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1、激光与物质相互作用,朱海红 武汉光电国家实验室激光部Tel:027-87544774,13016467839Email:,Laser- Matter Interaction,4.3:等离子体诊断及应用,1、.金兹堡等，电磁波在等离子体中的传播，1978,2、郑启光等，激光与物质相互作用，华中理工大学出版社，1996,2、陆建等，激光与材料相互作用物理学，机械工业出版社，1996,等离子体诊断技术,激光等离子体的实验和诊断技术是认识激光与等离子体相互作用的重要途径，诊断技术的关键是了解微小尺度和快速变化物理过程所要求的时空分辨率。,激光等离子体的产生和消失往往是一个很快的过程,产生在ns量级,均
2、匀等离子体状态参量：密度、温度、粒子数密度、电离度,等离子体参数测量,非均匀等离子体状态：上述参数的分布,等离子体发展过程：运动方向、运动速度、形貌检测等,等离子体性质,准中性：带电粒子+中性粒子,电：,光：,声：,磁：,激光等离子体诊断方法,1、发光法：包括发光分光法和吸光光度法。,吸光光度法有可能对分光法不能测定的位于基态附近能态的原子团进行认定。,对等离子体的光谱进行发光分光分析，探测离子体中存在的分子和原子激发和离子化状态，然后根据强度计算分子的转动或者振动温度，以及由电子状态决定的原子温度；,激光等离子体诊断方法,2、电子探针法测电流、电压,计算等离子体中的电子、离子密度,3、高速照
3、相法测等离子体形貌,计算等离子体中的膨胀速度,4、光学方法测量等离子体的折射率,从而得到电子密度等信息,等离子体诊断,从诊断方式来分：实时测量：高速摄影；光谱测量；光学干涉测量定量测量各种粒子的数量并判别粒子的种类：质谱分析；电荷收集,从测试参数来分：粒子测量测量物理性能测量,激光光致等离子体诊断,从实验方法分：,等离子体照相探针法微波法激光法光谱法光学法粒子束法超高密度高温等离子体诊断还有X射线法等。,激光等离子体折射率测量1,3,等离子体是由大量的处于基态或者激发态的电子、离子和原子等不向粒子组成的一个混合物。低温等离子体还还包含分子。不同类型的粒子对等离了体折射率的贡献是不同的可表示为：
4、,等离子体折射率,1、电子对折射率的贡献,即：,对于单色平面波在均匀的等离子体中传播有：,等离子体折射率,当探测光频率远远大于等离子体频率，有：,将：,代入得：,电子折射率是色散的,等离子体折射率,2、处于基态和激发态的原子对等离子体折射率的贡献为：,如果等离子体含有不同电离状态的原子，那么就必须把所有的值所代表的重粒子对折射率的贡献加起来。若等离子体温度不太高，则只考虑基态的中性原子对折射率的贡献,若探测光采用可见光，则：,等离子体折射率,在可见光谱范围：,Cauchy公式,若等离子体温度不是非常高，则处于基态的原子对折射率起主要贡献：,可认为原子的折射率不依赖波长,等离子体折射率,3、正离
5、子对等离子体折射率贡献：,等离子体折射率,联立（1）（2）（3）得等离子体折射率：,通常右边第一项、第二项比第三项小一个数量级，可忽视中性粒子和离子的影响,用单波长探测：用电子折射率近似等离子体折射率，获得电子密度,也可采用双波长消除中性粒子和离子的影响：,两式相减，得到：,等离子体折射率,由折射率可获得电子密度,其他参数计算由折射率出发,电子对等离子体折射率起主要作用：,得到电子密度,对于气体，折射率与密度之间满足GladstonDale（G-D)公式：,由折射率可得密度变化：,由折射率可获得等离子体密度,其他参数计算由折射率出发,由质量守恒定律有：,得到中性原子密度，然后得到电离度,Sah
