宋義知，何　利，周繼鵬, 常偊舶

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159)

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激光在弱酸性電解液中傳輸特性的研究

宋義知，何利，周繼鵬, 常偊舶

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159)

基于電解液中激光吸收、散射特性的分析，對532 nm綠光、1 064 nm紅外激光，在不同濃度、溫度、流速的動(dòng)態(tài)弱酸性電解液中能量衰減規(guī)律進(jìn)行研究.結(jié)果顯示：激光在分析純鹽電解液中傳輸?shù)哪芰克p量低于在工業(yè)鹽電解液中能量的衰減量，并且與純水中傳輸?shù)哪芰繐p失相近；溫度及電解液流速對激光能量衰減的影響不大；綠光激光在弱酸性電解液中能量衰減以散射為主，而紅外激光在其中傳輸時(shí)能量損失以吸收為主.

激光能量； 動(dòng)態(tài)電解液；能量衰減；電解液濃度；電解液溫度；電解液流速

激光于20世紀(jì)60年代問世，現(xiàn)已成為廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、信息處理等領(lǐng)域的通用技術(shù)，對促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高生產(chǎn)率，形成新的產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮了很大的作用.激光的高度單色性和瞬時(shí)性、良好的相干性和方向性以及高亮度特性，使得其具有其他加工方法不具備的可貴優(yōu)勢.隨著世界制造業(yè)的高端化發(fā)展，圍繞激光的復(fù)合加工方法也得到了發(fā)展.國外學(xué)者對激光的水下傳輸特性進(jìn)行了相關(guān)研究，并得到了純水對不同波長激光的吸收光譜[1-5].在電解液流體輔助激光的實(shí)際加工過程中，激光在含有一定溶質(zhì)、雜質(zhì)、膠體及懸浮顆粒等不溶物的電解液中傳輸，不同性質(zhì)的電解液對激光的傳輸特性會產(chǎn)生很大的影響.因此，研究激光在酸性電解液中傳輸?shù)奶匦?，對于激光的工程?yīng)用具有重要的意義.這里主要對激光在酸性電解液傳輸過程中能量的衰減規(guī)律進(jìn)行研究.

1　激光在弱酸性電解液中傳輸特性的分析

在激光加工過程中，激光熱效應(yīng)對工件的加工效果有著至關(guān)重要的作用，熱效應(yīng)與加工過程中激光能量密度的變化密切相關(guān).電解液流體輔助激光加工與傳統(tǒng)的空氣中激光加工不同，激光傳輸?shù)慕橘|(zhì)由空氣轉(zhuǎn)換為電解液.激光在不同性質(zhì)電解液中傳輸?shù)哪芰克p性研究，對提高電解液流體輔助激光加工的加工效率有重要的指導(dǎo)意義.基于電解液流體輔助激光加工機(jī)制分析，可得到圖1所示激光加工過程的能量衰減模型.

激光在電解液中傳輸時(shí)，由激光散射、吸收導(dǎo)致的能量損失占總能量損失的絕大部分.研究激光在電解液中吸收及電解液中雜質(zhì)對激光的散射理論，將為激光在弱酸性電解液中傳輸特性的實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ).

圖1　激光在電解液流體輔助激光加工中能量的衰減模型

1.1電解液對激光的吸收

激光是具有同一波長的單色光，是相同能量光子所組成的光束.當(dāng)激光照射到物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)對激光吸收的基本粒子是分子.其吸收原理可由量子理論來解釋，即分子外層的電子受到激光輻射時(shí)，吸收能量發(fā)生電能級躍遷[6].輻射與物質(zhì)的相互作用包括3種，即受激吸收、自發(fā)輻射及受激輻射(圖2).

光的波粒二象性影響著物質(zhì)對光的吸收作用.光的波粒二象性包括光在傳播過程中的波動(dòng)性和光受物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)的粒子性[7].其中，表現(xiàn)粒子特性的動(dòng)能E與動(dòng)量P分別為：

E=hv

(1)

P=hK

(2)

c=λν

(3)

式中，c為光速.

