[發明專利]一種激光加熱懸浮小球的方法及能量分布計算方法

有效

• 申請號: 201610605215.5
• 申請日: 2016-07-28
• 公開（公告）號: CN107627024B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 宋偉;余建定;彭小娜;楊莉萍;之佳運;陶冶
• 申請（專利權）人: 長沙天儀空間科技研究院有限公司;中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00
• 代理公司: 北京市振邦律師事務所 11389
• 代理人: 汪妍瑜

1.一種激光加熱懸浮小球的能量分布計算方法，將懸浮小球置于正多面體的中心，多個激光源布置于正多面體的角點進行加熱，將每束激光在小球表面的分布進行網格劃分，即按等距分為多個圓環，每一圓環對應的弦心角90°/環數，然后根據激光束能量、激光束直徑、小球直徑、圓環的面積和吸收率可計算出任一圓環吸收的能量，進而可以算得小球表面的能量分布，其特征在于：對于每一束激光都有一個通過球心的圓面與其垂直，且激光能量在該圓面上是均勻分布的，其能量密度為：

其中I為單束激光的能量，R為激光束的半徑；

將照射到球面上的激光進行切向和法向的分解，則法向能量密度：

n＝m sinθ

其中θ為激光束與球面接觸點切線的夾角；

球面圓環對應的面積：

ds＝2πr²cosθdθ

其中r為小球的半徑，

假設小球材料的吸收率為α，則每一微圓環表面吸收的能量為：

n×α×ds

這樣對于弦心角從θ₁變化到θ₂的球面圓環來說，其面積為：

s＝2πr²(sinθ₂-sinθ₁)

其吸收的能量為：

將每一圓環上吸收的單束激光的能量在圓環面積上進行平均分配，為：

然后將球面上同一區域不同激光束在此的能量密度進行加和，即可得到所有激光束在此的總的能量密度分布。

2.根據權利要求1所述的能量分布計算方法，其特征在于：所述激光源的直徑相同，且大于等于小球的直徑。

3.根據權利要求2所述的能量分布計算方法，其特征在于：激光直徑大于小球直徑0.2mm。

4.一種激光加熱懸浮小球的能量分布計算方法，將懸浮小球置于正多面體的中心，多個激光源布置于正多面體的角點進行加熱，將每束激光在小球表面的分布進行網格劃分，即按等距分為多個圓環，每一圓環對應的弦心角90°/環數，然后根據激光束能量、激光束直徑、小球直徑、圓環的面積和吸收率可計算出任一圓環吸收的能量，進而可以算得小球表面的能量分布，其特征在于：對于每一束激光都有一個通過球心的圓面與其垂直，且激光能量在該圓面上是均勻分布的，其能量密度為：

其中I為單束激光的能量，r為小球的半徑，r+0.1為激光束的半徑；

將照射到球面上的激光進行切向和法向的分解，則法向能量密度：

n＝m sinθ

其中θ為激光束與球面接觸點切線的夾角；

球面圓環對應的面積：

ds＝2πr²cosθdθ

假設小球材料的吸收率為α，則每一微圓環表面吸收的能量為：

n×α×ds

這樣對于弦心角從θ₁變化到θ₂的球面圓環來說，其面積為：

s＝2πr²(sinθ₂-sinθ₁)

其吸收的能量為：

將每一圓環上吸收的單束激光的能量在圓環面積上進行平均分配，為：

然后將球面上同一區域不同激光束在此的能量密度進行加和，即可得到所有激光束在此的總的能量密度分布。

5.根據權利要求4所述的能量分布計算方法，其特征在于：所述激光源的直徑相同。

6.根據權利要求1或4所述的能量分布計算方法，其特征在于：所述圓環為10個。

7.根據權利要求1或4所述的能量分布計算方法，其特征在于：所述激光源的輸出功率相同。

8.根據權利要求1或4所述的能量分布計算方法，其特征在于：所述的小球的形狀為圓球形。

9.根據權利要求1或4所述的能量分布計算方法，其特征在于：所述的正多面體為正四面、正六面、正八面、正十二面或正二十面體。