6、a方程,理想气体状态方程：,由(4)和（5）得到等离子体温度、压强,其他参数计算由折射率出发,等离子体参数是互相联系的,激光等离子体的其他参数,作了如下假设：,局部平衡，满足Saha方程,等离子体吸收激光能量机制为逆韧致吸收,等离子体可近似为理想气体,激光作用后，等离子体视为绝热膨胀,激光作用靶面的质量迁移率为常数,只要测量了等离子体的折射率，就可以获得等离子体的电子密度、压强、密度、电离度、温度和振荡频率等信息,通常在超临界区使用X射线诊断，在次临界（晕）区主要使用各种光学诊断技术。,一定使探测光穿透等离子体，即能在等离子体中传播,等离子体折射率的测量,等离子体的折射率测试干涉法,干涉法测量
7、等离子体折射率很合适,其测量方法简单，对激光光源的相干性不高。,干涉法测量等离子体折射率,1966年，C.David等人最早采用马赫曾德尔（mach-zehnder）干涉仪诊断了红宝石激光引起的碳靶气化而产生的等离子体,1979年，J.A.Mchay等人采用条纹照相、干涉法和电荷收集等测量手段对聚焦的脉冲CO2激光照射Al靶的等离子体进行了测量，得到了等离子体区折射率分布和密度分布,1979年，J.A.Mchay等人采用条纹照相、干涉法和电荷收集等测量手段对聚焦的脉冲CO2激光照射Al靶的等离子体进行了测量，得到了等离子体区折射率分布和密度分布,干涉法测量等离子体折射率,1991年，倪晓武等人
8、用光学延迟方法实现了探测光和作用光的精确同步，采用干涉法测量了QNdYAG激光作用Al靶表面的作用过程，得到了等离子体德马赫曾德尔干涉图,1992年，袁永华等用全息术得到了NdYAG激光产生的等离子体德折射率、电子密度和温度等分布,马赫曾德尔干涉仪（MachZehnder）将探测光分成两束,一束穿过激光等离子体区域,另外一束作为参考光,两者相干形成的干涉条纹携带了激光等离子体相位信息。与参考光对比，就能确定等离子体的折射率。这种方法能诊断的等离子体电子密度下限约为1014/cm3,等离子体,干涉法测量等离子体折射率,应用波长较短的激光 可测量更高的电子数密度,参考条纹为一组平行的、间距相同的明
9、暗相间的条纹,实时测量干涉法,无等离子体时,有等离子体时，干涉条纹偏移,等离子体引起的光程差为：,设等离子体为轴对称的，则：,（2）代入（1），得：,Abel积分,干涉法测量等离子体折射率,令：,经过Abel变换，可得轴对称物体的折射率分布：,干涉法测量等离子体折射率,由折射率分布，可得电子密度分布等信息,高速摄影技术记录高功率激光束在材料表面产生的高温蒸气和等离子体的辐射，可为这一反应过程提供很重要的信息。,分两类：,对时间积分的高速扫描相机，条纹相机；,对时间分辨的分幅照相机。,高速摄影法直接拍照,高于100f/s，或者时间分辨率短于1/1000s，现在时间分辨率已达到10-13 s，变像
10、管相机，时间分辨率已达到10-14 s。,高速摄影法直接拍照,直接将等离子体图像摄影：得到高速扩展的等离子体羽情况：扩展速度、速率、方向。,高速摄影法,由等离子体羽的速度，可以得到温度及离子能量的信息；获得等离子体羽的扩展原因。,激光脉冲峰值刚过形成一个发亮的羽，之后等离子体云扩展且亮度不断增加，在激光脉冲开始120ns时达到最亮，然后较慢地衰减变化，一直持续到1ms后。,测得等离子体速度约为2x106cm/s。,用脉宽为45ns的调Q开关红宝石激光辐照空气中的C靶，用每副10ns的分幅相机记录等离子体云,等离子体通过原子的复合和消激发而发光，高速摄影可以获得等离子体发光边界位置随时间的变化曲