圖2　輻射與激光的相互作用

引入普朗克常量之后，把表現(xiàn)波動(dòng)性的波長、頻率與表現(xiàn)粒子性的能量、動(dòng)能聯(lián)系在了一起.光子的能量與波長成反比.不同波長的激光在吸收上具有選擇性，導(dǎo)致不同波長的激光在相同溶質(zhì)的電解液中吸收特性有很大區(qū)別.

電解液厚度及電解液中吸收光的物質(zhì)濃度與電解液對光的吸收程度有關(guān).朗伯(Lambert)研究了溶液液體層厚度與光吸收之間的定量關(guān)系.朗伯定律指出，單一波長的一束光照射到一定濃度的均勻溶液中，隨著液體層厚度的增加，溶液對光的吸收程度越來越大[8].

比爾(Beer)研究了溶液濃度與光吸收之間的關(guān)系，并提出了比爾定律，描述了隨著溶液濃度增加，光的吸收程度不斷增大[8].

當(dāng)同時(shí)考慮溶液濃度和厚度對光吸收的影響時(shí)，可以將朗伯定律和比爾定律合并起來，那么朗伯比爾定律可表示為：

Q(λ)=Q0(λ)exp[-(βx+φAC·ΔC)·x]

(4)

式中：Q(λ)為激光在濃度改變ΔC并透射x距離后的光照強(qiáng)度；Q0(λ)為初射入的光照強(qiáng)度；φAC為濃度影響因子，βx為朗伯吸收系數(shù).

朗伯吸收系數(shù)與純水的復(fù)數(shù)折射率有關(guān)[9].純水實(shí)際折射率的復(fù)數(shù)形式為:

m(λ)=n(λ)-ig(λ)

(5)

式(5)中虛部ig(λ)與吸收系數(shù)βx的關(guān)系為：

(6)

1.2電解液對激光的散射

瑞利散射指任意一種頻率的光投射到線度小于光波波長的微粒上時(shí)，微粒向各個(gè)不同方向發(fā)出相同頻率次波的一種光散射過程.瑞利散射的特性有3點(diǎn)：①發(fā)生瑞利散射前后光波頻率不發(fā)生改變；②散射光的強(qiáng)度與入射光波的波長的4次方成正比，隨著激光波長增加瑞利散射逐漸變?nèi)酰虎凵⑸涔鈴?qiáng)度與入射方向有關(guān)，散射光強(qiáng)度正比于(1+cosθ),θ是散射光和入射光之間的夾角.

英國物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)于1891年從理論上得到了瑞利散射光強(qiáng)度與粒子大小、粒子相對折射率和入射光波波長的函數(shù)關(guān)系[11]，即：

散射效率因子為：

(7)

吸收效率因子為：

(8)

消光效率因子為：

Qre=Qrs+Qra

(9)

式中：k表示分散相折射率與分散介質(zhì)折射率的比值；lm和Re分別表示虛部和實(shí)部.

1908年，德國物理學(xué)家古斯塔夫·米(G Mie)創(chuàng)立了球形大粒子產(chǎn)生散射的理論.米氏散射解釋當(dāng)粒子直徑與入射光波長相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射，米氏散射的輻射強(qiáng)度與入射光波長的平方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強(qiáng)，方向性比較明顯.米氏散射的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12]如下：

散射效率因子為：

(10)

消光效率因子為：

(11)

吸收效率因子為：

Qma=Qme-Qms

(12)

式中：an和bn為復(fù)函數(shù)的系數(shù)，可以從相關(guān)文獻(xiàn)查閱數(shù)值表得到.如水粒子的半徑等于波長時(shí)，Qme消光效率因子達(dá)到最大值3.8.當(dāng)粒子的直徑大于波長許多時(shí)，Qme趨近一個(gè)常數(shù)2,此時(shí)發(fā)生的散射與波長無關(guān).

