18. Поглощательная способность материалов, ее изменение в зависимости от параметров лазерной обработки, способы и устройства ее измерения.

Способы измерения поглощательной способности материалов

Для оценки поглощающей способности применяются способы, базирующиеся на измерении энергии поглощенного излучения, а также способы, базирующиеся на измерении отраженного ЛИ. Самым простым способом измерения поглощенной энергии является калориметрический.

Образец нагревается ЛИ мощностью Р в течении времени t. Измеряя температуру жидкости в которую помещается образец после облучения, ее теплоемкость и ее массу можно определить количество энергии поглощенной образцом. Ее отношение к энергии падающего излучения является поглощающей способностью. Если требуется точное определение, то для этого надо знать теплоемкость калориметра, массу сосуда и температуру сосуда. Несмотря на простоту, способ достаточно точен и его можно применять для калибровки приборов с относительной схемой измерения.

Измерение отраженного излучения с помощью системы термопар или переотражением отраженного излучения с помощью зеркальной пластины являются простыми способами, но имеют недостаточную точность в виду того, что поверхности изменяют свои оптические свойства.

Способ измерения поглощающей способности калориметрической полусферой

Устройство в виде полусферы с центральным отверстием крепится на фокусирующей системе и устанавливается над облучаемой поверхностью. Полусфера состоит из материала с высокой теплопроводностью (медь, алюминий). Полость между полусферами заполняется воздухом (большие мощности излучения), спирт+вода (средние мощности), спирт (малые мощности).

Нижняя полусфера имеет поглощающее покрытие. Для исключения теплообмена с окружающей средой на наружную полусферу нанесено теплоизолирующее покрытие. ЛИ, отраженное от облученной поверхности поглощается нижней полусферой и нагревает среду полости. Датчик давления (например, ДД6 с электрическим выходом) измеряет изменение давления как на этапе нагрева так и на этапе охлаждения. Осциллограмма изменения напряжения на выходе датчика от времени имеет три характерных участка:

1. нагрев полусферы

2. охлаждение полусферы нижней

3. охлаждение полусферы со средой

Точка пересечения касательных ко второму и третьему участку соответствует напряжению пропорциональному давлению среды, пропорциональному температуре среды и пропорциональному количеству поглощенной энергии.

По тарированному графику который получают облучением полусферы пучком известной мощности в течении определенного диапазона времени, определяют энергию поглощенного излучения, а значит и поглощательную способность поверхности.

Устройство позволяет с высоким быстродействием (постоянная времени τ ≈ 10^-2 с) определять поглощательную способность поверхности в различные моменты времени при различных режимах обработки. Кроме этого устройство может быть применено в качестве датчика обратной связи для системы стабилизации температуры облучаемой поверхности.

Значительно более эффективным является устройство – пироэлектрическая полусфера.

Пироэлектрическая полусфера

Главной особенностью пироэлектрического приемника является большое быстродействие (постоянная времени τ = 10^-5…10^-6 с), что позволяет применять данную систему для управления процессом лазерной ПО со стабилизацией температуры поверхности в реальном масштабе времени. Основным элементом устройства является пироэлектрическая полусфера, в центральном отверстии которой располагается зеркальный медный конус с отверстием. Резьбовое соединение позволяет изменять положение отверстия конуса относительно облучаемой поверхности. Полусфера размещена в водоохлаждаемом корпусе. Наружная и внутренняя пленка полусферы из Ni с помощью специальных электродов выведена из корпуса и подключена к измерительному блоку или компьютеру. Измерительный блок определяет скорость изменения температуры, облучаемой отраженным излучением поверхности, а значит и интегральное значение энергии отраженного излучения и определяет текущее значение поглощающей способности (динамику ее изменения).

Для научных исследований этот прибор может быть усовершенствован путем разделения наружной пленки никеля на отдельные участки электрический изолированные друг от друга. Такая схема позволяет оценивать пространственную диаграмму распределения отраженного излучения.

Устройство позволяет оценивать соотношение зеркально-отраженной и дифузно-рассеяной компонент.