隨著大功率激光技術的成熟,材料的激光燒蝕和熱處理工藝,作為一種嶄新的材料加工處理工藝,其中的物理學和材料學過程已成為多個學科領域的研究熱點。其中大功率激光輻照材料表面產(chǎn)生的燒蝕等離子體以及相應的熱影響區(qū)便是等離子體物理及技術領域的前沿研究方向。大功率脈沖激光對材料表面的加熱是激光輻照的首要物理過程,激光能量轉化為熱能的過程至今仍然是值得研究的課題。短脈沖激光(主要包括納秒脈沖、皮秒脈沖和飛秒脈沖)的能量經(jīng)透鏡聚焦在固體表面很小的區(qū)域內,在固體表面附近形成能量密度極高(10~(12-15)W/m~2)的局域光場。一般認為,處于光場中固體的自由電子和束縛電子,經(jīng)逆韌致過程將激光能量高效快速的轉化為電子動能,再經(jīng)過電子與晶格之間的弛豫過程轉變?yōu)闊崮堋＜す饽芰康某练e導致材料表面溫度驟升,使固體表面局部快速液化、氣化和熱電離,形成電子、離子和中性原子組成的高密度熱等離子體,從基體表面向外擴散形成燒蝕等離子體。目前,針對激光燒蝕等離子體的主要研究方向是激光的熱作用對材料表面的改性以及燒蝕等離子體的利用,包括激光焊接、切割、淬火等材料處理工藝以及基于等離子體的薄膜沉積技術(PLD)等。但是對于脈沖激光輻照固體表面引發(fā)的快速加熱及溫度場分布與演變,作為一個基礎物理問題,并沒有給于足夠重視和詳盡研究。糾其原因,在于對激光燒蝕區(qū)的溫度及其演變沒有有效的跟蹤技術手段。本文在分析了脈沖激光輻照固體表面產(chǎn)生的溫度參數(shù)的主要特點之后,提出了一種基于紅外輻射的溫度跟蹤方法,并選擇幾種代表性的固體材料,對激光燒蝕區(qū)表面溫度的迅速變化進行了跟蹤探索,以研究所提溫度跟蹤方法的適用性。首先實驗研究了脈沖激光能量在輻照固體表面時的分配規(guī)律。特別通過測量、計算、分析脈沖激光燒蝕等離子體的輻射強度,分析了激光能量在等離子體產(chǎn)生和輻射中的分配比例及其影響因素。對比研究了不同材料的等離子體輻射強度,以及激光能量對燒蝕輻射的影響。實驗發(fā)現(xiàn),等離子輻射強度與固體靶材的原子序數(shù)和激光能量成正相關性。通過材料的激光反射性能測試實驗,發(fā)現(xiàn)相同表面光潔度的材料,對激光的反射特性基本一致。脈沖激光與材料作用的過程中,其能量主要用于燒蝕材料。脈沖等離子體輻射強度與固體表面反射特性的研究表明,脈沖激光在加熱不同材料時,靶材的原子序數(shù)越低,激光能量轉化為材料熱能的占比越大。燒蝕等離子體的脈沖產(chǎn)量也是一個可以反映激光能量消耗的重要指標。本文分析了脈沖燒蝕等離子體的擴散行為特點,認為這種等離子體的擴散是一種非典型的雙極擴散,其中電子的快速擴散能夠形成單獨的擴散電流脈沖,基于此設計了一種電路,根據(jù)電路測量原理,形成了一種分析方法,進行了脈沖激光燒蝕等離子體產(chǎn)量的評估,對比分析了影響脈沖激光等離子體產(chǎn)量的主要因素。為了開展燒蝕區(qū)溫度快速演變行為的跟蹤測量,基于燒蝕區(qū)溫度高的特點,在估算最可幾熱輻射波段的基礎上,基于紅外輻射測溫原理,設計了雙色法紅外測溫方案,利用濾光系統(tǒng)和紅外傳感器組成了輻射測溫系統(tǒng)。對測溫系統(tǒng)進行標定之后,利用這一系統(tǒng)對脈沖激光燒蝕導致的材料表面的溫度演變進行了跟蹤測量。研究表明,脈沖激光對材料的加熱是一個迅變過程,其表面溫度微秒時間尺度內可升至數(shù)千度的溫度峰值,溫度峰值遠滯后于激光能量的峰值時刻,峰值過后降溫過程是相對緩慢的,可持續(xù)近百微秒。通過對比金屬與非金屬的燒蝕溫度演變歷程,表明燒蝕材料的金屬屬性,對溫度行為有很大影響。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB306
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 加熱方式的發(fā)展與變化
    1.2 激光快速加熱技術
    1.3 本文研究的主要內容及文章安排
2 實驗裝置及技術原理
    2.1 脈沖等離子體的輻射特性研究
        2.1.1 等離子體產(chǎn)生機制
        2.1.2 等離子體輻射特性
        2.1.3 脈沖等離子體的輻射特性實驗
        2.1.4 驗證實驗光路的可行性
        2.1.5 材料的激光反射特性
    2.2 微型熱電偶快速測溫方法
        2.2.1 熱電偶測溫原理
        2.2.2 微型熱電偶的性能檢測
        2.2.3 微型熱電偶的安裝
    2.3 雙色法測溫系統(tǒng)
        2.3.1 熱輻射的基本定律
        2.3.2 雙色法測溫
        2.3.4 雙色測溫法光路設計
        2.3.5 光路的調準與測試
        2.3.6 雙色法測溫實驗定標
3 實驗數(shù)據(jù)及結論
    3.1 脈沖激光燒蝕的輻射特性
        3.1.1 激光燒蝕材料與輻射強度的關系
        3.1.2 等離子體輻射強度與脈沖激光功率的關系
        3.1.3 脈沖激光器的功率校準
        3.1.4 材料表面的激光反射特性
    3.2 微型熱電偶測溫
        3.2.1 微型熱電偶測溫
        3.2.2 激光功率對等離子體產(chǎn)量的影響
        3.2.3 燒蝕金屬大小對電路信號的影響
        3.2.4 壓強對峰值電壓的影響
        小結
    3.3 雙色法測溫
        3.3.1 雙色測溫法嘗試
        3.3.2 濾光片性能檢測
        3.3.3 激光功率對加熱過程的影響
        3.3.4 負載電阻對光電轉換電路響應的影響
        3.3.5 雙色法測溫小結
結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況
致謝

