“超快激光加工与微纳制造”专题前言

<正>激光制造技术历经多年的研究发展,涵盖了以激光表面工程、激光焊接、激光切割、激光制孔、激光标记、激光增材制造等为代表的宏观制造技术,以激光微焊接、激光精密切割、激光精密钻孔、激光烧蚀等为代表的激光微加工技术,和以飞秒激光直写、双光子聚合、干涉光刻、接触离子透镜序列、激光诱导表面纳米结构和纳米颗粒激光制备等为代表     

基于响应面法的离体皮肤组织激光融合切口性能多元非线性回归模型

基于响应面法设计方法对离体皮肤组织进行脉冲激光焊接实验,获得了组织切口的抗张强度和峰值温度数据;在单因子实验的基础上,以激光功率、光斑移动速率、激光频率作为3个影响因子,建立多元非线性数学回归模型,通过方差分析和回归分析得出该回归模型的相关系数:切口抗张强度的相关系数为0.9131,切口峰值温度的相关系数为0.9985。模型分析结果表明:激光功率、光斑移动速率和激光频率3个因素的主效应和交互作用对切口性能具有很大影响,对切口抗张强度影响最大的主效应为激光功率,交互效应为激光功率与光斑移动速率;对切口峰值温度影响最大的主效应为激光功率,交互效应为激光功率与光斑移动速率、激光功率与激光频率、光斑移动速率与激光频率。最后依据回归模型得出了最优激光工艺参数组合,回归模型预测响应值与实验结果相吻合,且切口强度满足要求。     

高斯和平顶分布纳秒激光诱导KTP晶体损伤

KTP晶体的抗激光损伤能力影响了其在高端固体激光系统中的应用。利用波长为1.064μm、重频为10 Hz、脉宽为10 ns和两种空间分布的光束(即高斯光束和平顶光束)的激光对KTP晶体进行了激光诱导损伤的仿真和实验。结果表明,在平顶激光和高斯激光的损伤测试中,KTP晶体的激光诱导损伤阈值分别为1.78和2.28 GW/cm^(2)。平顶激光辐照KTP晶体,损伤形貌为明显的烧蚀形态和裂纹,而高斯激光辐照KTP晶体时,前表面出现了典型的纳秒激光损伤形态,即熔融形成的凹坑。此外,在平顶激光测试下,观察到损伤区域边缘颜色变化。     

高压输电线异物激光清除三维仿真研究

激光以其优异的性能在输电线路异物清除领域具有广阔的应用前景。为了安全、高效地清除输电线异物,须对激光与异物组织的作用机理进行研究。本文分析讨论了激光与尼龙材料的热作用机理,建立了激光束切割尼龙材料的三维数值仿真模型,仿真研究了不同激光移动速度和光斑尺寸下尼龙材料三维动态烧蚀形貌,分析研究了激光移动速度和光斑尺寸对材料烧蚀深度的影响趋势。结果表明,激光功率和光斑尺寸一定时,材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与激光移动速度成反比;激光功率和移动速度一定时,材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与光斑尺寸成反比。当激光功率为100W、光斑半径1cm时,烧蚀过程中不发生明火的激光最小移动速度为05cm/s。当激光移动速度为2cm/s、功率为100W 时,不发生明火的光斑最小直径为03cm。     

激光推进的理论及实验研究

报道了激光技术国家重点实验室在国防预研项目和航天研究基金的支持下,进行激光推进的部分结果.理论上研究了激光推进的激光推力、比推力、能量耦合系数和功率转换效率等参数与激光参数以及使用材料的性质的关系.实验上研究了铝、聚四氟乙烯、有机玻璃等不同靶材的激光推进效果;将单脉冲能量为7 J、脉宽为1 ms的YAG激光聚焦后作用在环氧树脂上,得到了单脉冲的激光推力为0.5牛顿、比推力为120 s、能量耦合系数8达因/瓦、功率转换效率为4.99%;采用YAG倍频激光器、准分子激光器及TEACO2激光器,研究了激光推进效果与波长的关系. 研究结果表明激光推进参数与激光参数(波长、功率、脉冲宽度、重复率)及使用材料的性质有很大的关系.激光能量越大,脉冲宽度越窄,光斑尺寸越小,所产生的激光推进效果越好.(OE35)     

输出功率50 W的脉冲染料激光放大器

推导了准稳态下横向抽运的脉冲染料激光放大器的简化速率方程,提出了双侧横向抽运方式的脉冲染料激光放大器的设计原则和设计方法.应用高功率脉冲染料激光放大器的物理设计结果,研制了输出功率为50 W的脉冲染料激光放大器的实验装置.采用铜蒸气激光(CVL)作为抽运光,在此染料激光放大器上进行了实验研究,获得染料激光输出功率为52 W,抽运激光功率提取效率为41%.给出了染料激光波长、注入染料激光功率以及抽运激光的时间和空间匹配特性与染料激光放大器输出激光功率和抽运激光功率提取效率的相互关系,讨论了染料溶液浓度对双侧横向抽运方式的脉冲染料激光放大器的输出光束质量的影响.     

