具有特定光强分布的激光表面硬化技术

利用光束变换技术得到不同光斑形状和不同强度分布的光束,可满足表面硬化所需要的硬化层均匀性等要求.激光硬化在材料表面产生的实际效果与光强分布密切相关,利用特定光强分布的光束进行激光硬化可以得到所需要的温度场及组织分布,直接影响材料表面硬化的效果.对高斯光束圆光束、平顶矩形光束、曲边矩形光束、点阵光斑等不同强度分布的激光表面硬化(LSH)技术进行了介绍.硬化层特定的硬度分布及组织结构等硬化效果是特定光强分布激光束与材料相互作用的结果,要获得所需硬化效果,则需要利用反求方法设计与硬化效果相对应的特定光强分布的光斑.给出了特定光强分布的激光表面硬化技术的发展趋势.     

用于激光加工中的矩形孔径Dammann光栅光束变换技术

针对大功率激光加工对光束空间强度分布的实际要求,提出了一种用二元光学元件对光束进行变换的方法,即利用均匀采样的矩形孔径Dammann光栅对激光高斯光束进行光束变换,可满足任意点阵分布的输出要求.以线状、均匀、环状和非均匀分布的光强输出为例,介绍了矩形孔径Dammann光栅光束变换技术的设计原理及实现方法,结果表明输出光强分布具有较高的衍射效率和均匀性.将均匀和非均匀分布的输出光束应用在激光加工技术的表面强化上,结果表明试样表面的硬度和耐磨性等力学性能均有提高并且强化层具有较好的均匀性.     

光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善

使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。     

高斯光束的偏心分布

本文人正常高斯光束的复振幅表达式出发，通过傍轴光波传输公式，得到偏心高斯光束的复振幅和光强分布表达式以及数值模拟光强分布曲线，并与正常高斯光束光强分布的对称性进行了比较。     

基于非球面镜像差效应的长焦深高斯光束均匀化光学系统设计

近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而,高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度,实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布,但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此,本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统,系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成,所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜,能够实现99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为1064 nm,工作距离为1000 mm,系统总长为135.2 mm,耐受激光功率不小于300 W。设计结果表明:整形后的平顶高斯光束有效焦深为±100 mm,光束均匀性≥95%,会聚角为17.52 mrad,能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统,具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。     

激光诱导扩散区温度分布的均匀化

用连续波激光诱导扩散制作单片集成光接收机中的探测器时，激光照射形成的高温区面积很小。当入射激光焦斑光强为高斯分布甚至“平顶帽形”分布时，微小扩散区温度分布的均匀性都不能达到实验的要求。提出了用掩模对入射高斯光束进行空间调制的方法来实现扩散区温度的均匀化。该方法的关键是计算出实现均匀的温度分布所需要的焦斑光强分布参数。给出了计算方法和计算实例。结果表明，均匀化后，在扩散区平均温度上升值为500K时，扩散区内的最大温度差为3．9K，并且高温区的温度分布接近“平顶帽形”。     

基于计算机模拟的激光淬火边缘效应分析研究

利用计算机模拟技术对激光淬火进行了温度场模拟,通过实验与模拟结果对比确定了激光淬火中表面经过磨削加工并喷涂了黑色快干漆的GCr15钢对激光光束能量的吸收率.通过利用不同工艺参数进行模拟,得到了在不同激光淬火工艺参数作用下的模拟淬火温度场,从而分析了进端、出端边缘效应对淬火温度场的影响.最后通过反复模拟试验,提出了利用合适的激光淬火工艺参数以及加速的方法实现淬火过程中瞬时最高淬火温度的均匀,进而保证激光淬火硬化层的均匀.     

激光辐照铝材表面温度场特征演化的数值模拟

建立激光辐照铝材料的有限元分析模型,对材料表面的温度场进行数值模拟。研究了激光光束在对材料表面扫描过程中激光扫描速度、TEM00及TEM10两种理想模式的叠加比例η的取值、材料厚度等因素对扫描结果的影响。分析了在材料上所取的几个目标点的温度场变化情况。仿真结果表明扫描的速度快慢决定了材料表面可以吸收激光能量的多少,影响材料的最高温度;η的取值决定了激光光束的能量分布情况,η值越高激光光束能量越集中,在扫描过程中目标点的温度变化越剧烈;随着深度的增加,材料内部的温度的最高值逐渐降低,温度的升高趋势逐渐趋于平缓。     

激光热处理光束优化系统

激光束的光强分布以及光斑形状对激光热处理硬化层性能影响极大,一般要求光强均布的矩形光斑或宽带光斑;但是光强均布的激光束不一定产生均匀的硬化层,目前的激光热处理光束优化装置得到的是中间厚,两边薄的月牙形分布硬化层.为了改善激光热处理硬化层分布的均匀性,在分析国内外激光热处理光束优化系统研究现状及存在问题的基础上,提出了光束优化系统的两种方案,激光扫描环形光斑和线形光斑.建立了两种光斑温度场的数学模型,模拟了温度场分布.从理论上说明了两种方案能够改善激光热处理硬化层分布均匀性.     