11、线,高速摄影法,等离子体羽的扩展原因,等离子体扩展速度迅速增加的原因是由于吸收了激光能量被加热,高速摄影法,揭示了等离子体的空间分布等信息：各向异性，垂直离开靶面，最大速度位于靶面的法线方向，喷射方向不随入射激光束的入射角度而改变,高速摄影：可研究等离子体的运动情况，获得等离子体中高能粒子的运动速度以及加热、扩展熄灭等信息,高速摄影法,与其他技术结合，高速实时记录图像,与阴影、纹影技术结合，得到高速阴影和高速纹影，显示等离子体流场变化。可以定性探测等离子体折射率及梯度的变化，从而得到等离子体密度等信息；,与显微技术结合，得到高速显微照片。可得到微米级的空间分辨率和高速等离子变化等信息。需要使用
12、短脉冲的强激光作为照明光源，用变像管分幅和扫描相机记录。,高速摄影法,与立体成像装置结合或采用两台相机，可得到高速立体摄影。,与全息技术结合，可得到透射光的振幅和相位变化。,与激光技术结合，带来了高速摄影技术的全新发展。比如激光作为高速摄像机光源；激光驱动相机快门获得皮秒量级的快门；基于多普勒效应的激光高速测速技术等。,与干涉技术结合，得到高速实时干涉条纹的变化。,等离子体有自辐射，自身能发出可见光或其他波段的电磁辐射。利用等离子体自身发射的光(红外线、可见光、紫外线、X射线)来照相,可以得到发光区的宏观图像结构及其变化。可采用高速照相技术和设备，如转镜、转鼓、快速电影机等光学机械型高速照相机
13、，克尔盒等电光型或磁光型快门，以及光导纤维、微通道板、变像管等光学及光电部件，进行照相。,等离子体照相,光学机械型的高速照相机，分幅拍摄频率可达108幅秒。连续动作的扫描式高速照相机，包括变像管、像增强器和计算机图像处理系统，广泛使用于激波、磁约束和惯性约束、电击穿、爆炸火球等瞬态等离子体的研究。时间分辨本领可达10-13秒。,对于等离子体自辐射较弱，不足以提供良好的“自显示”的情况，可用传统的外光源照射的光学显形，其中包括利用等离子体的散射光或漫反射和透射光这两类方法。使用透射光的纹影照相和阴影照相，广泛用于等离子体流体运动的研究，测量密度的细致空间分布和变化，还可用于测定电子数密度。照射所
14、需的光束由普通光源或激光光源提供。,等离子体照相,随着现代光学、光电技术、影像对比显示增强，计算机数据处理，特别是激光和全息术的进展，等离子体照相已发展到用自发光或外照光对等离子体的图像构造进行实时的时空分辨、三维断层照相及综合再现，并实现全信息的存储、传输、检索和再现。,探针法,将实体探针放入等离子体中以获得所需参量，是等离子体诊断的基本手段之一。可以得到有关等离子体内部细致结构的信息和各种参量的分布情况，如粒子密度分布等。缺点是会干扰被测等离子体，例如改变流动图像，形成空间电荷包鞘，产生杂质污染等。,探针法静电探针,它是一种金属电极。通过电路将偏置电压加在探针和补偿电极（如等离子体的金属器
15、壁或放电电极等）之间，探针就从等离子体中收集带电粒子，形成电流。用适当的仪表记录下电压和电流，便可得到探针的电流电压特性曲线。,利用静电探针可以测量等离子体中带电粒子(电子或离子)的数密度、电子温度以及空间电位等。移动探针还可以测知上述参量的分布情况。,探针法静电探针,利用电荷受收集法还可以获得离子到达时间，从而算出等离子体边沿的膨胀速度与照相法比较接近,探针法磁探针,它是一个探测线圈。当其中的磁通量发生变化时，线圈中便产生感应电动势。可测量等离子体中随时间变化的电流、电流密度，以及等离子体的位移、磁场、压强、电导率等。电流和磁场强度恒定的或变化很缓慢的情况，可用旋转式磁探针进行测量。,磁探针
16、一般只能用于探测随时间变化的等离子体。磁探针输出信号一般很弱，要避免杂散音，最好采取静电屏蔽措施。,探针法,此外还有压强探针、热探针或量热器等，都是用固体材料制成的小构件作为传感器，插入等离子体内或放在它附近，接收等离子体发射的粒子和电磁波，感受所在地点的电场和磁场，以测得等离子体的各种宏观量及其分布与变化。,探针可以单个使用；也可以结成阵列，组合使用。进一步可以由几种不同的探测手段，组成综合性的诊断系统，这样的位置固定或可移的“诊断站”在等离子体实验室和空间活动中已有日益广泛的用途。单项测量已发展成为多项参量的联合诊断。,光谱法,利用等离子体的发射光谱或吸收光谱诊断等离子体温度、密度、离子数