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 郭華鋒;李菊麗;孫濤;;激光切割技術的研究進展[J];徐州工程學院學報(自然科學版);2015年04期

2 孫楓;王廣生;佟小軍;;航空工業(yè)中熱處理現(xiàn)狀和發(fā)展[J];金屬熱處理;2014年01期

3 靳衛(wèi)平;;綠色熱處理工藝及應用[J];科技風;2013年17期

4 李瑋;;激光通信測距技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J];激光與紅外;2013年08期

5 吳培桂;陳瑩瑩;張光鈞;;綠色熱處理工藝—激光熱處理[J];金屬熱處理;2010年12期

6 劉丹;;飛秒脈沖激光燒蝕靶材機理的探討[J];湖北第二師范學院學報;2010年08期

7 鐘小平;唐彬;陸大成;傅劍光;;加熱爐改造的優(yōu)化設計[J];中國重型裝備;2010年02期

8 孔德明;;關于《金屬材料與熱處理》教學的幾點認識[J];職業(yè);2009年27期

9 文定都;;電加熱爐溫控系統(tǒng)的模糊免疫自適應PID控制的研究[J];儀表技術與傳感器;2008年07期

10 王洪濤;鄭中興;;紅外測溫技術的進展及其應用[J];無損探傷;2007年04期

相關重要報紙文章 前1條

1 陳偉立;;傳統(tǒng)熱處理技術將被取代[N];中國石化報;2002年

相關博士學位論文 前1條

1 李云紅;基于紅外熱像儀的溫度測量技術及其應用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

相關碩士學位論文 前4條

1 趙麗賢;基于LIBS的醇類同系物定性識別及定量檢測[D];大連理工大學;2013年

2 謝雅君;基于激光加熱的金屬薄板溫度梯度場重構[D];大連理工大學;2012年

3 楊小琦;脈沖激光輻照半導體表面的熱效應分析[D];江西師范大學;2009年

4 吳雪峰;飛秒激光燒蝕金屬的理論與試驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2006年

本文編號：2828082