发动机中冷器脉冲激光焊接研究

采用YAG激光作为焊接热源,对3mm厚的奥氏体不锈钢板和直径6mm、壁厚0.4mm的不锈钢管单面激光焊接工艺进行了研究.实验结果表明:对焊面的打磨、抛光和紧密接触对防止焊缝中产生过多的气孔和提高焊缝的机械性能有重要作用;激光功率密度、焊接速度、脉冲宽度和脉冲频率四个参数是实现脉冲激光焊接的关键因素.经理论推导,确定了在脉冲激光最大平均输出功率300W、单脉冲能量60J、脉冲频率5Hz、焊接速度0.75mm/s的限定条件下,最佳工艺参数组合为脉冲宽度8ms和峰值功率7.5kW.与经钎焊所得焊缝质量相比,其抗剪切强度有明显提高.     

激光透射焊接塑料实验研究

为了研究焊接参数(如激光功率、焊接速度)对激光透射焊接塑料强度以及显微结构的影响,采用YAG激光器(功率为300 W,波长为1064 nm)进行聚碳酸酯(PC)材料的激光透射焊接。然后,利用万能材料试验机对焊接后的试件进行拉伸测试,最后利用光学显微镜对焊缝进行微观结构观察,测量焊缝宽度,分析焊缝质量。结果表明,透明PC塑料厚度在1~3.5 mm之间,透射率变化不明显。随着激光能量输入从0.27 J/mm增加到1 J/mm,焊接强度增加;当激光能量输入超过1 J/mm后,焊接强度开始减小。当透明塑料厚度为3.5 mm、激光功率为40 W、焊接速度为40 mm/s时,拉断力可达到峰值1.3 kN。为了提高焊接强度,应严格控制激光能量输入。     

玻璃激光焊接气孔控制研究

为了获得成形良好、气孔少的玻璃焊接焊缝, 采用在中间层添加对激光波长不透明玻璃料的方法, 对玻璃与玻璃激光焊接中出现的气孔问题进行了研究。以半导体激光作为热源, 搭建了用于玻璃与玻璃激光焊接的成套焊接设备, 对玻璃与玻璃激光焊接工艺进行了实验研究。通过分析气孔分布特征, 统计焊缝气孔率, 测量气孔尺寸, 对比焊缝正、反面形貌差异, 研究了激光平均功率、焊接速率等工艺参量对焊缝气孔产生的规律及表面形貌的影响。结果表明, 当激光功率过小、焊接速率过慢时, 不利于抑制焊缝中气孔的产生, 并且出现未焊上的情况; 随着激光功率、焊接速率的增加, 焊缝当中的气孔率显著上升; 在激光功率P=35W、焊接速率v＝0.1m/min、离焦量d=-15mm时, 可获得成形良好、气孔直径在3.696μm以下且分布均匀的焊缝, 连接强度高。此研究可为玻璃的激光封接制造提供理论依据, 具有广泛的工业应用前景。     

脉冲激光沉积类金刚石膜红外增透技术研究

针对传统方法制备类金刚石(DLC)膜存在的3～5μm波段红外透过率低这一难题,采用飞秒脉冲激光沉积(PLD)法在红外材料硅基底上镀制DLC膜.重点考查了靶材与基片的间距、背景气压、激光单脉冲能量、负偏压、温度以及掺硅量等工艺参数对其透过率的影响,经过大量的实验与优化分析,总结出一套有效的脉冲激光沉积DLC膜工艺来制备优良的光学保护增透膜.相比传统工艺,大大提高了3～5μm波段的平均红外透过率,在硅基底上单面镀制DLC膜的最高红外透过率达到了68.2%,与理论最高值的68.7%仅相差0.5%.     

飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验

为研究飞秒激光脉冲对涡轮叶片材料的冲击打孔特性，使用双脉冲改写方程的激光光源项，并对涡轮叶片材料进行数值模拟，得到了镍基高温合金在飞秒激光双脉冲冲击打孔下的晶格和电子温度。通过对比单脉冲的模拟结果发现:双脉冲烧蚀情况下，材料电子和晶格出现2个峰值温度，且电子和晶格的平衡温度相比单脉冲提高345ｋ，平衡时间延长了5ps，用 美国Ray Crop生产的飞秒脉冲激光器，对镍基高温合金材料在不同的激光参数下:激光脉冲宽度、激光能量、激光频率、脉冲间隔对材料的烧蚀进行双脉冲打孔，得到孔的形貌特征，并与单脉冲打孔对比发现双脉冲打孔的质量和效率优于单脉冲。     

2.794μm高重复频率Fe2+:ZnSe被动调Q激光器脉冲特性理论分析与实验研究

3μm波段被动调Q激光可饱和吸收体的损伤阈值较低，在高峰值功率、高重复频率条件下非常容易出现损伤。理论分析了可饱和吸收体的初始透过率和输出镜的反射率对被动调Q激光输出脉冲宽度的影响。采用两种具有不同初始透过率的Fe²⁺∶ZnSe晶体进行了氙灯泵浦的Er,Cr∶YSGG激光器被动调Q实验研究。结果表明，具有低初始透过率的可饱和吸收体能够获得较低的脉冲宽度，且具有高初始透过率的可饱和吸收体能够通过提高输出镜的反射率来压缩脉冲宽度，脉冲宽度与晶体棒直径无关，实验结果与理论结果吻合。通过优化腔内布局实现了高重复频率、高峰值功率的2.794μm被动调Q激光输出，激光器在60 Hz重复频率下分别获得了单脉冲能量4.7 mJ和7.0 mJ的调Q激光输出，脉冲宽度分别为97.0 ns和72.6 ns。研究结果为被动调Q激光器的设计提供了理论指导。     

薄板AZ31B镁合金脉冲Nd:YAG固体激光焊接工艺研究

利用500W脉冲Nd:YAG固体激光对2mm厚的AZ31B变形镁合金的焊接工艺进行了研究.结果发现,平均功率和脉冲宽度相同时,熔深熔宽随着脉冲频率的增大而减小;平均功率和脉冲频率相同时,峰值功率和脉冲宽度是影响焊缝几何尺寸的主要参数;脉冲频率和脉冲宽度相同时,熔深熔宽随着平均功率、峰值功率和单脉冲能量的增大而增加;在相同的平均功率、峰值功率和占空比下,脉冲宽度是影响焊缝几何尺寸的主要参数,峰值功率较高时,大的脉冲频率导致大量飞溅的产生,增加了熔池的不稳定性;脉冲激光焊接镁合金时应遵循较大脉宽、低频率、中等峰值功率的原则.     

LD泵浦Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体kHz微型激光器EI北大核心CSCD

目前1.5μm LD泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出能量和重频的增加,玻璃面临突出的热效应问题,晶体的热导率是玻璃的10倍以上,有望能够实现比玻璃基质更大脉冲能量和更高重频的激光输出。文中报道了一种采用LD脉冲端面泵浦、铒镱共掺焦硅酸镥晶体为增益介质的1537 nm被动调Q微型激光器。通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M^(2)=1.33的激光输出。以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M^(2)=1.51的激光输出。结果表明,Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体是实现高重频1.5μm激光输出的优良介质。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q人眼安全微片激光器具有重要的参考意义。     

双钨酸钇钠晶体Cr^4＋：YAG被动调Q激光特性

采用氙灯泵浦，首次实现了掺钕双钨酸钇钠（Nd:NYW）晶体以Cr^4 ：YAG作为被动调Q元件的1.064um激光运转，测量了不同小信号透过率及不同泵浦能量下激光单脉冲的输出能量、脉冲宽度和重复率，以GdCOB为倍频晶体，首次实现了Nd:NYW晶体的倍频调Q运转，测量了0.53um调Q脉冲绿光的输出能量和脉冲宽度。     

聚氯乙烯激光透射焊接温度场的有限元模拟

使用ANSYS软件,建立了使用激光透射焊接技术焊接透明聚氯乙烯(PVC)的三维有限元热分析模型.利用APDL编程实现高斯型热源的动态加载,得到了温度场的分布;进一步分析了焊接速度、激光平均功率和光斑直径等工艺参数对焊接质量的影响,并计算出焊缝宽度.结果表明,随着焊接速度的增加,焊缝区域的最高温度逐渐降低,焊缝宽度逐渐减小;当激光平均功率增大时,焊缝区域的最高温度增高,焊缝宽度增大;而当光斑直径增大时,焊缝宽度增大,但焊缝处的最高温度有所下降.焊缝宽度计算值与实验测量值相比,二者比较吻合.     