2　激光在弱酸性電解液中能量衰減的實(shí)驗(yàn)

2.1弱酸性電解液配置及實(shí)驗(yàn)裝置搭建

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，采用連續(xù)波半導(dǎo)泵浦綠光激光器(λ=532nm)和脈沖Nd:YAG激光器(λ=1 064nm).檢測裝置為上海某儀表公司生產(chǎn)的SJG型激光功率計(jì)(精度為0.01mW)和SJN-100型激光能量計(jì)(精度為0.1mJ).電解液玻璃隔板采用K9玻璃，該玻璃對λ=1 064nm和λ=532nm波長的激光透射率在90%以上.輸液泵采用QL-270A型三缸柱塞泵.

1.激光器　2.噴射裝置　3.激光束　4.能量計(jì)或功率計(jì)　5.電解液箱體　6.恒溫加熱器　7.柱塞液壓泵　8.壓力表　9.K9玻璃(厚度2 mm)　10.可裝卸圓筒支架圖3　實(shí)驗(yàn)裝置示意

在激光傳輸光路上，隔板K9玻璃對激光能量產(chǎn)生反射和吸收，能量計(jì)(功率計(jì))采集的激光能量值受到一定影響.為了避免對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，該實(shí)驗(yàn)首先標(biāo)定激光穿透K9玻璃隔板后的能量值，并以此為基準(zhǔn)，將激光在不同試驗(yàn)條件下測得的能量值與基準(zhǔn)值的差值作為能量損失量，把能量損失量與基準(zhǔn)值的比值作為能量損失率.

實(shí)驗(yàn)電解液選擇NaHSO4和HF溶液.溶劑采用工業(yè)純水.溶質(zhì)的級別分別有分析純鹽級別和工業(yè)用鹽級別.分析純鹽包括HF(GB/T620-1993)、NaHSO4(Q/(HG)SJ549-91)；工業(yè)用鹽包括HF(GB7744-1998)、NaHSO4(ZBG12002-87).按照電解液濃度從低到高的原則分別配置2%、8%、15%、20%的電解液試劑.

2.2激光在電解液中傳輸時(shí)的能量損失

激光在電解液中傳輸時(shí)存在能量損失，對加工區(qū)域加工時(shí)，能量不能全部施加，進(jìn)而影響電解液流體輔助激光加工的效果.根據(jù)激光在電解液中的散射及吸收理論，激光在電解液中傳輸時(shí)能量的衰減規(guī)律與激光的波長和微粒的直徑大小有密切關(guān)系；在電解液流體輔助激光加工過程中，電解液是動(dòng)態(tài)的，運(yùn)動(dòng)與靜態(tài)電解液中微粒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)也不同；微粒的運(yùn)動(dòng)會對激光的散射及吸收產(chǎn)生一定程度的影響.本實(shí)驗(yàn)將研究綠色激光(532nm)和紅外激光(1 064nm)在不同濃度、溫度的動(dòng)態(tài)電解液中傳輸時(shí)能量的損失情況.

2.2.1電解液濃度對激光能量衰減特性的影響

綠光激光在濃度為2%、20%的工業(yè)用NaHSO4電解液中傳輸100mm的光路照片如圖4所示.由圖4可知，隨著激光在電解液中傳輸距離的增加，電解液對激光的散射作用越來越明顯，光路越來越亮，光路的直徑逐漸增大且邊界越來越不清晰.比較圖4中(a)和(b)可知，激光在濃度為20%電解液中傳輸時(shí)散射程度比在2%的電解液中散射程度大.

圖4　綠光激光在工業(yè)用NaHSO4電解液中傳輸?shù)墓饴?/p>

室溫為25 ℃；電解液流速為4 m/s；過濾用混紡濾布為400目；電解液流束的長度為100 mm圖5　綠光激光在不同濃度弱酸性電解液中能量的衰減

室溫為25 ℃；電解液流速為4 m/s；電解液流束的長度為100 mm圖6　紅外激光在不同濃度弱酸性電解液中能量的衰減

圖5和圖6分別是綠光激光(532nm)和紅外激光(1 064nm)在電解液傳輸中能量衰減隨溶液濃度變化的情況.從圖5可知，激光在分析純NaHSO4電解液中傳輸過程中能量的衰減隨著電解液濃度的升高而不斷上升，但變化的范圍在10%左右，與激光在純水中傳輸時(shí)能量損失基本一致.這是由于在分析純NaHSO4電解液中，粒子的直徑較小，與水分子基本一致，激光能量的損失主要以吸收為主，由散射造成的能量損失較小.