复合激光损伤CMOS图像传感器实验研究

激光是对抗光电侦察的有效方式。为了提高损伤效能,探索了复合激光损伤光电探测器的新思路。分别开展了波长1064 nm和532 nm、脉宽10 ns的激光及其双波长复合激光,以及波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光及其双脉宽复合激光对CMOS图像传感器的损伤效能实验。结果表明,双波长复合激光对CMOS造成严重损伤时的基频光能量是单独1064 nm激光的77.8%,是单独532 nm激光的62.5%;双脉宽复合激光损伤时,脉宽0.4 ms激光的能量密度降低为单独作用时的1.7%,脉宽10 ns激光的能量密度降低为单独作用时的76.4%。这一发现为多制式复合激光高效光电对抗提供了新的思路和参考。     

激光对大豆生物效应的研究

研究激光的生物效应,对激光技术的应用及激光辐射的安全防护具有重要意义。关于激光对生物体的损伤和激光对生物细胞的作用已有某些报道。本文的目的是通过激光对大豆形态生理、细胞和遗传的作用,研究激光生物效应的特点,为激光技术在农业和医学上的应用提供参考。     

Micro-LED蓝宝石衬底AlN上GaN激光剥离研究

为了比较分析纳秒激光和皮秒激光剥离微型发光二极管(micro-LED)时AlN上GaN的热传导效果, 采用了改进的实时紫外光吸收和热传导的激光剥离理论模型进行计算分析的方法, 取得了在不同的激光波长、激光脉冲宽度、激光能量密度下的紫外波段光辐照时和停止辐照后GaN材料热场分布等数据, 并获得了适合micro-LED器件剥离的所用纳秒激光和皮秒激光的阈值条件。结果表明, 激光脉宽、激光波长、激光能量密度是实现激光剥离工艺的关键因素; 较适合的激光波长为209 nm~365 nm的紫外波段; 皮秒激光的剥离效果优于纳米激光, 且激光的脉冲宽度越短, 激光的波长越短, 剥离所需激光脉冲阈值能量也越低, 则对LED芯片区域的热影响也越小。该研究可为开发新型激光剥离设备和相关工艺应用提供重要参考。     

长脉宽激光切割聚晶立方氮化硼工艺研究

为了获得聚晶立方氮化硼（PCBN）最优的激光切割质量和切割效率,依据烧蚀直径和入射激光脉冲能量的函数关系,得出PCBN烧蚀阈值为1.796J/cm2。采用Nd:YAG激光器对型号为BN250的PCBN进行切割试验,分析了切割速率、激光功率以及脉冲频率对切割质量的影响规律。通过切缝的显微观测对比,总结出不同激光工艺参量下PCBN缝宽的变化趋势。结果表明,对于脉宽为100μs的激光,当激光功率为28W、脉冲频率为60Hz、切割速率为20mm/min时,能够获得PCBN激光切割的最优切缝和较高的切割效率。该工艺方法和数据的建立,对今后PCBN或其它超硬材料的激光加工有着重要参考价值。     

全光纤结构的脉冲光纤放大器

结合双包层掺镱光纤(YDCF)和主振荡功率放大(MOPA)技术,利用熔融拉锥的光纤侧面耦合器,设计和实验研究了全光纤结构的脉冲光纤放大器。在不同重复频率时,通过放大脉冲激光的输出光谱,对输出脉冲激光中的剩余抽运光和受激拉曼散射光功率进行了修正;并研究了激光脉冲的时域特性,以及在脉冲放大过程中对输出激光脉冲宽度的压缩作用。获得输出放大脉冲激光的主要参数:峰值波长为1075 nm,脉冲宽度为18~300 ns,重复频率为5~20 kHz,峰值功率达9.87 kW,斜率效率达52.2%,光束质量M2=2.0。同时,制作完成了一台结构紧凑、全光纤结构的脉冲光纤放大器样机,其最大外形尺寸为370 mm×270 mm×90 mm。     

A pulse repetition frequency scaling law for the high repetition rate neutral barium laser

The variations in the output energy per pulse and in the average power output of the neutral Ba cyclic metal vapor laser as a function of the pulse repetition rate have been analyzed. At constant input power, the output energy per pulse is found to vary inversely as the two-thirds power of the pulse repetition frequency and so the average output power varies as the pulse repetition frequency to the one-third power up to the point where the Ba metastables do not have sufficient time to relax between pulses. Since the experiments which have been analyzed were conducted with a constant value for the laser discharge capacitance, these results imply that the output energy per pulse of this laser varies as the four-thirds power of the input voltage.     