高斯光束变换成方形均匀焦斑的衍射光学元件的研究

采用二维加权串行迭代算法(WSI)设计了8台阶的衍射光学元件(DOE)进行激光光束整形,将圆形高斯激光束变换为10μm×10μm的方形均匀焦斑,同时满足了二维激光光束形状的改变及振幅分布均匀化的功能;应用到高密度全息存储中,实现了入射到记录材料上焦斑强度的均匀分布。模拟计算结果表明,转换到均匀区的能量效率达到912%,平顶区的不均匀度为46%,误差小于0023%,基本上达到了设计的要求。同时分析了衍射光学元件对入射高斯光束的束腰半径及傅里叶变换透镜焦距的宽容度,还制作出了8台阶量化相位衍射光学元件的三套掩膜板。     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

摆动反射镜实现高功率激光束的平滑化

为了获得均匀化、平顶的高功率激光束，设计了一种以平面镜为输出镜、凹面镜为全反镜的新型谐振腔结构，由于凹面镜的周期摆动使得输出光束强度分布得到一个时间上的均匀化，得到近似的“平顶”高斯型。建立了理论模型，并对该整形方式进行理论分析与数值模拟。理论计算和实验结果都表明．采用这种新型的整形方式，CO2激光器输出光束光强的空间分布得到了明显的均匀化。此方法避免了传统高功率激光光束整形的弊端，提高了系统的可靠性，简化了结构设计。     

一种表面粗糙度非接触快速测量的新方法

照射在样品表面的激光束随着表面粗糙度的不同,反射光密度分布将不同;表面粗糙度增大时,反射光密度将被扩展。本文根据这一原理,提出一种使用激光束快速测量表面粗糙度的无触点光学法。通过测量反射光密度分布曲线的半宽度,由高斯曲线系数的标准差计算表面粗糙度。文中给出了测量结果。     

激光熔覆过程中熔池对流运动对熔覆层气孔和元素分布的影响

激光熔覆时熔池对流运动对熔覆层成分和气孔缺陷分布具有较大影响。通过在灰铸铁和45钢两种基体上进行激光熔覆NiCuFeBSi 系合金的工艺试验,对熔池的对流运动形式进行了机理分析与试验验证。结果表明,受熔池强对流运动影响,熔覆层气孔呈均匀弥散化分布趋势;且自熔覆层底部向顶部方向合金元素分布均匀,无缓慢过渡特征。根据YAG 激光光斑能量的高斯分布特征,获得了熔池对流运动的驱动力是熔池温度分布不均形成的熔池表面张力梯度。而且熔池表面张力梯度与激光能量密度,熔池温度,熔体对流运动速度是彼此密切相关的。熔池对流运动机理分析表明,热流密度越高,温度越高,表面张力梯度越大,熔体对流运动速度越大。     

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。     

半导体基片在10.6μm激光局域加热时的温度上升

在激光诱导扩散等激光微细加工技术中，需要用聚焦激光束照射基片表面，以形成局部高温区。为使局部高温区的温度分布满足实验要求，对10．6pm聚焦连续波CO2激光束照射下半导体基片的温度上升进行了数值计算。计算中考虑了基片材料对10．6μm激光的吸收系数随温度的变化。计算得到了温度上升与基片预热温度、入射激光束功率及曝光面积等参数的关系。结果表明，基片初始温度为室温及激光焦斑直径小于100μm时，激光照射形成稳定高温区的最高温度不超过600K。增加基片初始温度，可以在建立满足要求的温度上升的同时，减小基片上高温区分布的面积。在同一初始温度下，在基片高温区分布的面积符合实验要求的前提下，应尽量使用较大的光斑尺寸和激光功率，从而使基片表面热斑的温度分布更易控制。     

一种无触点快速测量表面粗糙度的方法

提出一种使用激光束快速测量表面粗糙度的无触点光学方法。一束照射在样品表面的激光束随着表面粗糙度的增大反射光的密度分布将被扩展,可用PCD测出从铝制样品表面反射光的密度分布。被反射光的密度曲线可通过高斯函数近似地求出。密度分布曲线的宽度由高斯曲线系数的标准差计算出来,此标准差近似等于密度曲线的高斯函数的标准差,密度曲线的中线平均粗糙度随着高斯曲线系数的增加而增加。粗糙度Ra在0.1～0.5μm的范围内,可利用实验公式Ra=0.088GCP+0.032通过测量GCP得到。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术，可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下，也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响，如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数，如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等，以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验，对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明，在激光喷丸强化工件时，残余压应力层厚度存在一个最佳值，此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优，喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响

为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响, 基于瑞利-索末菲标量衍射理论, 对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下, 均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明, 波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响, 从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率, 而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小, 即在高斯强度分布下, 在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑; 在非焦平面处, 即使初始脉冲具有高斯强度分布, 非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显; 对于所研究的30fs(1/e2半宽度)超短脉冲, 波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。