本發(fā)明屬于非金屬加熱領(lǐng)域，具體涉及一種可以在空間站使用的非金屬激光加熱方法。

背景技術(shù)：

激光對材料進(jìn)行加熱，材料以一定吸收率將光能轉(zhuǎn)化為熱能引起自身溫度上升從而產(chǎn)生加熱效果。其機(jī)理是入射光與金屬中電子產(chǎn)生非彈性散射，通過逆軔致輻射效應(yīng)電子從光子獲得能量，成為受激態(tài)電子，它們與晶格相互作用，將能量傳遞給晶格而激起強烈的晶格振動，從而使材料加熱。對材料加熱所用激光器，目前主要有CO₂激光器、Nd:YAG激光器、準(zhǔn)分子激光器和半導(dǎo)體激光器等四大類。

對金屬材料而言，激光的吸收率滿足如下關(guān)系：CO₂激光器<Nd:YAG激光器<半導(dǎo)體激光器，且無論材料處于固相或是熔融相，半導(dǎo)體激光器的吸收率都是三者最高的，因此，半導(dǎo)體激光器更適合于對金屬材料進(jìn)行激光加熱。但非金屬材料加熱中半導(dǎo)體激光器很難將其加熱到熔點。

紅外光學(xué)材料按照透射波段可分為兩大類：中波材料(0.9μm～5μm)和長波材料(8μm～12μm)。大多數(shù)中波材料在可見光(0.3μm～0.7μm)波段也是透明的。中波紅外光學(xué)材料包括氧化物陶瓷如Al₂O₃(藍(lán)寶石單晶)、ZrO₂、Y₂O₃、MgO、MgAl₂O₄(尖晶石)、AlON(氮氧化鋁)、石英晶體和熔融石英，氟化物晶體如CaF₂、MgF₂，Si₃N₄、SiC；長波材料則大多是半導(dǎo)體材料。對于常用紅外材料包括表面損失的透過率，從圖中不難發(fā)現(xiàn)：相比于Nd：YAG激光器(1.06μm)和半導(dǎo)體激光器(0.915μm)，紅外光學(xué)材料對CO₂激光器發(fā)射的10.6μm波段激光吸收率最高，因此，在紅外光學(xué)材料加熱方面，CO₂激光器有著其它激光器不可替代的作用。但CO₂激光器單獨使用只能將小粒徑的非金屬材料加熱到熔點。

大功率半導(dǎo)體激光器的光電轉(zhuǎn)換效率在50％～60％之間，而CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率僅有5％～10％。

半導(dǎo)體激光器與Nd:YAG激光器在激光波長上相近，但是半導(dǎo)體激光器在光譜吸收系數(shù)、電光轉(zhuǎn)換效率、光束傳輸、使用壽命和整體尺寸都優(yōu)于Nd:YAG激光器，因此，二者相比優(yōu)選半導(dǎo)體激光器。然而，由于受到波長限制，半導(dǎo)體激光器對玻璃和陶瓷材料的吸收率很低，單使用半導(dǎo)體激光對非金屬材料的加熱將會是較低效的?？紤]到CO₂激光在陶瓷及玻璃材料上吸收較好，但是這種激光器最大的問題是較低的電光轉(zhuǎn)換效率。如果加熱系統(tǒng)整體都使用這類激光器體積及重量將都會有負(fù)面的影響。

因此目前用任何單一的激光器加熱非金屬，效果都不太好，需要尋找到一種加熱效果好、體積小、重量輕的加熱系統(tǒng)的加熱非金屬的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

由于單獨非金屬材料對半導(dǎo)體激光的吸收效率會隨著溫度的升高而升高。且考慮到半導(dǎo)體激光對非金屬材料的吸收率很低，單獨使用半導(dǎo)體激光對非金屬材料的加熱將會是較低效的，而CO₂激光在非金屬材料的吸收較好，以及半導(dǎo)體和CO₂激光器各自的電光轉(zhuǎn)換效率問題，對非金屬材料來說，可以采用先利用CO₂激光器對其進(jìn)行預(yù)熱，隨著溫度升高至材料對半導(dǎo)體吸收系數(shù)升高時，再利用半導(dǎo)體激光器所提供的最大的電光轉(zhuǎn)換效率對樣品進(jìn)行加熱，可提高對非金屬材料的加熱效果，即獲得更高的加熱溫度或獲得更大尺寸的融化直徑。

