Способ лазерной обработки дисперсных материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к лазерной и аэрозольной технологиям и может быть использовано при осуществлении лазерного нагрева, испарения и фотохимического превращения дисперсных материалов в различных технологических процессах. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности лазерной обработки дисперсных материалов, распыленных в газе. Способ включает распыление дисперсных материалов в несущем газе и облучение частиц материала лазерным излучением. Облучение осуществляют прямым падающим и обратным отраженным излучением. Длину волны лазерного излучения выбирают отличной от длины волны интенсивной линии поглощения несущего газа. Обработку материала ведут с возможностью управления режимами скоростного нагрева и охлаждения частиц путем изменения параметров лазерного излучения. Устройство содержит внешний лазерный источник и реактор, объем которого заполнен обрабатываемым дисперсным материалом, выполненный оптическим и имеющий два глухих зеркала с осевым отверстием ввода лазерного излучения на одном из зеркал. 2 с. и 3 з. п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной и аэрозольной технологиям и может быть использовано при осуществлении лазерного нагрева, испарения и фотохимического превращения дисперсных материалов в различных технологических процессах.

В настоящие время для химического синтеза, нанесения покрытий и т.д. широко используются различные материалы в виде дисперсных частиц. При этом актуальной является проблема эффективного нагрева частиц, распыленных в газе, до необходимых высоких температур. Нагрев частиц в высокотемпературном газовом (плазменном) потоке путем теплообмена между горячим газом (плазмой) и частицами характеризуется очень низкой (~2-4%) эффективностью (Кудинов В. В. , Иванов Р.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. - М.: Машиностроения, 1981, 192 с.). Поэтому заслуживают внимания другие методы нагрева частиц, диспергированных в газ. Перспективным для этой цели является нагрев частиц под действием лазерного излучения (ЛИ). Здесь эффективность нагрева сильно поглощающих частиц может достигать 40% (Игошин В.И., Пичугин С.Ю. Квантовая электроника, 12, 10, 1985, с. 2187-2189). Описанный здесь способ включает распыление дисперсных материалов в несущем газе и облучение частиц материала лазерным излучением. Однако в условиях лазерного нагрева не решена проблема организации эффективного пространственного взаимодействия ЛИ с частицами, распыленными в газе.

В авторском свидетельстве СССР 1499818 описано устройство для лазерной обработки дисперсных материалов - металлических порошков, содержащее внешний лазерный источник и реактор, объем которого заполнен обрабатываемым дисперсным материалом.

В настоящем изобретении решается задача организации пространственного взаимодействия ЛИ с газодисперсными средами и повышения эффективности лазерной обработки дисперсных материалов. Для решения этой задачи в изобретении предлагается способ организации пространственного взаимодействия ЛИ с газодисперсными материалами и устройство для его осуществления.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности лазерной обработки дисперсных материалов, распыленных в газе, за счет организации пространственного взаимодействия ЛИ с дисперсной системой, многопроходного режима обработки и облучения частиц с двух сторон - прямым падающим и обратным отраженным излучением.

Эффективность лазерной обработки дисперсных материалов в оптическом реакторе повышается в результате: - многопроходного режима обработки, при котором в зону облучения попадает высокая доля обрабатываемых частиц и полностью используется энергия входного излучения; - облучения частиц с двух сторон прямым падающим и обратным отраженным излучением; - полного заполнения объема реактора высокоинтенсивным ЛИ в любой точке пространства реактора; - поглощения излучения только частицами, так как длина волны ЛИ выбирается отличной от длины волны интенсивной линии поглощения газа; - возможности широкого управления режимами скоростного нагрева и охлаждения с целью обеспечения заданных физико-химических свойств дисперсных материалов.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки дисперсных материалов, включающем распыление дисперсных материалов в несущем газе, облучение частиц осуществляют прямым падающим и обратным отраженным излучением, при этом длину волны лазерного излучения выбирают отличной от длины волны интенсивной линии поглощения несущего газа, а обработку материала ведут с возможностью управления режимами скоростного нагрева и охлаждения частиц путем изменения параметров лазерного излучения.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для лазерной обработки дисперсных материалов, содержащем внешний лазерный источник и реактор, объем которого заполнен обрабатываемым дисперсным материалом, реактор выполнен оптическим и имеет два глухих зеркала с осевым отверстием ввода лазерного излучения на одном из зеркал.