17、分布、离子速度、激发态布居、等离子体尺度、不透明度和化学组分等等信息。50年代初期由H.迈克等人较为系统地提出的，起初应用于天体物理和基础实验研究，后来又应用于航天环境模拟、化工冶炼、热加工和能源等方面的实验中。60年代，开始用激光光谱诊断法（吸收光谱法、荧光光谱法、喇曼光谱法、光声光谱法等）对等离子体状态和输运性质进行实验研究。,光谱法,实验装置示意图,光谱法,光谱法,通常的光谱法测温，总是假定等离子体处于局部热力学平衡和光薄状态。等离子体不存在自吸收作用(自吸收系指等离子体中原子或离子的辐射通过整个等离子区域时，被同一元素的另一些原子或离子所吸收)。 光谱法测量通常是通过测量谱线强度、谱线
18、的位移和加宽或连续谱的强度来得到所要的等离子体参量。光谱法测温可分为谱线加宽法、相对强度法、绝对强度法、谱线反转法、连续谱法、离轴峰值法等。,光谱法,标识新的光谱线；确定等离子体温度，方法：在一定波长范围内通过单色仪测量等离子体发射强度的黑体温度；可以通过测量各种光谱线的相对强度；可以通过测量某一条谱线的比强度,光谱法,三种基本过程,束缚态一束缚态跃迁束缚态一自由态跃迁自由态一自由态跃迁,E2束缚态,此时的电子跃迁是在特定的分离原子轨道之间进行，只有能量等于跃迁能的光子才会被吸收，因此辐射对光子的吸收是有选择性的线吸收。,束缚态一束缚态(b-b)跃迁,E1束缚态,束缚态一自由态(b-f)跃迁,
19、能量大于电离能的光子才会被吸收,E1束缚态,Ef自由态,光谱法,自由态一自由态（f-f)跃迁,逆韧致吸收过程。这一吸收过程对光子的能量没有选择,Ef连续态,Ef连续态,b-f辐射、f-f辐射两个过程与自由电子有关，由于自由电子在等离子体中具有一定的速度分布，故它们产生的光谱为连续谱。b-b辐射只与分离能级有关，所以产生的是线谱。,光谱法,光谱诊断可以利用连续谱、线谱和整体谱三种方式来进行，整体谱则是各种线谱和连续谱的叠加。,实时测量光谱法,光谱一般是连续谱和线谱的叠加，连续谱又包括轫致辐射和复合辐射的谱。当等离子体温度升高时，线谱渐渐消失，连续谱逐步变强。,特定谱线的出现、它的强度、光谱区域的
20、分布，用于测定粒子的种类、电子温度等；,光谱法,连续谱的强度，测电子温度和数密度；,几条谱线之间的强度比，测电子温度；,谱线的频移，测等离子体粒子的定向速度；,谱线的轮廓、增宽、分裂，测量离子温度、电子数密度及磁场强度等。,光谱分析技术确定等离子体温度,等离子体平衡或者局部热平衡时，由Saha方程得到等离子体温度。,对于激光产生的等离子体，电子密度通常很高，且电子离子碰撞时间一般小于109s，Q开关的激光脉冲产生的等离子体可达到局部热平衡，而对于ps脉冲，局部热平衡一般不满足，不能用Saha方程,光谱法,实际上，由于等离子体源温度分布很不均匀（温度梯度高达每毫米几千K），其热物理状态不能单用一
21、个“温度”来表征，所以需要测量温度的空间分布。常用的方法有空间扫描法、光谱扫描法、局部区的光学隔离法等。用经典光谱仪测温常采用空间扫描法。,激光法,用激光作为光源、激发源或探测器来诊断等离子体参量的方法。激光诊断的优点是：对等离子体干扰小,空间分辨率和时间分辨率高,可诊断的等离子体电子密度范围宽（10101019)/cm-3,温度范围大（104106K）,特别是对非热平衡等离子体的诊断优于光谱法等诊断方法。因此激光诊断成为等离子体诊断，特别是高温度、高密度等离子体诊断的主要手段。,对于密度梯度大的等离子体，要采用波长短的激光作为光源；空间分辨。高密度等离子体需要短波长激光。,激光法,对于变化迅