光敏玻璃在飞秒激光作用下的析晶

采用高温熔融法制备了银掺杂的锂铝硅酸盐微晶玻璃.经近红外飞秒激光照射和热处理后,通过显微镜观察及X射线衍射分析发现,玻璃内部形成以银原子为晶核的Li2O·Al2O3·3SiO2多晶结构微晶,晶体细小,呈乳白色,为六方晶系,呈现空间取向分布结构.飞秒激光照射部位玻璃折射率发生明显变化,出现析晶;未照射部位折射率无明显变化,仍为玻璃体.利用光致折射率变化和飞秒激光的空间选择特性,可望在玻璃内部实现微光栅、波导、微机械器件、光学掩模等微结构.     

1.06μm脉冲抽运的Cr4+:YAG激光器的研究

采用1.06μm调Q激光脉冲抽运Cr4+YAG晶体,实现Cr4+YAG激光器的增益开关运转.当输出镜透过率为3%,抽运能量为85mJ时,发射中心波长为1.44μm的激光脉冲,脉冲宽度和能量分别为12ns和2.84mJ,光-光转换效率为3.3%.实验上比较了采用不同透过率的输出镜时,Cr4+YAG激光器的输出能量和转换效率与抽运能量的关系,以及不同抽运能量下的1.44μm激光脉冲的宽度和建立时间.结果表明,随着抽运能量的增加,脉冲宽度和建立时间减小;转换效率在较大抽运能量时下降;对此进行了合理的理论分析.     

脉冲CO2激光损伤K9玻璃的实验与仿真

对脉冲CO2激光损伤K9玻璃进行了实验与仿真研究.采用输出脉宽为10μs的脉冲CO2激光器对K9玻璃样品进行激光损伤实验,并且建立了脉冲CO2激光损伤K9玻璃的理论模型,利用有限元法对K9玻璃样品中的温度和应力分布进行数值分析.研究表明,K9玻璃的损伤阈值为6.533 J/cm2;入射激光能量密度越高,样品的损伤程度就越大,并且多脉冲对样品的损伤程度明显大于单脉冲;在激光能量较强的情况下,K9玻璃表面在光斑区域内形成熔融损伤和由压缩应力造成的应力损伤,在光斑区域外围则形成由环向拉伸应力造成的应力损伤,仿真分析结果与实验结果吻合良好.     

单脉冲飞秒激光作用下晶态GeSb2Te4相变薄膜的非晶化过程

利用飞秒激光的抽运探测技术，研究了单脉冲飞秒激光作用下GeSb2Te4相变薄膜的非晶化过程，测量了相变薄膜的时间分辨光学显微图。所研究的系统为多层薄膜结构100 nm ZnS-SiO2/ 35 nm GeSb2Te4 /120 nm ZnS-SiO2/0.6 mm ，飞秒激光的脉冲宽度为108 fs，波长为800 nm。实验发现相变薄膜从晶态至非晶态的相转变过程可以在 2.6 ns内完成。讨论了相变薄膜的厚度对系统的热传递、快速凝固过程的影响，分析了相关热过程和热效应，解释了抽运探测实验数据，并探讨了单脉冲飞秒激光诱导相变薄膜非晶化的机制。     

飞秒激光脉冲宽度测量研究

为了快速准确地测量飞秒激光脉冲宽度,采用二阶自相关方法,设计了用于测量飞秒激光脉冲宽度的测量系统。结果表明,通过自主设计的系统测得800nm种子激光脉冲宽度为217.6fs,而利用Coherent公司生产的单脉冲自相关仪测得脉冲宽度为199.51fs,两者误差仅为0.43%。由此可见,自主设计的测试系统可以对飞秒激光脉冲宽度进行准确测量。     