При этом оптический реактор выполнен в виде плоского оптического резонатора, в виде устойчивого конфокального оптического резонатора или в виде неустойчивого телескопического оптического резонатора.

Изобретение поясняется чертежами, на которых нa фиг.1 показана упрощенная принципиальная схема предлагаемого устройства (оптического реактора), выполненного в виде устойчивого конфокального оптического резонатора; на фиг. 2 - схема реактора, выполненного в виде неустойчивого телескопического резонатора; на фиг.3 - оптическая схема реактора, выполненного в виде плоского оптического резонатора. Оптический peaктор состоит из глухого (полностью отражающего) входного зеркала 1 с центральным осевым отверстием связи 5 и глухого заднего зеркала 2. Зеркала 1, 2 могут быть как плоскими (см. фиг.3), так и сферическими (см. фиг.1, 2). Излучение от внешнего лазерного источника заводится в оптический реактор через осевое отверстие 5 на переднем зеркале 1. Внутрь реактора предварительно помещена кювета, однородно заполненная обрабатываемым дисперсным материалом в виде частиц, взвешенных в газе. Несущий частицы газ выбирается так, чтобы интенсивная линия поглощения оптического излучения газом была отличной от длины волны λ ЛИ.

Работу устройства рассмотрим на примере оптического реактора, выполненного в виде устойчивого конфокального резонатора (см. фиг.1). Глухое сферическое зеркало 1 с отверстием ввода ЛИ и глухое сферическое зеркало 2 образуют устойчивый конфокальный оптический резонатор. Начальная плоская волна от внешнего лазерного источника, расширясь в пространстве за счет рассеяния на частицах и дифракции на входном отверстии, взаимодействует с дисперсной компонентой, предварительно распыленной в объеме реактора, и достигает второго зеркала реактора. При отражении от зеркала 2 прошедшая дисперсную среду волна трансформируется в сходящуюся сферическую волну 3. Пройдя область перетяжки, расходящаяся сферическая волна дифрагирует на краях переднего зеркала и отверстия и вновь трансформируется в плоскую волну 4, заполняющую весь модовый объем реактора. Таким образом, поле внутри реактора образовано двумя волнами - плоской и сферической, распространяющимися навстречу друг другу. Интенсивность входного ЛИ варьируется так, чтобы плотность энергии поля в области перетяжки оптического реактора на превышала пороговой плотности энергии оптического пробоя для заданных частиц. Ограничения по интенсивности входного излучения в области перетяжки снимаются для оптического реактора, выполненного в виде плоского оптического резонатора (см. фиг.2) или неустойчивого телескопического резонатора (см. фиг.3).

Пример. Оптический peактоp длиной L_z=60 см, диаметром зеркал 2L_r=6 см и диаметром отверстия связи d=0,8 cм заполнен частицами графита с радиусом r_o= 1 мкм, инжектированными в атмосферу азота при нормальном давлении. Под действием внешнего ИК ЛИ (λ=10,6 мкм) интенсивности I_o=12 МВт/см² достигаются высокие скорости нагрева дисперсных частиц порядка 10⁹ К/с до температуры фазового превращения. В условиях такого скоростного нагрева и высоких темпов охлаждения частиц в оптическом реакторе углеграфитовые порошки могут переходить диффузионным реконструктивным путем в ультрадисперсный алмаз.

Формула изобретения

1. Способ лазерной обработки дисперсных материалов, включающий распыление дисперсных материалов в несущем газе и облучение частиц материала лазерным излучением, отличающийся тем, что облучение частиц осуществляют прямым падающим и обратным отраженным излучением, при этом длину волны лазерного излучения выбирают отличной от длины волны интенсивной линии поглощения несущего газа, а обработку материала ведут с возможностью управления режимами скоростного нагрева и охлаждения частиц путем изменения параметров лазерного излучения.

2. Устройство для лазерной обработки дисперсных материалов, содержащее внешний лазерный источник и реактор, объем которого заполнен обрабатываемым дисперсным материалом, отличающееся тем, что реактор выполнен оптическим и имеет два глухих зеркала с осевым отверстием ввода лазерного излучения на одном из зеркал.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оптический реактор выполнен в виде плоского оптического резонатора.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оптический реактор выполнен в виде устойчивого конфокального оптического резонатора.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оптический реактор выполнен в виде неустойчивого телескопического оптического резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3