22、猛的等离子体，要求采用更短脉宽的激光脉冲。时间分辨,激光法激光干涉法,激光具有功率大、亮度高、单色性好、方向性强和偏振度好等优点，是十分优良的相干光源。用它作马赫曾德尔干涉仪、迈克耳孙干涉仪等一般光学干涉仪的光源，可使干涉仪易于调节，使用方便。有些新型干涉仪其中作光源的激光器兼作探测器，因而结构简单，灵敏度高。激光干涉法可以直接测量等离子体的折射率，并确定等离子体的密度和温度等参量。,激光法差拍干涉法,将待测等离子体放入激光器的谐振腔内，等离子体密度的变化引起光程的变化，谐振腔的振荡模式也发生相应的变化，从而又引起激光器输出频率的变化。用差拍技术或外差方法测定这种微小的频率变化，就能确定等离子
23、体的电子密度。此法仅适用于测量慢变化或稳态的等离子体，并要求激光系统十分稳定。此法可以测量的电子密度范围约为10101014/cm3。,激光法双波长干涉法,采用两束不同波长的激光同时通过待测等离子体，产生两组不同波长的干涉条纹，可同时测定等离子体中电子和原子两种组分的密度。单波长干涉法只考虑电子而忽略离子、原子等重粒子对等离子体折射率的影响。如果要更准确地测定电子密度和原子密度，则须采用双波长干涉法 。,激光荧光分析,荧光光谱分析是研究等离子体边缘区的有效方法。由于器壁放出的低能工作气体和杂质粒子，等离子体边缘区常含有数密度很低、温度一般小于10电子伏的粒子。对于这类粒子，一般实验方法很难应用
24、，但可用调谐激光器发出的可调频强激光束（功率几百千瓦，并集中在较窄波段内）有选择地使一些原子或离子产生共振激发，发出荧光。这一方法可用来测量碳、氧、钛、铁、镍等杂质，灵敏度很高。,高温等离子体测量X射线测量,X射线通常指波长短于100埃，即光子能量约大于 100电子伏的电磁波。随着等离子体中电子温度的升高,它发出的电磁辐射越来越多地落在X射线范围内。核爆炸、惯性约束、磁约束等人造的等离子体已成为强X射线源。在自然界中,日冕的温度约为100250电子伏,它发射出X射线波段的连续谱和许多高次电离谱线。在天体中观测到的遥远的X 射线源是天文学研究的重要方面。,从x射线光谱中可以准确提取出等离子体的离
25、化状态、能级布居等信息。一般可以从其波长和强度推导出等离子体中某种元素存在与否或某种离化度离子存在与否以及存在的绝对数量，还可以根据光谱线的线型得出发射原子的动力学温度和密度等十分丰富和重要的信息。,高温等离子体测量X射线测量,高温等离子体测量X射线测量,X射线谱一般由连续谱和线谱叠加而成。 连续谱主要来源于快电子的轫致辐射和复合辐射。线谱主要来源是较重元素原子内层(K、L和 M层)的电子跃迁辐射。产生 X射线的另一基本过程是电子在磁场中运动时产生的同步加速器辐射。在放电形成过程中或等离子体处于不稳定状态时，产生的X射线比等离子体稳定时强得多，这就使X射线诊断成为等离子体不稳定性研究的重要手段
26、，并可进而作为监测、控制的一个重要环节。在高温聚变等离子体中，它的能量损失的重要因素是重元素杂质的辐射，因此，随着等离子体温度和密度的增加，X射线的测量和控制也日益重要。,X射线测量在等离子体诊断中还有下列一些用途：,高温等离子体测量X射线测量,由 X射线连续谱测定电子温度和电子能量的时空分布；由谱线的多普勒频移和展宽测定杂质离子温度和等离子体的整体运动；由谱线的绝对强度估计电子数密度及能量损失； 等离子体中超热和逃逸电子的研究；用X射线照相直接得到发射区的图像。,等离子体诊断的应用,激光诱导光谱测量材料成分,激光加工等离子体参量作为实时监控信号,研究激光等离子体物理机制,Diagnostic
