激光在弱酸性电解液中传输特性的研究

宋义知，何　利，周继鹏, 常偊舶

(沈阳理工大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110159)



激光在弱酸性电解液中传输特性的研究

宋义知，何利，周继鹏, 常偊舶

(沈阳理工大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110159)

基于电解液中激光吸收、散射特性的分析，对532 nm绿光、1 064 nm红外激光，在不同浓度、温度、流速的动态弱酸性电解液中能量衰减规律进行研究.结果显示：激光在分析纯盐电解液中传输的能量衰减量低于在工业盐电解液中能量的衰减量，并且与纯水中传输的能量损失相近；温度及电解液流速对激光能量衰减的影响不大；绿光激光在弱酸性电解液中能量衰减以散射为主，而红外激光在其中传输时能量损失以吸收为主.

激光能量； 动态电解液；能量衰减；电解液浓度；电解液温度；电解液流速

激光于20世纪60年代问世，现已成为广泛应用于工业生产、通信、医疗卫生、军事、信息处理等领域的通用技术，对促进科学技术的发展，提高生产率，形成新的产业，发挥了很大的作用.激光的高度单色性和瞬时性、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备的可贵优势.随着世界制造业的高端化发展，围绕激光的复合加工方法也得到了发展.国外学者对激光的水下传输特性进行了相关研究，并得到了纯水对不同波长激光的吸收光谱[1-5].在电解液流体辅助激光的实际加工过程中，激光在含有一定溶质、杂质、胶体及悬浮颗粒等不溶物的电解液中传输，不同性质的电解液对激光的传输特性会产生很大的影响.因此，研究激光在酸性电解液中传输的特性，对于激光的工程应用具有重要的意义.这里主要对激光在酸性电解液传输过程中能量的衰减规律进行研究.

1　激光在弱酸性电解液中传输特性的分析

在激光加工过程中，激光热效应对工件的加工效果有着至关重要的作用，热效应与加工过程中激光能量密度的变化密切相关.电解液流体辅助激光加工与传统的空气中激光加工不同，激光传输的介质由空气转换为电解液.激光在不同性质电解液中传输的能量衰减性研究，对提高电解液流体辅助激光加工的加工效率有重要的指导意义.基于电解液流体辅助激光加工机制分析，可得到图1所示激光加工过程的能量衰减模型.

激光在电解液中传输时，由激光散射、吸收导致的能量损失占总能量损失的绝大部分.研究激光在电解液中吸收及电解液中杂质对激光的散射理论，将为激光在弱酸性电解液中传输特性的实验研究奠定基础.

图1　激光在电解液流体辅助激光加工中能量的衰减模型

1.1电解液对激光的吸收

激光是具有同一波长的单色光，是相同能量光子所组成的光束.当激光照射到物质时，物质对激光吸收的基本粒子是分子.其吸收原理可由量子理论来解释，即分子外层的电子受到激光辐射时，吸收能量发生电能级跃迁[6].辐射与物质的相互作用包括3种，即受激吸收、自发辐射及受激辐射(图2).

光的波粒二象性影响着物质对光的吸收作用.光的波粒二象性包括光在传播过程中的波动性和光受物质作用时表现的粒子性[7].其中，表现粒子特性的动能E与动量P分别为：

E=hv

(1)

P=hK

(2)

c=λν

(3)

式中，c为光速.

图2　辐射与激光的相互作用

引入普朗克常量之后，把表现波动性的波长、频率与表现粒子性的能量、动能联系在了一起.光子的能量与波长成反比.不同波长的激光在吸收上具有选择性，导致不同波长的激光在相同溶质的电解液中吸收特性有很大区别.

电解液厚度及电解液中吸收光的物质浓度与电解液对光的吸收程度有关.朗伯(Lambert)研究了溶液液体层厚度与光吸收之间的定量关系.朗伯定律指出，单一波长的一束光照射到一定浓度的均匀溶液中，随着液体层厚度的增加，溶液对光的吸收程度越来越大[8].

比尔(Beer)研究了溶液浓度与光吸收之间的关系，并提出了比尔定律，描述了随着溶液浓度增加，光的吸收程度不断增大[8].

当同时考虑溶液浓度和厚度对光吸收的影响时，可以将朗伯定律和比尔定律合并起来，那么朗伯比尔定律可表示为：

Q(λ)=Q0(λ)exp[-(βx+φAC·ΔC)·x]

(4)

式中：Q(λ)为激光在浓度改变ΔC并透射x距离后的光照强度；Q0(λ)为初射入的光照强度；φAC为浓度影响因子，βx为朗伯吸收系数.

