科学激光的时间和光谱轮廓对钛焊接质量的影响( 四 ) 纳米

▲图8使用光电二极管和示波器测量的激光的时间分布

▲图9手动调制后IPG1083激光器的时间分布。细红线代表预配置的时间分布设计形状，黑色曲线表示由示波器测量的光电二极管的有效输出
▲图10钛板上激光光斑的光学显微镜图像(a)和(c) ，以及IPG1083激光器在有和没有手动调制时间分布的情况下的羽流发射高速图像的时间演变(b)和(d)3.4激光光谱分布的影响由于光纤激光器已广泛应用于激光制造，我们只对IPG激光器进行了深入分析。此外，仅在IPG激光器中才能观察到激光光斑周围的深色。 IPG1064、IPG1070和IPG1083的光谱分布如图11所示，由实线(左Y轴)表示。符号(■)和(⊕)分别代表中性原子(Ti I)和单电离(Ti II)钛跃迁在相应跃迁波长下的低能级(右Y轴)的能量。由(↓)标记的红色符号(■)表示Ti I在1064.64nm处的低能级能量。有关Ti I和Ti II跃迁的信息来自NIST 。 IPG1064光谱分布的半最大值全宽(FWHM)约为0.43±0.01nm ，而IPG1070和IPG1083激光器的半最大值全宽分别为3.75±0.02和1.35±0.02nm 。 Ti II跃迁波长也与IPG1070激光器的光谱分布部分重叠。需要注意的是，跃迁波长对应于跃迁发生的Ti I或Ti II的高能级和低能级之间的能量差。从图4可以明显看出，羽流是在激光脉冲期间产生的。由于IPG1070和IPG1083激光器的光谱分布与不同的Ti I和/或Ti II跃迁波长重叠，羽流中存在的中性和/或电离钛原子会重新吸收激光脉冲并变热。羽流物质对激光脉冲的再吸收会导致羽流膨胀减少和羽流亮度增加，如图4(c)和(d)所示。在Ti I跃迁附近的1064.64nm处具有3.708 eV的较低能级能量，可能与IPG1064激光相互作用，在涡流下方的羽流下部产生中等的亮度，如图4(b)所示。为了验证羽流物质对激光脉冲的再吸收过程，进行了一项单独的实验，其中Nd:YAG激光聚焦在钛板上以产生羽流， IPG1070激光穿过羽流。图12显示了在0.946ms时记录的羽流发射的相应高速图像。 IPG1070激光通过的羽流部分看起来很亮。这表明羽流的成分吸收了IPG1070激光。通过光学发射光谱进一步研究羽流发射特性，以了解IPG1070和IPG1083激光器羽流的明亮外观。
▲图11由实线表示的IPG1064、IPG1070和IPG1083激光器的光谱分布。符号(■)和(⊕)分别代表相应跃迁波长下Ti I和Ti II电子跃迁的较低能级能量。由(↓)标记的红色符号(■)表示Ti I在1064.64nm处的较低能级能量

▲图12 由Nd:YAG激光器从钛板上在0.946ms时产生的羽流发射的高速图像，其中IPG1070激光穿过羽流3.5光学发射光谱通过将钛板表面附近直径约0.5mm的羽流与高分辨率光谱仪耦合来进行发射光谱实验。记录了由IPG1064、IPG1070和IPG1083激光器在不同积分时间下产生的羽流发射的光发射光谱。图13显示了IPG1083激光器在1.5ms积分时间内在475-535nm的光谱区域中产生的羽流的光学发射光谱，作为所有激光器和积分时间的代表。光谱主要由Ti I跃迁引起的发射支配。 Ti I跃迁发生在484.1nm[3d2(1D)4s4p(1P0)y1D02→3d24s2a1D2
485.6nm[3d3(2H)4pz3I07→3d3(2H)4sa3H6
488.5nm[3d3(2G)4py3H06→3d3(2G)4sa3G5
491.4nm[3d3(2G)4py3H04→3d3(2G)4sa3G3
506.5nm[3d2(3F)4s4p(3P0)z3D03→3d24s2a3F4
517.3nm[3d2(3F)4s4p(3P0)z3F02→3d24s2a3F2
和519.3nm[3d2(3F)4s4p(3P0)z3F03→3d24s2a3F3
在局部热力学平衡(LTE)的假设下，被认为是通过使用Boltzmann图方法来确定羽流温度：
(1)其中C为常数， Iki为波长λki处的发射线强度， gkAki为上能级k的统计权重和跃迁概率的乘积， Ek为上能级k的能量， kB为Boltzmann常数。利用上述Ti I发射线的光谱响应得到的Ek和之间的斜率()给出了T值。等式(1)中使用的不同参数值取自NIST 。图14显示了IPG1083激光器在积分时间为1.5ms时的Boltzmann图，其中实线是对R2>0.99的数据点的线性拟合，从而使T值为5600±200K 。同样，在积分时间为1.5ms时， IPG1064和IPG1070的T为5000±250和9100±500K 。图15显示了激光器IPG1064、IPG1070和IPG1083在不同积分时间下的羽流温度。发现羽流温度随着积分时间的增加而增加，并且在足够高的积分时间以上表现出饱和。羽流温度的这种上升行为表明激光脉冲的初始部分产生羽流，而激光脉冲的剩余部分被升高温度的羽流吸收。此外，对于所有积分时间，发现IPG1064的羽流温度较低， IPG1083处于中间状态， IPG1070的羽流温度较高，这表明激光光斑周围暗色的增加顺序相同。激光光斑周围颜色变深的主要原因是羽流中存在的物质对激光束的吸收。羽流中的主要成分是中性钛原子，从图13所示的光发射光谱中可以看出这一点。
▲图13IPG1083激光器在1.5ms积分时间内在475-535nm的光谱区域中产生的羽流的光学发射光谱

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