27、s Used:2ns Fast PhotographyTime resolved emission spectroscopyTarget : AluminumLaser Intensity : 5 GW cm-2Ambient : 10-8 Torr to 100 Torr airNature and pressure of the ambient is important in In PLD, spatial distribution, KE distribution and deposition rate changesReactive plasmaClustering and nanot
28、ube formationIncrease in Background pressure results in -An increase in emission intensityScatter and thermalize the plumeSharpening - Shock wavesSlowing of the plume 10mTorrSpatial confinement 10mTorr,0.01Torr,1Torr,0.1Torr,10Torr,机理研究等离子体在环境气体中的膨胀,100Torr,实验装置,气压低于 10 mTorr,等离子体羽自由膨胀,机理研究等离子体在环境气体
29、中的膨胀,Laser Intensity : 5GWcm-2Intensification time : 2nsEach image is obtained from single laser pulsePlume edge maintains a constant velocity ( 107cm/s),P = 10-6 Torr,P = 10-2 Torr,气压低于 10 mTorr,等离子体羽自由膨胀,气压低于 150 mTorr,Strong interpenetration of the laser plasma and the ambient low density gas Obs
30、erved a plume splitting and sharpening.This pressure range falls in the region of transition from collisionless to collisional interaction of the plume species with the gas Enhanced emission from all species,气压150 mTorr,等离子体分离变尖,气压1.3Torr,Plume deceleratesInstability appearsIntensity peaks in slower
31、 component,气压1.3Torr,气压10Torr,P = 10 Torr air,P = 100 Torr Air,气压10Torr,激光诱导等离子体（L IBS） 由于具有高灵敏度、可同时测量多种元素等特点，越来越广泛地应用于各个领域中。,应用激光诱导等离子体测量材料成份,一束高能量脉冲激光经透镜之后聚焦在样品的表面，作用点处的样品吸收激光能量被击穿形成等离子体并发生能级跃迁, 在等离子体冷却阶段，等离子体由高能级向低能级跃迁, 发射出能代表元素特性的原子(离子) 谱线, 以进行定性乃至定量分析。,激发光源为N d:YA G 脉冲激光器, 工作波长为1064 nm , 脉宽为10n
32、s, 工作频率0. 625 Hz. 激光光束先经过衰减片衰减为100mJ , 再由反射镜反射后经透镜聚焦在样品上, 样品聚焦点处功率密度约109W/cm2. 激光与样品作用后产生等离子体, 其发射光谱信号经收光器收集后, 由光纤传导进入中阶梯光栅光谱仪. 光谱仪的光谱范围为200 900 nm , 分辨率/ = 4000. 光谱仪的出口安装ICCD 探测器, 其光谱范围为185 850 nm , 像素为10241 024.,应用激光诱导等离子体测量材料成份,应用激光诱导等离子体测量材料成份,工业应用对焊接质量及其可靠性都有较高要求：通常最终产品100不得有缺陷；,焊后离线检查模式,实时监测和闭
