一种非金属的激光加热方法技术

一种非金属激光加热方法。现有技术的激光加热方法一般为CO2激光器用单一波长加热。这样的加热方法很难获得高的加热温度和大的融化直径。且加热系统的重量和体积较大。本发明专利技术采用双波长加热系统能获得更高的加热温度或获得更大尺寸的融化直径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非金属加热领域，具体涉及一种可以在空间站使用的非金属激光加热方法。
技术介绍
激光对材料进行加热，材料以一定吸收率将光能转化为热能引起自身温度上升从而产生加热效果。其机理是入射光与金属中电子产生非弹性散射，通过逆轫致辐射效应电子从光子获得能量，成为受激态电子，它们与晶格相互作用，将能量传递给晶格而激起强烈的晶格振动，从而使材料加热。对材料加热所用激光器，目前主要有CO2激光器、Nd:YAG激光器、准分子激光器和半导体激光器等四大类。对金属材料而言，激光的吸收率满足如下关系：CO2激光器<Nd:YAG激光器<半导体激光器，且无论材料处于固相或是熔融相，半导体激光器的吸收率都是三者最高的，因此，半导体激光器更适合于对金属材料进行激光加热。但非金属材料加热中半导体激光器很难将其加热到熔点。红外光学材料按照透射波段可分为两大类：中波材料(0.9μm～5μm)和长波材料(8μm～12μm)。大多数中波材料在可见光(0.3μm～0.7μm)波段也是透明的。中波红外光学材料包括氧化物陶瓷如Al2O3(蓝宝石单晶)、ZrO2、Y2O3、MgO、MgAl2O4(尖晶石)、AlON(氮氧化铝)、石英晶体和熔融石英，氟化物晶体如CaF2、MgF2，Si3N4、SiC；长波材料则大多是半导体材料。对于常用红外材料包括表面损失的透过率，从图中不难发现：相比于Nd：YAG激光器(1.06μm)和半导体激光器(0.915μm)，红外光学材料对CO2激光器发射的10.6μm波段激光吸收率最高，因此，在红外光学材料加热方面，CO2激光器有着其它激光器不可替代的作用。但CO2激光器单独使用只能将小粒径的非金属材料加热到熔点。大功率半导体激光器的光电转换效率在50％～60％之间，而CO2激光器的转换效率仅有5％～10％。半导体激光器与Nd:YAG激光器在激光波长上相近，但是半导体激光器在光谱吸收系数、电光转换效率、光束传输、使用寿命和整体尺寸都优于Nd:YAG激光器，因此，二者相比优选半导体激光器。然而，由于受到波长限制，半导体激光器对玻璃和陶瓷材料的吸收率很低，单使用半导体激光对非金属材料的加热将会是较低效的。考虑到CO2激光在陶瓷及玻璃材料上吸收较好，但是这种激光器最大的问题是较低的电光转换效率。如果加热系统整体都使用这类激光器体积及重量将都会有负面的影响。因此目前用任何单一的激光器加热非金属，效果都不太好，需要寻找到一种加热效果好、体积小、重量轻的加热系统的加热非金属的方法。
技术实现思路
由于单独非金属材料对半导体激光的吸收效率会随着温度的升高而升高。且考虑到半导体激光对非金属材料的吸收率很低，单独使用半导体激光对非金属材料的加热将会是较低效的，而CO2激光在非金属材料的吸收较好，以及半导体和CO2激光器各自的电光转换效率问题，对非金属材料来说，可以采用先利用CO2激光器对其进行预热，随着温度升高至材料对半导体吸收系数升高时，再利用半导体激光器所提供的最大的电光转换效率对样品进行加热，可提高对非金属材料的加热效果，即获得更高的加热温度或获得更大尺寸的融化直径。本专利技术涉及一种非金属的激光加热方法，其特征在于：采用至少两种波长进行加热。进一步地，先用一种波长将非金属加热至吸收率随温度快速上升的温度水平。进一步地，其后加大吸收率随温度上升的波长的激光器功率。进一步地，分别由不同类型的激光器提供至少两种波长。进一步地，第一种波长由CO2激光器提供，第二种波长由半导体激光器提供。进一步地，在CO2激光器进行加热阶段，半导体激光器以最低功率开启；和/或在半导体激光器工作阶段，CO2激光器保留光阈值电功率。进一步地，所述非金属为非金属氧化物。进一步地，所述非金属氧化物为Al2O3。进一步地，所述Al2O3的粒径为16.65mm以下。本专利技术还涉及一种非金属加热系统，其特征在于同时具有CO2激光器和半导体激光器。