[发明专利]一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法

说明书

本发明涉及一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法，其解决了现有技术中存在的因金属熔池表面形貌存在起伏，探测光的反射分布在较大空间角度内，探测光的有效信息受辐照激光、热辐射干扰而不能对金属熔池激光吸收率分布进行准确测量的问题。本发明利用椭球反射面共轭汇聚特性，即从一个焦点发出的光经内壁反射后汇聚至另一个焦点上，通过椭球反射器向金属试样同时射入辐照加热激光和探测激光，探测激光经分束镜分束，再分束后的光线利用两个相机同时进行数据采集并计算得到激光吸收率，其中干扰光线均被成像组件过滤以提高数据的准确性。

技术领域

本发明属于物理测量方法技术领域，涉及一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法。

背景技术

由于金属材料在国防工业中广泛使用，高能激光对金属材料的辐照破坏效应研究受到了国防科研人员的重视。高能激光与金属材料间的能量耦合率，是高能激光发挥作用的重要因素。对某些金属结构部件而言，高能激光的辐照使其表面熔融形成金属熔池。在大气环境等富氧环境中，熔池表面的金属很容易被氧化，生长出氧化膜层。由于液态金属的流动容易使氧化膜破裂，金属熔池表面将持续氧化膜生长、破碎的过程，使金属熔池表面的激光吸收特性发生复杂的变化，熔池表面对激光的吸收率不再是均匀的，而是存在着分布特性。

由于需要引入高能激光，且金属熔池表面温度很高，熔池具有流动性，熔池表面形貌存在起伏，对探测光的反射分布在较大空间角度内，探测光与辐照光、热辐射等混杂在一起，时探测光的有效信息别干扰，所以现有的激光吸收率在线测量方法已不再适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统和方法，解决了现有技术中存在的因金属熔池表面形貌存在起伏，探测光的反射分布在较大空间角度内，探测光的有效信息受辐照激光、热辐射干扰而不能对金属熔池激光吸收率分布进行准确测量的问题。

本发明的基本原理是：利用椭球反射面共轭汇聚特性，即从一个焦点发出的光经内壁反射后汇聚至另一个焦点上，通过椭球反射器向金属试样同时射入辐照加热激光和探测激光，探测激光经分束镜分束，再分束后的光线利用两个相机同时进行数据采集并计算得到激光吸收率，其中干扰光线(辐照加热激光以及金属试样加热后的热辐射光)均被成像组件过滤以提高数据的准确性。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种金属熔池激光吸收率分布在线测量系统，包括椭球反射器、辐照激光器、探测激光器、分束镜、第一相机、成像组件、第二相机以及数据采集与控制系统；

其中，所述椭球反射器的内壁镀有均匀且反射率高的膜层；

所述椭球反射器的两个焦点处分别开设第一通孔和第二通孔，在第一通孔处放置金属试样，在第二通孔的下方依次放置成像组件和第二相机，成像组件用于过滤干扰光线并将金属试样表面目标区成像至第二相机，第二相机用于对带有金属试样熔池区吸收特征的探测激光光斑分布进行测量；

由所述探测激光器发出的探测激光，探测激光经45°角放置的分束镜分成一束透射光和一束反射光，在所述反射光的光路上放置第一相机，用于对反射光光斑分布进行监测；所述透射光射入椭球反射器后经金属试样、椭球反射器内壁反射后，汇聚至第二通孔，再经过成像组件后被第二相机接收；

由所述辐照激光器发出的辐射激光射入椭球反射器后一部分对金属试样进行加热形成金属熔池，金属试样产生热辐射光被椭球反射器内壁反射后，汇聚至第二通孔进而被成像组件过滤，另一部分经金属试样、椭球反射器内壁反射后，也汇聚至第二通孔进而被成像组件过滤；

所述第一相机、第二相机均与数据采集与控制系统连接。

优选的，所述成像组件包括沿透射光光路方向依次设置的第一聚光透镜、第二聚光透镜以及窄带带通滤波片；所述第一聚光透镜和第二聚光透镜具有公共焦平面；所述窄带带通滤波片位于所述公共焦平面上。