[发明专利]超音速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学领域的测量装置及测量方法，涉及一种超音速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法。

背景技术

激光与材料的相互作用都首先是从材料对入射激光能量反射和吸收开始的，材料对激光的初始反射特性与激光工作体制（连续、脉冲、重频等）、激光波长，以及材料种类、表面状况、辐照环境等因素有关。在激光加工、表面清洗等作用过程中，通过各种耦合机制吸收激光能量的材料将产生热学、力学、化学等响应，材料的这些物理、化学等响应导致其表面性质发生变化，将反过来影响材料对激光能量的反射特性。可见，影响材料在激光辐照过程中反射率变化的因素很多，且时常是多种影响因素耦合在一起，故很难从理论的角度对其进行定量描述，目前，主要依靠实验的方法对材料激光辐照过程中反射率的变化情况进行测量。因此，发展或改进反射率实验测试装置就成为激光技术应用领域中较为重要的工作。

由于激光在军事、民用领域有着广泛的用途和广阔的拓展前景，如激光焊接、激光清洗、激光切割等，因此，国、内外一直都很重视材料激光反射率测量装置及方法的建立及改进，以满足相关激光技术应用的需求，如量热计装置、辐射计装置及反射计装置等。其中，积分球反射计和半椭球反射计是激光辐照材料过程中反射率动态测量较为常用的装置，与密闭容器、旋转平台等器件相结合，可用于对不同组份气体静态环境、压力、入射角度等多种激光加工实际条件下，材料在激光辐照过程中反射率的动态测量。

当待测材料表面存在超音速气流时，将影响材料对激光能量的吸收效率，最后对加热效果产生影响，这在定性上不难理解，但在如何定量测量气流作用对激光加热过程的影响，以及由于该影响导致的材料反射率参数的变化，仍然是测量材料在气流作用下反射率参数所需要解决的问题。

目前，从国内外公开报道的文献来看，以建立或改进适用于静态环境下，材料激光反射率测量装置或测试技术为主，尚未见到可进行材料表面存在切向气流时，激光辐照过程中材料反射率动态变化测量装置的相关报道，所谓切向气流，即气流方向平行于光滑材料表面方向。

为得到切向气流条件下的材料激光能量耦合系数，实现激光与材料相互过程中最优激光参数的准确预估，进而减少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一种切向气流条件下，激光辐照材料过程中对其表面反射率动态变化进行测量的装置。

发明内容

为获取切向气流条件下，激光与金属材料相互作用过程中的能量耦合系数，本发明提供了一种超音速切向气流下材料激光反射率动态测量装置及方法。

本发明所述超音速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括收集测量装置和试验段，所述试验段包括测试材料放置区；

其特征在于：还包括吹气系统和半椭球反射计，所述测试材料放置区和收集测量装置的测量口分别位于所述半椭球反射计的第一焦点和第二焦点处；

所述试验段还包括与吹气系统连接的气道，气道包括气道出气口和气道进气口，所述气道的出气方向平行于测试材料放置区的放置表面。

优选的，所述吹气系统包括顺次相连的截止阀、减压阀、球阀、节流阀、安全阀；所述安全阀的出口与试验段气道进气口连接，所述截止阀的入口与外置气源连接。

优选的，所述吹气系统至少具备如下特征之一：

A.所述截止阀与减压阀连接处还有第一压力表；

B.所述减压阀和球阀连接处还有第二压力表。

优选的，所述气道出气口处有气流整形区，所述气流整形区内径小于气道其他区域内径，气流整形区气流通路前后部内径大于气流整形区气流通路中部内径，所述气流整形区的气流通路紧贴所述测试材料放置区一侧。

优选的，所述试验段的测试材料放置区为敞开式。

优选的，所述试验段通过螺栓或卡槽方式固定连接在半椭球反射计的外壳上。

优选的，所述收集测量装置为积分球和设置在积分球探测口的光电探测器。

优选的，所述试验段出气口端面与半椭球反射计内壁平滑连接且与内壁表面持平。

超音速切向气流下材料激光反射率动态测量方法，基于如上所述任一项所述的超音速切向气流下材料激光反射率动态测量装置，包括如下步骤：

 101.将待测测试材料放置在测试材料放置区上，打开吹气装置，在测试材料外表面形成稳定的切向气流，所述测试材料外表面无突起无凹陷；

102.将加热激光束和探测激光束对准第一焦点入射在测试材料表面；

103.利用收集测量装置收集第二焦点处汇聚的激光并测量。