本發(fā)明涉及一種非金屬的激光加熱方法，其特征在于：采用至少兩種波長進(jìn)行加熱。

進(jìn)一步地，先用一種波長將非金屬加熱至吸收率隨溫度快速上升的溫度水平。

進(jìn)一步地，其后加大吸收率隨溫度上升的波長的激光器功率。

進(jìn)一步地，分別由不同類型的激光器提供至少兩種波長。

進(jìn)一步地，第一種波長由CO₂激光器提供，第二種波長由半導(dǎo)體激光器提供。

進(jìn)一步地，在CO₂激光器進(jìn)行加熱階段，半導(dǎo)體激光器以最低功率開啟；和/或在半導(dǎo)體激光器工作階段，CO₂激光器保留光閾值電功率。

進(jìn)一步地，所述非金屬為非金屬氧化物。

進(jìn)一步地，所述非金屬氧化物為Al₂O₃。

進(jìn)一步地，所述Al₂O₃的粒徑為16.65mm以下。

本發(fā)明還涉及一種非金屬加熱系統(tǒng)，其特征在于同時具有CO₂激光器和半導(dǎo)體激光器。

附圖說明

圖1常溫開始的對不同半徑Al₂O₃樣品小球的加熱溫度估算

圖2不同尺寸樣品在CO₂&LD激光器不同比例混合加熱平衡溫度

圖3 Al₂O₃材料對LD激光束(980nm)吸收率隨溫度變化示意圖

圖4對直徑2mm樣品加熱至熱平衡溫度

圖5在吸收率0.18下的樣品平衡溫度隨LD激光比例變化

圖6 CO2激光器加熱不同尺寸Al₂O₃材料所至平衡溫度

圖7在不同吸收率下LD激光器加熱不同尺寸Al₂O₃材料溫度

具體實施方式

實施例1

1、初始加熱狀態(tài)比較

根據(jù)斯特凡-波茲曼定律，本文推導(dǎo)過程基于如下熱平衡公式：

P_int·α＝ε·C₀·[(T₂)⁴-(T₁)⁴]·4πr²,P_int·α＝P_CO2·α_CO2+P_LD·α_LD

其中C₀＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

其中P_int·α＝P_CO2·α_CO2+P_LD·α_LD，常數(shù)C₀＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

參數(shù)P_int為輸入光功率，α為吸收率，ε為熱輻射發(fā)射率，r為加熱小球的半徑，T₂為樣品溫度，T₁為環(huán)境溫度。P_CO2為CO₂激光器的輸入光功率，α_co2為材料對CO₂激光器的吸收率，P_LD為LD激光器的輸入光功率，α_LD為材料對半導(dǎo)體激光器的吸收率。

(1)激光器單獨使用

若激光器加熱子系統(tǒng)輸入總電功率為600W，那么CO₂(10.6μm)/LD(980nm)激光器單獨加熱，CO₂&LD混合加熱(輸入功率比1：1)對直徑為2～8mm的Al₂O₃樣品小球從常溫加熱直至熱平衡的效果如圖1所示。其中，Al₂O₃對CO₂激光器(10.6μm)的吸收率設(shè)為α_CO2＝0.9，對LD激光(980nm)收率為α_LD＝0.05，環(huán)境溫度取T₁＝45℃，半球發(fā)射率取ε＝0.8。LD激光器電光效率取0.46，CO₂取0.069。

從圖1可以看出CO₂激光器單獨對直徑2mm樣品加熱溫度至熱平衡溫度可至2570.9℃；LD激光器對直徑2mm樣品加熱至熱平衡溫度為1940.6℃；CO₂&LD輸入功率以50％比例混合對直徑2mm樣品加熱至熱平衡溫度為2314.3℃。圖中的水平線為Al₂O₃的熔點(2050℃)，可以看出，單獨CO₂激光器只能熔化2mm和3mm小球(對應(yīng)實驗結(jié)果⑦d＝2.06mm)；單獨LD激光器無法熔化任何直徑的小球(⑧-1，⑩-1，⑾-1)；CO₂&LD輸入功率以50％比例混合只能熔化2mm的小球(⑧-4，⑩-4)。因此，如果想涵蓋更廣的尺寸，不能單獨使用CO₂也不能單獨使用LD,需要尋求混合加熱模式,對其加熱能力進(jìn)行分析(⑩-3)。