朗伯吸收系数与纯水的复数折射率有关[9].纯水实际折射率的复数形式为:

m(λ)=n(λ)-ig(λ)

(5)

式(5)中虚部ig(λ)与吸收系数βx的关系为：

(6)

1.2电解液对激光的散射

瑞利散射指任意一种频率的光投射到线度小于光波波长的微粒上时，微粒向各个不同方向发出相同频率次波的一种光散射过程.瑞利散射的特性有3点：①发生瑞利散射前后光波频率不发生改变；②散射光的强度与入射光波的波长的4次方成正比，随着激光波长增加瑞利散射逐渐变弱；③散射光强度与入射方向有关，散射光强度正比于(1+cosθ),θ是散射光和入射光之间的夹角.

英国物理学家瑞利(Rayleigh)于1891年从理论上得到了瑞利散射光强度与粒子大小、粒子相对折射率和入射光波波长的函数关系[11]，即：

散射效率因子为：

(7)

吸收效率因子为：

(8)

消光效率因子为：

Qre=Qrs+Qra

(9)

式中：k表示分散相折射率与分散介质折射率的比值；lm和Re分别表示虚部和实部.

1908年，德国物理学家古斯塔夫·米(G Mie)创立了球形大粒子产生散射的理论.米氏散射解释当粒子直径与入射光波长相当时发生的散射，米氏散射的辐射强度与入射光波长的平方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显.米氏散射的数学表达式[12]如下：

散射效率因子为：

(10)

消光效率因子为：

(11)

吸收效率因子为：

Qma=Qme-Qms

(12)

式中：an和bn为复函数的系数，可以从相关文献查阅数值表得到.如水粒子的半径等于波长时，Qme消光效率因子达到最大值3.8.当粒子的直径大于波长许多时，Qme趋近一个常数2,此时发生的散射与波长无关.

2　激光在弱酸性电解液中能量衰减的实验

2.1弱酸性电解液配置及实验装置搭建

实验装置如图3所示，采用连续波半导泵浦绿光激光器(λ=532nm)和脉冲Nd:YAG激光器(λ=1 064nm).检测装置为上海某仪表公司生产的SJG型激光功率计(精度为0.01mW)和SJN-100型激光能量计(精度为0.1mJ).电解液玻璃隔板采用K9玻璃，该玻璃对λ=1 064nm和λ=532nm波长的激光透射率在90%以上.输液泵采用QL-270A型三缸柱塞泵.

1.激光器　2.喷射装置　3.激光束　4.能量计或功率计　5.电解液箱体　6.恒温加热器　7.柱塞液压泵　8.压力表　9.K9玻璃(厚度2 mm)　10.可装卸圆筒支架图3　实验装置示意

在激光传输光路上，隔板K9玻璃对激光能量产生反射和吸收，能量计(功率计)采集的激光能量值受到一定影响.为了避免对试验数据的影响，该实验首先标定激光穿透K9玻璃隔板后的能量值，并以此为基准，将激光在不同试验条件下测得的能量值与基准值的差值作为能量损失量，把能量损失量与基准值的比值作为能量损失率.

实验电解液选择NaHSO4和HF溶液.溶剂采用工业纯水.溶质的级别分别有分析纯盐级别和工业用盐级别.分析纯盐包括HF(GB/T620-1993)、NaHSO4(Q/(HG)SJ549-91)；工业用盐包括HF(GB7744-1998)、NaHSO4(ZBG12002-87).按照电解液浓度从低到高的原则分别配置2%、8%、15%、20%的电解液试剂.

2.2激光在电解液中传输时的能量损失

激光在电解液中传输时存在能量损失，对加工区域加工时，能量不能全部施加，进而影响电解液流体辅助激光加工的效果.根据激光在电解液中的散射及吸收理论，激光在电解液中传输时能量的衰减规律与激光的波长和微粒的直径大小有密切关系；在电解液流体辅助激光加工过程中，电解液是动态的，运动与静态电解液中微粒的运动形态也不同；微粒的运动会对激光的散射及吸收产生一定程度的影响.本实验将研究绿色激光(532nm)和红外激光(1 064nm)在不同浓度、温度的动态电解液中传输时能量的损失情况.