33、环控制,必须实施质量控制,费时、费力、周期长、灵活性和稳定性都很差,稳定性和生产效率大幅提高灵活性差，需建参考数据库,基于视觉传感的实时监测和闭环控制系统已经得到实际应用,激光焊接过程高度非线性、多变量、强耦合，同时又具有大量随机不确定因素发生,光声电热力等信号与焊接质量的本质联系有待进一步研究,中薄板、中小功率,智能控制技术的研究刚刚起步,应用激光加工质量实时监测,激光焊接等离子体包含丰富的信号可直接或间接反映焊接质量焊接,光 电声热力视觉,应用激光焊接质量实时监测,激光焊接等离子体检测及应用检测工作区附近的焊接时发射的光谱特性可以了解焊接过程。比如采用光谱检测技术可以实时分析等离子体的温度
34、、长度、成分以及熔池温度等，由这些信息可以得到焊接熔池的温度和熔池中存在的元素等信息。温度的突然变化预示焊接缺陷。存在的元素信息可以用作对接和搭接焊时的焊缝跟踪信号。,应用等离子体作为焊接实时监控参量,等离子体的动态电信号，可以反映激光焊接过程和焊接中可能的各种缺陷，因而可以作为控制变量进行焊接质量控制。,光信号非常丰富。关于基于光信号的质量控制，国内外虽有较多研究报道，但是都还停留在实验室研究阶段,早在1997年，加拿大的Waterloo大学Mueller, Robert E.等人就研制成功了一套紧凑的计算机控制的光谱在线检测系统，该系统可以实时测量焊接过程中的等离子体羽辉。通过光谱分析技术
35、得到焊接过程中熔池的温度和金属元素变化等信息，从而作为激光焊接工艺参数和焊缝跟踪的控制变量,应用等离子体作为焊接实时监控参量,德国一直是世界激光焊接技术的领头羊。2000年，亚琛大学采用同轴的2维空间分辨率的高速照相机取代集成的等离子体探测器监测等离子体的空间分布，不仅大大提高了系统可靠性，还大大减少了系统的传感器。该系统由一个直接安装在焊接头上的高速相机，相机光路与激光束同轴通过聚焦光学元件。照片由图像算法处理。对于激光拼焊，可以得到整个熔深、焊缝轨迹的偏差、焊缝宽度和由于溅射和喷射造成的焊接缺陷。,应用等离子体作为焊接实时监控参量,德国汉诺威激光中心(Laser Zentrum Hanno
36、ver e.V.）研发了一套多传感器过程控制系统ProWatcher，已经在几套激光焊接工业应用中并被证明有效。该系统使用一个光学传感器绑在激光光纤的背面监测激光焊接过程中的辐射光谱，此外还能监测声谱，测量工件表面温度分布，光束位置，背面滑动条件，工作气体压力等。采用快速响应的传感器和计算方法，可以实时诊断焊接缺陷。另外该中心正在研发测试焊缝表面图像处理系统。,应用等离子体作为焊接实时监控参量,应用等离子体作为焊接实时监控参量,光信号非常丰富。关于基于光信号的质量控制，国内外虽有较多研究报道，但是都还停留在实验室研究阶段,原因：,激光焊接等离子体的产生和发展是相当复杂的，目前对其机制还不太了解，特别是定量研究数据还相当缺乏。,激光焊接等离子体与焊接质量之间的关系还没有系统的分析和研究,总结,只要测出了等离子体折射率，就可以获得等离子体的其他参量，干涉法是测量折射率的很好的方法。,高速摄影法、干涉法和光谱法是研究激光等离子体的重要手段。,焊接光致等离子体的监测可以用来实时监测焊接质量。,思考题,请设计一个以等离子体作为激光焊接实时监控信号的方案？你认为你的方案实用化还存在哪些障碍？,简述激光等离子体的常用诊断方法及它们的优缺点。,为什么说只要测量出等离子体的折射率，就能得到等离子体的其他参量？你有什么办法可以测量等离子体的折射率？,Thank You !,