以上的分析結(jié)果與以下的實驗結(jié)果(如表1)基本吻合，說明該分析模型正確。

表1實驗結(jié)果

(此處試驗條件：CO2激光器電光轉(zhuǎn)化效率為0.05，LD為0.5，總的輸入電功率為600W，表中激光器數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)化之后的光功率)

(2)激光器混合使用

若CO₂&LD輸入功率以一定比例混合，對不同直徑樣品加熱溫度曲線在CO₂單獨加熱和LD單獨加熱的曲線之間，對不同尺寸樣品，不同比例的混合加熱平衡溫度如圖2所示，可以看出CO₂激光器分配功率越高，得到的平衡溫度越高，樣品尺寸越小平衡溫度越高。

表2實驗結(jié)果

(此處試驗條件：CO2激光器電光轉(zhuǎn)化效率為0.05，LD為0.5，總的輸入電功率為600W，表中激光器數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)化之后的光功率)

2、熱平衡溫度隨吸收率變化

Al₂O₃樣品熔點約為2050℃(2323K)，根據(jù)以上分析，單獨以CO2激光器加熱只能熔化2～3mm之間的Al₂O₃樣品，而單獨用LD激光器加熱不能融化2～8mm之間任何尺寸的Al₂O₃樣品，以上結(jié)論是基于材料對激光的吸收率是一恒定的值為基礎(chǔ)，事實上，Al₂O₃樣品對LD激光束(980nm)的吸收率是隨溫度提高有明顯的變化的，如圖3所示(根據(jù)激光加工經(jīng)驗，1μm±50nm非金屬材料吸收率變化規(guī)律基本一致)，尤其是Al₂O₃樣品溫度高于1227℃(1500K)后，對LD激光器(980nm)吸收率隨溫度變化曲線斜率明顯增大，吸收率由0.18不斷攀升直至接近100％。此外，根據(jù)經(jīng)驗值A(chǔ)l₂O₃樣品處于低溫時，對LD激光器吸收率處于0.05～0.1之間。

這樣，對Al₂O₃樣品的加熱融化，可以利用其對LD激光束吸收率隨溫度上升而提高的規(guī)律，樣品溫度高于1227℃(1500K)后，提高LD激光器供給電功率，使得Al₂O₃樣品溫度進(jìn)一步升高直至熔點。這也就意味著在電功率向LD激光器轉(zhuǎn)移之前，必須將Al₂O₃樣品加熱至1227℃以上。以直徑2mm的Al₂O₃材料樣品為例，在不同比例的混合激光輻照下，按不同吸收率計算得到的樣品溫度如圖4所示。

對于不同混合比例的激光加熱，若平衡溫度達(dá)到1227℃(1500K)而其對應(yīng)吸收率低于0.18，則在這種混合比例加熱下樣品溫度按照吸收率0.18計算可以繼續(xù)提高；或者，對于吸收率0.18下，若一定混合比例激光加熱的平衡溫度超過1227℃(1500K)，也可認(rèn)為這種混合比例激光加熱方案利用上了吸收率隨溫度變化的規(guī)律，沿著圖4所示的斜率不斷增大的曲線將樣品加熱至融化溫度。在0.18吸收率下，樣品平衡溫度隨LD激光所占比例變化如圖5所示。從圖5可以看出當(dāng)樣品溫度突破1227℃(1500K)后，在給定吸收率下逐漸加大LD激光器分配能量可使得樣品平衡溫度進(jìn)一步提高。

若將電能供給600W全部轉(zhuǎn)移至LD激光器，那么按吸收率0.18計算，熱平衡溫度可至約1903℃，溫度依然低于Al₂O₃ 2050℃(2323K)熔點。由圖3可知，在1903℃，Al₂O₃材料對LD激光束(980nm)吸收率應(yīng)為0.66，那么以吸收率0.66計算，全部功率供給LD激光器，樣品平衡溫度可以達(dá)到2721.4℃，高于Al₂O₃熔點約700℃，可以認(rèn)為此時直徑2mm的Al₂O₃樣品已經(jīng)完全融化。

3、混合加熱方案

在總電功率有限條件下，單一波長激光器無法使得Al₂O₃樣品融化的情況，采取不同波長激光混合方案可以將材料加熱至熔點。但是，這個過程應(yīng)分為兩個階段：(1)將樣品加熱至吸收率隨溫度快速上升的溫度水平；(2)之后加大吸收率隨溫度上升的波長的激光器功率。

