[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

本發明涉及一種激光加熱懸浮小球的方法及能量分布計算方法，其特征在于：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，多束激光通過發射相同功率的激光對小球進行加熱，直至小球融化。

技術領域

本發明涉及一種利用激光加熱的方法，尤其涉及一種利用激光加熱懸浮樣品以獲得溫度均勻分布的一種方法以及一種激光加熱懸浮小球的能量分布計算方法。

背景技術

空間材料科學，作為空間科學與應用領域中的重要分支，是傳統的材料科學向空間環境下的延伸，是發展材料科學新理論、探索材料制備工藝和拓展材料應用新領域中最活躍的前沿性交叉學科之一。空間具有微重力、超真空、無容器和強輻射等特殊效應，是研究材料熔融、凝固等的理想試驗條件。但是，人們迄今所能利用的空間資源仍然十分有限。因此，模擬空間環境中各種效應的地面方法應用而生。懸浮技術就是其中之一，它可以模擬空間環境中的無容器狀態。在懸浮技術中，通過對懸浮的材料進行激光加熱是使材料獲得熔融狀態的最有效的途徑。

研究發現，在對懸浮材料進行熔融加工的過程中，使材料獲得均勻的溫度分布是進行精確的材料研究的前提條件之一。然后現有技術中并沒有很好的方法能夠使得材料獲得均勻溫度。本發明目的在于通過一種新的激光加熱方法加熱懸浮材料以使小球表面獲得均勻的溫度分布。

發明內容

本發明是鑒于上述的情況，提供一種能解決上述問題的激光加熱方法，具體而言本發明提供一種一種激光加熱懸浮小球的方法，其特征在于：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。

進一步地，其特征在于：所述激光源的輸出功率相同。

進一步地，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。

進一步地，其特征在于：所述的小球的形狀為圓球形。

進一步地，其特征在于：其特征在于所述的正多面體為正四面體。

進一步地，其特征在于：其特征在于所述的正多面體為正六面、正八面、正十二面或正二十面體。

本發明還提供一種一種激光加熱懸浮小球的能量分布計算方法，其采用上面任一方案所述激光加熱懸浮小球的方法加熱，其特征在于，所述計算步驟為：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，例如分為10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。

進一步地，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＝msinθ

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：

然后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：