皮秒染料激光放大器

近几年来,由于采用了对撞脉冲锁模(CPM)的方法,使激光脉冲的宽度达到飞秒量级,但由于产生的激光单脉冲能量只有100pJ左右,使它的应用受到很大的限制,因此我们必须用高功率的激光脉冲泵浦染料放大器使飞秒光脉冲的能量达100μJ左右,期望用放大的飞秒光脉冲作为有效的手段,在物理学、化学、生物学及光电子学等领域,以求获得突破性的进展。     

兆赫兹飞秒激光脉冲制备“珍珠串”光波导

对纳焦量级的高重频飞秒激光在玻璃内部制备"珍珠串"光波导进行了研究。在制备过程中向外辐射出白光连续光谱,实验结果表明飞秒激光脉冲能量和运行速度对"珍珠串"光波导的形成有较大影响,在激光脉冲能量10.5 nJ,玻璃运行速度为0.2 mm/s情况下制备的"珍珠串"光波导结构较好,"珍珠串"的横向宽度为19μm,"珍珠串"的间隔周期为20μm。制备的"珍珠串"光波导能对玻璃内传输的He-Ne激光进行有效约束。最后对玻璃内部制备"珍珠串"光波导的机制进行了分析。     

飞秒激光直写磁光玻璃波导研究

用飞秒激光在硼铝硅酸盐类磁光玻璃中直写光波导 。对比了 飞秒激光在TG20和TG28两种Tb³⁺浓度不同的硼铝硅酸盐玻璃中的磁光波导的效果 ,并研究 了飞秒激光脉冲的能量和偏振对波导的模式以及Verdet常数的影响。实验结果表明,圆偏振 光具有更低的 阈值能量,且诱导的折射率增量高于同功率的线偏振光,首次在实验上证明飞秒直写加工硼 铝硅酸盐磁光 玻璃时,折射率的改变主要源于离子键的三或四光子吸收过程。磁光系数测量表明, 飞秒激光的功 率与偏振对TG28中波导Verdet常数的影响较弱,Verdet常数损失量小于体材料的15%,而在TG20中 却可以达到70%。实验结果表明,TG28比TG20更适用于飞秒激光加工 磁光微结构,即通过对 磁光玻璃中掺杂离子浓度的选择,可以实现高磁光系数、高折射率调制的光学微结构的制备 。     

基于响应面法的玻璃激光焊接焊缝及气孔研究

为了获得气孔率低、玻璃料完全熔化、形貌良好的焊缝, 采用响应面法中的设计原理, 建立了玻璃激光焊接中焊缝缺陷面积占比率与工艺参数(预烧结峰值温度、激光功率、焊接速率和离焦量)的数学模型。基于所建模型, 理论分析了各工艺参数对焊缝缺陷面积占比率的交互影响趋势, 并对工艺参数进行了优化。结果表明, 在预烧结峰值温度为440℃、激光功率为37W、焊接速率为0.1m/min、离焦量为14.4mm的优化参数下进行实验, 焊缝中气孔面积和玻璃料未完全熔融面积之和仅占焊缝总面积的0.512%, 与模型预测结果吻合, 焊缝表面形貌良好, 焊缝剪切强度为17.765MPa, 高于标准值。该模型优化出的工艺参数是合理的, 该研究有助于提高玻璃激光焊接质量。     

基于多层薄板的全固态高能量飞秒激光脉冲非线性压缩技术

基于掺Yb³⁺光纤和掺Yb³⁺晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲具有较高的脉冲能量和平均功率,被广泛应用于科研和工业生产;但受Yb³⁺增益介质增益带宽的限制,输出脉冲宽度很难小于300 fs。利用飞秒激光脉冲在多层薄板中的自相位调制效应,分别对基于掺Yb³⁺光纤和掺Yb³⁺晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲进行非线性压缩。通过优化非线性压缩装置的各项参数,实现了对低能量、窄脉宽和高能量、宽脉宽脉冲的非线性压缩,分别获得了脉冲能量为64μJ、脉冲宽度为42 fs和脉冲能量为315μJ、脉冲宽度为79 fs的飞秒激光脉冲输出,第一级非线性压缩效率均超过80%,整体压缩效率分别为53%和65%。