2.便携式DAC激光加热系统的设计
该系统由两个主要部件组成:激光光源和通用激光加热头(UniHead)(图1和2). 作为激光源,我们测试了两种SPI激光器英国型号,一种是G3(30 W光纤耦合脉冲激光器,重量9 kg,激发波长1064 nm),另一种是SPI100调制的高功率光纤激光器(100 W,重量40 kg,激励波长1064纳米)。30 W脉冲激光器仅用于验证(成功)所有光学元件(见下文)在50 kHz重复频率下可维持高达300 W的峰值功率;本文的所有结果都是用SPI100激光器获得的。
| 图1 安装在光束线ID24上的通用激光加热头(UniHead)(一)用于X射线吸收近边缘光谱测量和光束线ID18(b条)位于ESRF(法国格勒诺布尔)(左上角插图),用于核能非弹性散射在一个大的侧开DAC中进行实验(插入左下角)。1、SPI100光纤激光器连接器;2、照明单元;3、用于聚焦入射激光的透镜单元;4、数字摄像机;5、光谱测量模块;6、DAC安装在支架内;7、安装板;8,用于碳激光镜的支架。 |
| 图2 UniHead光学组件示意图。左下角的插件显示了激光加热的垂直几何布局。 |
UniHead基于Precitec KG(德国)生产的有限切割激光头(重量~4.5 KG)。最初,FCS(精细切割系统)是为三维切割、医药行业的细丝轮廓切割以及精细机械和手表行业的应用而开发的。它可以在波长为1030–1090 nm(Nd:YAG、光盘和光纤激光器)的最大激光功率为500 W的情况下工作。
便携式激光加热系统中UniHead的功能是将入射激光聚焦到DAC内的样品上,通过白光提供照明,以观察DAC中的样品,并提供光学光谱测量(多波长光谱辐射测量、红宝石荧光测量、拉曼光谱等。).
为了聚焦1064 nm激光辐射,UniHead采用了一个弯曲镜(它还充当了一个对400–900 nm波长范围内的光透明的分束器)和一组工作距离为80 mm的透镜。可以调整反射镜和透镜的位置,以实现最佳(圆形)光束形状及其相对于仪器光轴的居中。SPI100激光器产生的光束直径为~3 mm,强度分布为高斯形状,在半最大值处的半宽度为~30µm,焦点位置的焦距为~10µm;而如果使用×2光束扩展器,光束大小将增加到~60µm且焦距为约3–4µm。请注意,尽管我们没有按照Prakapenka的建议使用激光束整形器进行实际测试等。(2008)如果要修改UniHead提供的激光束强度剖面,这似乎是一个简单的策略。
样品的照明是通过内置50 W卤素灯实现的。它通过透镜、扩散器和分束器向样品输送均匀的光流。
为了观察DAC中的样品和激光加热过程,我们使用高分辨率GigE uEye(SUXGA,2048×1536)数码相机。数码相机的软件可以放大观察区域的一部分,并标记和跟踪图像中的某个位置,这对系统的对准非常有用。
光谱测量模块利用原始(Precitec KG工业生产的FCS)系统中使用的光学访问窗口控制切割过程(图1)和2). 该模块包括共焦配置中由针孔隔开的两个×50物镜(图3). 使用直径为50µm的针孔,观察面积减少到约5µm,这比激光束光斑的大小小几倍。其中一个物镜安装在一个小型三维舞台上,并与光纤连接。第二个物镜安装在一个小的二维倾斜台上,用于对准。实验室颗粒分离器光纤组件(Ocean Optics)的一端连接到一个小型固态100 mW 532nm激光器(用于激发红宝石荧光),另一个附在海洋光学QE65000光谱仪上(主要用于测量激光加热样品发出的热辐射,也可用于红宝石荧光测量或激光加热电池中的拉曼光谱)。
| 图3 连接到UniHead的光谱测量模块(6)。1和2是安装在三维(4)和二维(5)倾斜台上的×50物镜。针孔安装在微型三维舞台(3)上。 |
5.结论
我们开发了一种便携式激光加热系统,该系统由两个主要部件组成:光纤激光器和通用激光加热头(UniHead)。该系统的主要部件是工业生产的,这使得复制工作变得相当简单。便携式激光加热系统的模块化结构允许其在不同的修改中应用:用于在单独的DAC中或在与UniHead连接并一起移动的单元中加热样品,该单元具有正常(DAC和UniHead的光轴重合)或垂直(DAC与UniHea德的光轴之间为90°)几何图形,带或不带光谱模块。该系统已用于激光加热DAC的内部常规实验(样品退火、熔化实验、激光加热DACs中的拉曼光谱等。)以及就地ESRF的高压高温NIS和NFS研究。