一种基于多通道激光的温场定向调控装置 |
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| 申请号 | CN202410016984.6 | 申请日 | 2024-01-04 | 公开(公告)号 | CN117904424A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 杨晶; | 发明人 | 杨晶; 金忠利; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种基于多通道激光的温场定向调控装置，用于对条带形材料加热，包括用于输出条形光斑的激光发射单元、用于对聚焦点上激光的光斑形状和光强均匀性调控的整形模 块 ，以及激光加热腔和用于给激光加热腔内提供保护气氛的气体保护模块；激光发射单元的底部设有整形模块以构成激 光源 ，多个激光源并列布置在多通道激光底座上形成多通道激光结构，多通道激光结构密封架设在激光加热腔的顶部端口，且激光发生端正对激光加热腔的内部，激光加热腔两端的端口均设有用于驱动条带形材料通过激光加热腔的多通道运动控 制模 块。本发明的激光加热装置采用多路进、多路出的设计，中间共用一段充有保护气体的腔体，可实现多路并行加热，提高加热效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于多通道激光的温场定向调控装置，其特征在于，用于对条带形材料(7)加热，包括用于输出条形光斑的激光发射单元(1)、用于对聚焦点上激光的光斑形状和光强均匀性调控的整形模块(2)，以及激光加热腔(4)和用于给激光加热腔(4)内提供保护气氛的气体保护模块(6)； |
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| 说明书全文 | 一种基于多通道激光的温场定向调控装置技术领域背景技术[0003] 激光加热是利用高能激光脉冲照射物体表面，使物体被照射区域产生热量，通过物体对激光的吸收实现热量从物体表面向内部传递以实现加热，具有快速、定向、可聚焦等加热特点，可成为对材料加热处理的技术之一。目前市面上已出现适用于单束激光对微小薄膜样品的逐点加热，大多采用点光源或者点光源阵进行加热，因此对条带形材料加热的效率低，特别是针对批量加热材料，则更需要耗费大量时间。 发明内容[0004] 本发明为了解决上述技术问题提供一种基于多通道激光的温场定向调控装置，采用多路进、多路出的设计实现多路并行加热，同时采用面光源或线光源的加热方式来提高加热效率。 [0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0006] 一种基于多通道激光的温场定向调控装置，用于对条带形材料加热，包括用于输出条形光斑的激光发射单元、用于对聚焦点上激光的光斑形状和光强均匀性调控的整形模块，以及激光加热腔和用于给激光加热腔内提供保护气氛的气体保护模块； [0007] 激光发射单元的底部设有整形模块以构成激光源，多个激光源并列布置在多通道激光底座上形成多通道激光结构，多通道激光结构密封架设在激光加热腔的顶部端口，且激光发生端正对激光加热腔的内部，激光加热腔两端的端口均设有用于驱动条带形材料通过激光加热腔的多通道运动控制模块； [0008] 激光加热腔还装配有温度监测控制模块，包括多波段光谱成像模块和激光驱动电流控制模块，多波段光谱成像模块设于激光加热腔内且连接时序控制模块，时序控制模块分别连接多通道运动控制模块和激光驱动电流控制模块，激光驱动电流控制模块连接多通道激光结构上的多个激光发射单元，实现实时调节激光功率和运动速度，以实现对目标对象的精确温度控制。 [0009] 优选的，激光发射单元的运转体制为准连续运转，通过时序控制模块控制输出激光的脉宽和占空比，占空比不超过10％。 [0010] 优选的，激光发射单元输出的激光为沿条带形材料行进方向的条形光斑，由单个激光源或激光源的线性叠阵构成。 [0012] 优选的，激光加热腔4两端的端口为扁平端口。 [0014] 优选的，多通道运动控制模块具有多个运动控制单元，包括位于扁平进出通道的多个用电机控制的卷轴，条带形材料贯穿激光加热腔的内部并同时紧贴在两个多通道运动控制模块相对应的卷轴上。 [0015] 优选的，气体保护模块包括气体供应系统和设于激光加热腔内的气压控制模块，所述气压控制模块通过时序控制模块连接气体供应系统。 [0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0018] 图1是本发明的整体结构示意图； [0019] 图2是本发明的原理及控制框图。 [0020] 附图标识：1、激光发射单元，2、整形模块，3、多通道激光底座，4、激光加热腔，5、多通道运动控制模块，6、气体保护模块，7、条带形材料。 具体实施方式[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。 [0022] 本发明中条带形材料7定义为条带形的被加热物体。 [0023] 如图1‑2所示的一种基于多通道激光的温场定向调控装置，用于对条带形材料7进行定向的热处理加热，并进行严格的温度控制，包括用于输出条形光斑的激光发射单元1、用于对聚焦点上激光的光斑形状和光强均匀性调控的整形模块2，以及激光加热腔4和用于给激光加热腔4内提供保护气氛的气体保护模块6，激光发射单元1运行时输出条形光斑，输出的条形光斑通过整形模块2调整形状和光强后均匀的照射在条带形材料7以实现加热，在条带形材料7加热时，气体保护模块6用于提供保护气氛，以防止条带形材料7在加热过程中受到环境污染和损害。 [0024] 具体的，激光发射单元1的底部设有整形模块2以构成激光源，多个激光源并列布置在多通道激光底座3上形成多通道激光结构，多通道激光结构密封架设在激光加热腔4的顶部端口，且激光发生端正对激光加热腔4的内部，激光加热腔4两端的端口均设有用于驱动条带形材料7通过激光加热腔4的多通道运动控制模块5，实施时，通过注气口41向激光加热腔4内部充入保护气体，多通道运动控制模块5运行时使条带形材料7通过激光加热腔4，在条带形材料7通过激光加热腔4激光加热腔4时，多通道激光结构发生一束条形激光照射在条带形材料7上以实现加热，具体的，条形激光的长度方向与被加热的条带形材料7移动方向保持一致，条形激光的宽度方向略宽于条带形材料7的宽度，到靶具有长宽比不小于5:2 1的特征，其功率密度不低于100W/cm；激光发射单元1的运转体制为准连续运转，通过时序控制模块8控制输出激光的脉宽和占空比，占空比不超过10％，即50W平均功率的激光发射单元1对应的峰功率需达到或超过500W，以实现对条带形材料上温度的精密控制，既能达到特定的温度范围，同时还可控制激光的能量累积以防止条带形材料7不被烧坏，具体实施时对光源时序没有特定要求，可以采用连续或脉冲的方式进行加热，无论是毫秒级、微秒级还是纳秒级，都可以适用于本发明的激光加热装置。 [0025] 上述激光发射单元1输出的激光为沿条带形材料7行进方向的条形光斑，由单个激光源或激光源的线性叠阵构成，其中激光源可以是固态激光源Solid‑statelaser)、光纤激光(FiberLaser)或者半导体激光LD中的一种。 [0026] 上述激光加热腔4的宽高比不小于3:1，两端的端口为扁平端口。 [0027] 上述的激光加热腔4还装配有温度监测控制模块，包括多波段光谱成像模块和激光驱动电流控制模块，多波段光谱成像模块设于激光加热腔4内且连接时序控制模块，时序控制模块分别连接多通道运动控制模块5和激光驱动电流控制模块，激光驱动电流控制模块连接多通道激光结构上的多个激光发射单元1，多波段光谱成像模块用于对条带形材料7表面温度进行成像，并完成对其表面温度的分阶段监测，其温区范围从20摄氏度扩展到3000摄氏度左右，对应的中心波长由中波红外10.6μm拓展到近红外0.88μm附近，不同的温区对应的黑体辐射中心波长，对温度进行实时动态监测并反馈给时序控制模块，时序控制模块通过激光驱动电流控制模块实时调整激光发射单元1的激光功率完成升温速率的实时控制，与此同时时序控制模块还通过调节多通道运动控制模块5驱动条带形材料7的移动速度来辅助实现对条带形材料7的精确温度控制。 [0028] 上述整形模块2包括聚焦元件与匀化元件，均由透射柱面镜或反射式的柱面镜和石英匀化波导组合而成，通过特定物像关系的设定，将激光进行光斑大小的整形并保证光场强度分布的均匀性。 [0029] 上述多通道运动控制模块5具有多个运动控制单元，包括位于扁平进出通道的多个用电机控制的卷轴，条带形材料7贯穿激光加热腔4的内部并同时紧贴在两个多通道运动控制模块5相对应的卷轴上，实施时，相对应的两个卷轴中，其中一个带动条带形材料7进入激光加热腔4，另一个带动条带形材料7排出激光加热腔4，且两个卷轴的转动速度一致，以此实现对条带形材料7的水平移动，实现在激光加热腔内控制条带形材料7的稳定运动。 [0030] 上述气体保护模块6包括气体供应系统和设于激光加热腔4内的气压控制模块，气压控制模块通过时序控制模块连接气体供应系统，气压控制模块实时监测激光加热腔4内的气压信息斌反馈给时序控制模块，时序控制模块通过控制气体供应系统向激光加热腔4内注入和排放气体的量来实现控制激光加热腔4内的气压大小的目的，规避在高温下条带形材料7与空气中的氧气、氮气等发生相互作用。 [0031] 本发明所公开的激光加热装置在光源分布方面与传统点光源不同，采用线光源和面光源，从而实现更好的加热定向效果，相比传统点光源，这种改变使得加热效果更好；针对被加热物体的特点，本发明的激光加热装置适用于条带结构的物体，其厚度较薄且不超过1毫米，以确保充分的加热效果和均匀性；在可同时加热的路数方面，本发明强调多路并行加热，使得装置能够同时加热多条丝束，提高加热效率；在整体加热结构方面，本发明的激光加热装置采用多路进、多路出的设计，中间共用一段充有保护气体的腔体，为了最大程度地节省空间并确保温场的稳定性，腔体采用扁平化结构设计，这种结构高度低、紧凑，不仅能够节能，还能使得加热效果更好。 [0032] 综上所述，本发明的激光加热装置通过采用线光源和面光源、多路并行加热、激光加热腔扁平化设计的技术手段，实现了更好的加热效果、加热定向、加热均匀性和加热效率，从而在现有技术中具备显著的优势。 [0033] 多条带并行激光加热装置的设计有助于提高加热效率和精度，适用于许多不同的应用场景，以下是一些可能的应用前景： |
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