最理想的情形是，在(1)階段全部以CO₂激光器加熱，在(2)階段全部以LD激光器加熱。這是因為在(1)階段，激光器加熱系統(tǒng)可以產(chǎn)生40W但吸收率高達(dá)90％的10.6m激光束(全部能量供給CO₂激光器)；而對于LD(980nm)激光器，盡管產(chǎn)生激光束功率可達(dá)300W，但是吸收率低于10％，對樣品的加熱效果，CO₂激光器優(yōu)于LD激光器；在(2)階段，盡管吸收率依然不高，但注意到吸收率0.12時，300W的980nm激光束與40W的10.6m激光束對Al₂O₃樣品加熱效果是等效的，進(jìn)入吸收率0.18之上的吸收率隨溫度加速增大的溫度區(qū)間，LD激光器加熱效果大大優(yōu)于CO₂激光器。

在實際應(yīng)用中，若先關(guān)閉CO₂激光器而后開啟LD激光器中間的時間間隔足以導(dǎo)致樣品溫度有一定程度的下降，可能導(dǎo)致樣品溫度低于1500K，那么在總功率限定的情況下，可能采取的方式是在(1)階段，LD激光器以最低功率(100WLD出光閾值電功率約為10W)開啟，余下的全部電能供給CO₂激光器；在(2)階段提高LD激光器能量供給至最大，同時對CO₂激光器僅保留其出光閾值電功率。

4、可加熱樣品最大直徑

陶瓷Al₂O₃材料加熱采取雙波長混合加熱方式，(1)CO2激光器(10.6μm)加熱至1227℃(1500K)；(2)LD激光器加熱至點2050℃(2323K)。

Al₂O₃材料對10.6μm激光束吸收率約為0.9，發(fā)射率以0.8計算，得到直徑2mm～8mm球體Al₂O₃樣品熱平衡溫度如圖6所示，可以看到對于直徑小于3mm樣品，單獨CO₂激光器即可將其熔化；當(dāng)CO₂激光器將樣品溫度加熱到吸收率有明顯變化時的1227℃(1500K)時，其所對應(yīng)的樣品直徑為7.2mm。

溫度1227℃(1500K)的Al₂O₃材料對980nm激光進(jìn)入吸收率隨溫度增高迅速上升通道，以吸收率0.18計算，直徑7.2mm以下Al₂O₃材料以LD激光器單獨加熱至平衡溫度如圖7所示，可以看出在吸收率0.18下，直徑3.8mm樣品可以熔化，擴(kuò)展了可熔化樣品尺寸范圍。

對于直徑7.2mm樣品，溫度可達(dá)到1580℃，注意到在1580℃，Al₂O₃對980nm激光吸收率為0.37，在此吸收率下可以熔化的樣品直徑為6.45mm，使得可融化的樣品尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大。以此吸收率重新計算溫度曲線得到直徑為7.2mm的樣品新的溫度，這樣每得到更高的溫度，以更高溫度下的吸收率再次進(jìn)行溫度計算。迭代進(jìn)行至直徑7.2mm達(dá)到1980℃，吸收率達(dá)到0.48，以吸收率0.48計算得到溫度達(dá)到2297℃，已超過樣品的熔點2050℃。在此吸收率下計算溫度達(dá)到熔點2050℃下的樣品直徑為16.65mm。

計算方法：先用CO₂激光器將材料加熱到1227℃，此溫度的CO₂激光器可加熱的材料的最大尺寸為7.2mm。此溫度時材料對LD激光器的吸收率為0.18，按此吸收率計算，用LD激光器可將3.8mm樣品融化掉，直徑為7.2mm的樣品的足最大溫度為1580℃，由于融化過程中溫度在升高，吸收率也會升高，在1580℃材料對LD激光器的吸收率為0.37，在此吸收率下，計算材料可融化的樣品直徑為6.45mm，以此吸收率重新計算溫度曲線得到直徑為7.2mm的樣品新的溫度，這樣每得到更高的溫度，以更高溫度下的吸收率再次進(jìn)行溫度計算。迭代進(jìn)行至直徑7.2mm達(dá)到1980℃，吸收率達(dá)到0.48，以吸收率0.48計算得到溫度達(dá)到2297℃，已超過樣品的熔點2050℃。在此吸收率下計算溫度達(dá)到熔點2050℃下的樣品直徑為16.65mm。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語僅僅是為了方便說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制。