對比綠光激光與紅外激光兩種不同波長激光在相同濃度的同種電解液中傳輸?shù)哪芰克p曲線可知，紅外激光在電解液中傳輸時(shí)以吸收為主，能量的衰減性與激光穿透的電解液流束的長度有密切關(guān)系，隨著電解液流束長度的增加，紅外激光的能量被吸收的越多，能量衰減量越大.分析可知，激光在工業(yè)用鹽弱酸性電解液中傳輸時(shí)能量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光在分析純鹽弱酸性電解液中傳輸時(shí)能量損失.經(jīng)過400目的混紡濾布過濾，工業(yè)用鹽弱酸性電解液中一些大顆粒懸浮物及膠體等減少，對激光產(chǎn)生吸收及散射的物質(zhì)減少.因此，激光在過濾后電解液中傳輸時(shí)能量損失要小于其在工業(yè)用鹽弱酸性電解液中傳輸?shù)哪芰繐p失，但依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光在分析純鹽溶液中傳輸?shù)哪芰繐p失.激光在工業(yè)用鹽弱酸性電解液中傳輸時(shí)，能量損失隨著電解液濃度的增加而大幅度提升.這是因?yàn)楣I(yè)用鹽弱酸性電解液中存在的微粒直徑比激光的波長大很多，激光發(fā)生嚴(yán)重的散射及吸收，隨著電解液濃度的增加，其中大顆粒微粒及膠體的含量也會增多，進(jìn)而激光能量的損失也會增大.激光在分析純HF電解液中傳輸時(shí)，能量損失隨著電解液濃度的增加而不斷增大，且影響程度明顯.這是因?yàn)镠F電離出的H+,F-1離子的粒子半徑較小，對激光主要發(fā)生瑞利散射，且分析純HF電解液中存在一些雜質(zhì)，雜質(zhì)的直徑通常較大，隨著濃度的增加難溶于水的懸浮物數(shù)量越來越多，根據(jù)米氏散射理論，激光在懸浮小直徑顆粒中傳輸時(shí)能量損失散射隨著懸浮物的濃度增加而激增，造成激光在分析純HF電解液中傳輸時(shí)能量衰減隨著電解液濃度增加而變大.

2.2.2電解液溫度對激光能量衰減特性的影響

激光在純水中傳輸時(shí)，水的溫度對激光傳輸過程中能量的衰減會產(chǎn)生影響.波長在400～550nm及715～740nm的激光在純水中的吸收系數(shù)的溫度影響因子分別為-0.000 91±0.000 06m-1℃-1,-0.002 3～0.003 5m-1℃-1[13-14].

實(shí)驗(yàn)中使用上海某儀器公司的ER-35F電熱恒溫加熱板，對電解液箱體中的電解液進(jìn)行溫度調(diào)控，研究溫度對激光在電解液中傳輸特性的影響規(guī)律(圖7).從圖7(a)可以看出，激光在兩種分析純電解液中能量的損失隨著溫度的改變發(fā)生波動(dòng)，但波動(dòng)范圍都在1%左右.由于電解液液中微粒的存在，隨著電解液溫度的升高，粒子的布朗運(yùn)動(dòng)變快，而分析純電解液中粒子直徑較小，主要對激光產(chǎn)生瑞利散射，粒子運(yùn)動(dòng)的改變影響到瑞利散射，進(jìn)而激光的能量損失隨著電解液溫度的升高而產(chǎn)生一定波動(dòng).從圖7(b)可以看出，紅外激光在同濃度的工業(yè)用NaHSO4電解液中傳輸?shù)哪芰繐p失隨著電解液溫度的升高發(fā)生波動(dòng)，但波動(dòng)的范圍不大.激光在電解液中傳輸?shù)哪芰克p比在純水中傳輸時(shí)高出1～2個(gè)數(shù)量級，主要是由于電解液中微粒的存在導(dǎo)致激光在電解液中散射和吸收情況的改變，并且，隨著電解液濃度的增高，激光的能量衰減不斷變大.