2.2.1电解液浓度对激光能量衰减特性的影响

绿光激光在浓度为2%、20%的工业用NaHSO4电解液中传输100mm的光路照片如图4所示.由图4可知，随着激光在电解液中传输距离的增加，电解液对激光的散射作用越来越明显，光路越来越亮，光路的直径逐渐增大且边界越来越不清晰.比较图4中(a)和(b)可知，激光在浓度为20%电解液中传输时散射程度比在2%的电解液中散射程度大.

图4　绿光激光在工业用NaHSO4电解液中传输的光路

室温为25 ℃；电解液流速为4 m/s；过滤用混纺滤布为400目；电解液流束的长度为100 mm图5　绿光激光在不同浓度弱酸性电解液中能量的衰减

室温为25 ℃；电解液流速为4 m/s；电解液流束的长度为100 mm图6　红外激光在不同浓度弱酸性电解液中能量的衰减

图5和图6分别是绿光激光(532nm)和红外激光(1 064nm)在电解液传输中能量衰减随溶液浓度变化的情况.从图5可知，激光在分析纯NaHSO4电解液中传输过程中能量的衰减随着电解液浓度的升高而不断上升，但变化的范围在10%左右，与激光在纯水中传输时能量损失基本一致.这是由于在分析纯NaHSO4电解液中，粒子的直径较小，与水分子基本一致，激光能量的损失主要以吸收为主，由散射造成的能量损失较小.

对比绿光激光与红外激光两种不同波长激光在相同浓度的同种电解液中传输的能量衰减曲线可知，红外激光在电解液中传输时以吸收为主，能量的衰减性与激光穿透的电解液流束的长度有密切关系，随着电解液流束长度的增加，红外激光的能量被吸收的越多，能量衰减量越大.分析可知，激光在工业用盐弱酸性电解液中传输时能量损失远远大于激光在分析纯盐弱酸性电解液中传输时能量损失.经过400目的混纺滤布过滤，工业用盐弱酸性电解液中一些大颗粒悬浮物及胶体等减少，对激光产生吸收及散射的物质减少.因此，激光在过滤后电解液中传输时能量损失要小于其在工业用盐弱酸性电解液中传输的能量损失，但依然远远大于激光在分析纯盐溶液中传输的能量损失.激光在工业用盐弱酸性电解液中传输时，能量损失随着电解液浓度的增加而大幅度提升.这是因为工业用盐弱酸性电解液中存在的微粒直径比激光的波长大很多，激光发生严重的散射及吸收，随着电解液浓度的增加，其中大颗粒微粒及胶体的含量也会增多，进而激光能量的损失也会增大.激光在分析纯HF电解液中传输时，能量损失随着电解液浓度的增加而不断增大，且影响程度明显.这是因为HF电离出的H+,F-1离子的粒子半径较小，对激光主要发生瑞利散射，且分析纯HF电解液中存在一些杂质，杂质的直径通常较大，随着浓度的增加难溶于水的悬浮物数量越来越多，根据米氏散射理论，激光在悬浮小直径颗粒中传输时能量损失散射随着悬浮物的浓度增加而激增，造成激光在分析纯HF电解液中传输时能量衰减随着电解液浓度增加而变大.

2.2.2电解液温度对激光能量衰减特性的影响

激光在纯水中传输时，水的温度对激光传输过程中能量的衰减会产生影响.波长在400～550nm及715～740nm的激光在纯水中的吸收系数的温度影响因子分别为-0.000 91±0.000 06m-1℃-1,-0.002 3～0.003 5m-1℃-1[13-14].

实验中使用上海某仪器公司的ER-35F电热恒温加热板，对电解液箱体中的电解液进行温度调控，研究温度对激光在电解液中传输特性的影响规律(图7).从图7(a)可以看出，激光在两种分析纯电解液中能量的损失随着温度的改变发生波动，但波动范围都在1%左右.由于电解液液中微粒的存在，随着电解液温度的升高，粒子的布朗运动变快，而分析纯电解液中粒子直径较小，主要对激光产生瑞利散射，粒子运动的改变影响到瑞利散射，进而激光的能量损失随着电解液温度的升高而产生一定波动.从图7(b)可以看出，红外激光在同浓度的工业用NaHSO4电解液中传输的能量损失随着电解液温度的升高发生波动，但波动的范围不大.激光在电解液中传输的能量衰减比在纯水中传输时高出1～2个数量级，主要是由于电解液中微粒的存在导致激光在电解液中散射和吸收情况的改变，并且，随着电解液浓度的增高，激光的能量衰减不断变大.

