连接耦合器（3）、透镜（11）及激光器（1）的输出端构成激光装置；
所述气瓶（6）经气阀（5）与导气管（10）连接构成气体装置；
所述加热室（8）为圆形或多边形，所述三维位移台（7）上设有光纤座，三维位移台（7）为数件，均布设于加热室（8）周边；
所述激光装置为数套，数套激光装置的空芯光纤（2）的另一端指向加热室（8）并分别固定在数件三维位移台（7）的光纤座上；
所述数套激光装置中至少有一套空芯光纤（2）的另一端连接喷嘴（4）、至少有一套耦合器（3）上连接气体装置，且耦合器（3）与气体装置的导气管（10）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的激光束与气流共路的悬浮加热装置，其特征在于，所述三维位移台（7）的光纤座在三维空间上绕沿XYZ轴移动、绕XYZ轴转动。
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