圖7　兩種激光在不同溫度下電解液中傳輸?shù)哪芰克p

2.2.3電解液流速對激光能量衰減特性的影響

在實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)液壓泵改變電解液的流速，研究綠光激光在不同電解液流速(4m/s、8m/s、12m/s)條件下能量的損失情況(表1).

表1　不同電解液流速對綠光激光能量衰減的影響

注：激光波長為532nm.

從表1可以看出，隨著電解液流速增大，激光能量的衰減增大，且在工業(yè)用鹽電解液中電解液流速對激光能量衰減的影響大于分析純鹽電解液.這是由于工業(yè)用鹽電解液中的雜質(zhì)多、微粒的直徑大，電解液流速的增加使得工業(yè)用鹽電解液中大顆粒雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)加快，使激光發(fā)生更嚴(yán)重的散射，激光能量的損失量增加.分析可知，綠光激光在分析純鹽電解液中傳輸時(shí)，液體流速對激光能量衰減的影響程度不大，僅為5%左右.

3　結(jié)　論

對兩種波長(532nm、1 064nm)的激光在弱酸性電解液中傳輸時(shí)能量的損失情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了隨著電解液溫度、濃度及流速變化的激光能量衰減規(guī)律.

(1)激光在分析純鹽(HF、NaHSO4)電解液中傳輸時(shí)能量的衰減率遠(yuǎn)小于其在工業(yè)用鹽電解液中傳輸時(shí)的能量衰減率.

(2)激光在NaHSO4電解液中傳輸時(shí)，激光產(chǎn)生的散射與激光的波長和電解液中粒子的大小密切相關(guān).

(3)在弱酸性的NaHSO4電解液中傳輸時(shí)，綠光激光(532nm)能量的衰減以散射為主，紅外激光(1 064nm)能量的衰減以吸收為主.

(4)激光在電解液中傳輸時(shí)，能量損失與電解液的溫度及流速關(guān)系不大；激光在分析純鹽(HF、NaHSO4)溶液中傳輸時(shí)能量損失與濃度的關(guān)系不大，接近于激光在純水中傳輸時(shí)能量的損失.

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StudyofLaserTransmissionCharacteristicsAmongtheWeakAcidElectrolyte

SONGYi-zhi,HELiZHOUJi-peng,CHANGYu-bo

(SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China)

Laseriswidelyusedforprocessingmachinerymanufacturingindustry.Theelectrolytefluidassistedlasermicroprocessingcanimprovethetraditionallasermachiningprocessandcastingthicknessandtheproblemssuchashotcrackbythethermalstressconcentration.Basedonlaserstudiesinweakacidelectrolytetransmissioncharacteristicsandtheelectrolyteoflaserabsorptionandscatteringtheory,bytestingtheenergyattenuationof532nm& 1064nmredlasergreenlightatdifferentconcentration,temperature,flowvelocityanddynamicenergyattenuationregularityinweakacidicelectrolytearestudiedandtheresultsshowthatthelaserpropagationintheanalysisofpuresodiumsaltofenergyattenuationthantransmissionintheindustrialsodiumsaltelectrolyteenergyattenuationandsmallertransmissionenergylossinthepurewater,temperatureandvelocityofelectrolyteonthelaserenergyattenuationeffectisnotbig,visiblegreenlaserenergyattenuationintheweakacidsodiumsaltelectrolyteisgivenprioritytowithscatteringandtheinfraredlaserisgivenprioritytowithabsorption.

laserenergy;dynamicelectrolyte;attenuation;concentration;temperature;velocity

2016-04-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61170146)

宋義知(1991-)，男，山東梁山人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程.

1006-3269(2016)03-0001-06

TN249

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.001