图7　两种激光在不同温度下电解液中传输的能量衰减

2.2.3电解液流速对激光能量衰减特性的影响

在实验中，通过调节液压泵改变电解液的流速，研究绿光激光在不同电解液流速(4m/s、8m/s、12m/s)条件下能量的损失情况(表1).

表1　不同电解液流速对绿光激光能量衰减的影响

注：激光波长为532nm.

从表1可以看出，随着电解液流速增大，激光能量的衰减增大，且在工业用盐电解液中电解液流速对激光能量衰减的影响大于分析纯盐电解液.这是由于工业用盐电解液中的杂质多、微粒的直径大，电解液流速的增加使得工业用盐电解液中大颗粒杂质的运动加快，使激光发生更严重的散射，激光能量的损失量增加.分析可知，绿光激光在分析纯盐电解液中传输时，液体流速对激光能量衰减的影响程度不大，仅为5%左右.

3　结　论

对两种波长(532nm、1 064nm)的激光在弱酸性电解液中传输时能量的损失情况进行实验，得到了随着电解液温度、浓度及流速变化的激光能量衰减规律.

(1)激光在分析纯盐(HF、NaHSO4)电解液中传输时能量的衰减率远小于其在工业用盐电解液中传输时的能量衰减率.

(2)激光在NaHSO4电解液中传输时，激光产生的散射与激光的波长和电解液中粒子的大小密切相关.

(3)在弱酸性的NaHSO4电解液中传输时，绿光激光(532nm)能量的衰减以散射为主，红外激光(1 064nm)能量的衰减以吸收为主.

(4)激光在电解液中传输时，能量损失与电解液的温度及流速关系不大；激光在分析纯盐(HF、NaHSO4)溶液中传输时能量损失与浓度的关系不大，接近于激光在纯水中传输时能量的损失.

[1]SmithRC,BakerKS.Opticalpropertiesofclearestnaturalwaters(200-800nm)[J].AppliedOptics, 1981,20(2):177-184.

[2]SogandaresFM,FryES.Absorptionspectrum(340-640nm)ofpurewater:I.Photothermalmeasurements[J].AppliedOptics,1997,36(33):8699-8709.

[3]PopeRM,FryESAbsorptionspectrum(380-700nm)ofpurewater:Ⅱ.Integratincaritymeasurement[J].AppliedOptics, 1997,36(33):8710-8723.

[4]LitjensRA,QuickendenTI,FreemanCG.Visibleandnearultravioletabsorptionspectrumoflipuidwater[J].AppliedOptics, 1999,38(7):1216-1223.

[5]BuiteveldH,HakvoortJHM.DonzeM.Theopticalpropertiesofpurewater[C]//.OceanOpticsXII.Washington,UAS:SPIE,1994:174-183.

[6]郑启光.激光先进制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[7]姚启均.光学教程[M].第二版.北京：高等教育出版社，2002.

[8]方韵和.分析化学[M].上海:同济大学出版社，1993.

[9]AllmenMV,BlatterA.Laser-beaminteractionswithmaterialsphysicalprinciplesandapplications[M].BerlinHeideberg:Springer-Verlag,1995.

[10]陈养渭. 天然水体中激光衰减的现场测量[J]. 舰船科学，2000(1):3-7.

[11]RayleighL.Onthescatteringoflightbysmallparticles[J].PhilosophicalMagazine, 1871(41):447-454.

[12]MieG.Acontributiontotheopticsofturbidmedia,especiallycolloidalmetallicsuspensions[J].AnnalsofPhysics, 1908,25(4):377-445.

[13]TrabjergL,HφjerslevNK.Temperatureinfluenceonlightabsorptionbyfreshwaterandseawaterinthevisibleandnerar-infraredspectrum[J].AppliedOptics,1996,35(15):2653-2658.

[14]PegauWS,GrayD,ZaneveldJR.Absorptionandattenuationofvisibleandnear-infraredlightinwater:dependenceontemperatureandsalinity[J].ApliedOptics,1997,36(24):6035-6046.

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

国家自然科学基金资助项目(61170146)

宋义知(1991-)，男，山东梁山人，硕士研究生，研究方向为机械工程.

1006-3269(2016)03-0001-06

TN249

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.001