附图说明图1常温开始的对不同半径Al2O3样品小球的加热温度估算图2不同尺寸样品在CO2&LD激光器不同比例混合加热平衡温度图3Al2O3材料对LD激光束(980nm)吸收率随温度变化示意图图4对直径2mm样品加热至热平衡温度图5在吸收率0.18下的样品平衡温度随LD激光比例变化图6CO2激光器加热不同尺寸Al2O3材料所至平衡温度图7在不同吸收率下LD激光器加热不同尺寸Al2O3材料温度具体实施方式实施例11、初始加热状态比较根据斯特凡-波茲曼定律，本文推导过程基于如下热平衡公式：Pint·α＝ε·C0·[(T2)4-(T1)4]·4πr2,Pint·α＝PCO2·αCO2+PLD·αLD其中C0＝5.67×10-8W/(m2·K4)。其中Pint·α＝PCO2·αCO2+PLD·αLD，常数C0＝5.67×10-8W/(m2·K4)。参数Pint为输入光功率，α为吸收率，ε为热辐射发射率，r为加热小球的半径，T2为样品温度，T1为环境温度。PCO2为CO2激光器的输入光功率，αco2为材料对CO2激光器的吸收率，PLD为LD激光器的输入光功率，αLD为材料对半导体激光器的吸收率。(1)激光器单独使用若激光器加热子系统输入总电功率为600W，那么CO2(10.6μm)/LD(980nm)激光器单独加热，CO2&LD混合加热(输入功率比1：1)对直径为2～8mm的Al2O3样品小球从常温加热直至热平衡的效果如图1所示。其中，Al2O3对CO2激光器(10.6μm)的吸收率设为αCO2＝0.9，对LD激光(980nm)收率为αLD＝0.05，环境温度取T1＝45℃，半球发射率取ε＝0.8。LD激光器电光效率取0.46，CO2取0.069。从图1可以看出CO2激光器单独对直径2mm样品加热温度至热平衡温度可至2570.9℃；LD激光器对直径2mm样品加热至热平衡温度为1940.6℃；CO2&LD输入功率以50％比例混合对直径2mm样品加热至热平衡温度为2314.3℃。图中的水平线为Al2O3的熔点(2050℃)，可以看出，单独CO2激光器只能熔化2mm和3mm小球(对应实验结果⑦d＝2.06mm)；单独LD激光器无法熔化任何直径的小球(⑧-1，⑩-1，⑾-1)；CO2&LD输入功率以50％比例混合只能熔化2mm的小球(⑧-4，⑩-4)。因此，如果想涵盖更广的尺寸，不能单独使用CO2也不能单独使用LD,需要寻求混合加热模式,对其加热能力进行分析(⑩-3)。以上的分析结果与以下的实验结果(如表1)基本吻合，说明该分析模型正确。表1实验结果(此处试验条件：CO2激光器电光转化效率为0.05，LD为0.5，总的输入电功率为600W，表中激光器数据是转化之后的光功率)(2)激光器混合使用若CO2&LD输入功率以一定比例混合，对不同直径样品加热温度曲线在CO2单独加热和LD单独加热的曲线之间，对不同尺寸样品，不同比例的混合加热平衡温度如图2所示，可以看出CO2激光器分配功率越高，得到的平衡温度越高，样品尺寸越小平衡温度越高。表2实验结果(此处试验条件：CO2激光器电光转化效率为0.05，LD为0.5，总的输入电功率为600W，表中激光器数据是转化之后的光功率)2、热平衡温度随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非金属的激光加热方法，其特征在于：采用至少两种波长进行加热。

【技术特征摘要】
1.一种非金属的激光加热方法，其特征在于：采用至少两种波长进行加热。2.如权利要求1所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：先用一种波长将非金属加热至吸收率随温度快速上升的温度水平。3.如权利要求2所述的非金属的激光加热方法，其特征在于包括如下步骤：其后加大吸收率随温度上升的波长的激光器功率。4.如权利要求3所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：分别由不同类型的激光器提供至少两种波长。5.如权利要求1-4之一所述的非金属的激光加热方法，其特征在于：第一种波长由CO2激光器提供，第二种波长由半导体激光器提供。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：余建定，宋伟，杨莉萍，彭小娜，钟秋，之佳运，陶冶，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，中国长沙天仪空间科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31