窄脉冲半导体激光器峰值功率测量方法研究

介绍一种利用示波器和光电转换装置同时测试窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率的方法,主要分析了影响测量的几个因素,给出测量不确定度。该方法用示波器直接测量脉冲宽度,根据测量电压与激光脉冲功率的正比例关系,同时获得窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率。经理论分析和试验验证均能满足对窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率测量需要,在808～1064nm波长范围内做过多波长测量试验,测量结果令人满意。     

双棱镜扩束、光栅调谐的ps染料激光器

用重复率脉冲锁模YAG激光同步泵浦双棱镜扩束的光栅染料激光腔,对于R-6G激光染料,获得脉冲列重复率为20Hz、脉冲峰值功率为7.6MW、平均功率为9.5mW的30ps可调谐激光,其谱线宽度为0.04nm,接近变换极限宽度。激光输出稳定,调谐方便。     

Preionizer-induced pulsed-mode operation of a transverse-flowtransversely excited CW CO2 laser

A pulse-preionized, dc-excited, transverse-flow, CW CO₂ laser has been operated in pulsed mode without using a discharge power-switching scheme. The pulsation in laser power is produced by a pulsed current that flows from the dc power supply due to the collapse in the discharge impedance whenever a preionizer pulse appears. By properly choosing the preionizer-pulse repetition frequency, dc power-supply filter-capacitor value, and gas composition, the laser pulsation has been enhanced. This laser has been operated at 1-kW average laser power level in pulsed mode at 1.3-kHz pulse repetition frequency with a peak-to-average power ratio of 3.35 and laser-power modulation depth of almost 100%     

LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Ｑ高重频窄脉宽激光器

激光二极管（LD）泵浦的Q调制高频率、窄脉宽、高峰值功率的固体激光器在激光雷达、激光加工等领域日益得到广泛的应用，而更高调制频率的固体激光器在将来会更受青睐。分析了泵浦功率和输出透过率两个因素在10~100 kHz调制频率下对脉宽的影响程度。研制了LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Q 激光器，实现了重频100 kHz下窄脉宽激光输出。在重频为80 kHz时，获得脉宽17.7 ns，平均输出功率3.49 W，峰值功率2.46 kW和在重复频率为100 kHz时，获得脉宽19.6 ns，平均输出功率3.52 W，峰值功率1.79 kW的效果。     

Q-switched and Mode-locked Characteristics of Cr^4＋： YAG Crystal

The passively Q-switched and mode-locked （QML） characteristics in a diode-pumped Nd： GdVO4 laser with Cr^4＋： YAG saturable absorbers have been demonstrated. A maximum average output power of 710 mW has been obtained in the QML laser. The maximum energy of a single Q-switched pulse is 52.5μJ, with the corresponding pulse width of 30 ns and the peak power of 1.75 kW, at the incident pump power of 7. 75 W. The repetition rates of the Q-switched envelope and the mode-locked laser pulse are 16.7 kHz and 680 MHz, respectively.     

Q-switched and Mode-locked Characteristics of Cr4+:YAG Crystal

The passively Q-switched and mode-locked(QML) characteristics in a diode-pumped Nd:GdVO4 laser with Cr4 :YAG saturable absorbers have been demonstrated. A maximum average output power of 710 mW has been obtained in the QML laser. The maximum energy of a single Q-switched pulse is 52.5 μJ,with the corresponding pulse width of 30 ns and the peak power of 1.75 kW,at the incident pump power of 7.75 W. The repetition rates of the Q-switched envelope and the mode-locked laser pulse are 16.7 kHz and 680 MHz,respectively.     

一种新型皮秒脉冲激光器

一种新型皮秒脉冲激光器由序列脉冲激光的产生、单脉冲激光的选取、放大和倍频等部分组成,激光器工作物质选用Nd∶YAG晶体,用两个格兰棱镜分别作为起偏器和检偏器,激光器的振荡级利用被动锁模染料产生的锁模序列脉冲激光,经过单脉冲选择器选取出其中的一个单脉冲激光,再经激光器放大部分的放大和倍频晶体的倍频后,激光器最终输出能量为120mJ,脉冲宽度为100ps,波长为532nm的单脉冲激光,其功率约为1.2×109W,功率密度约为4.2×109W/cm2,系统的外触发同步精度优于2μs。     

激光二极管双端抽运声光调Q高重复频率Nd:GdVO4激光器

激光二极管(LD)抽运的固体激光器(DPSSL)的调Q器件是获得高重复频率、高峰值功率的有效手段之一,随着激光雷达、激光加工业的发展,要求调Q器件向着更高重复频率的方向发展。Nd∶GdVO4以其优异的物理和激光特性,使得它在激光二极管端面抽运固体激光器的声-光(A-O)调Q器件中,即使在很高的调制重复频率下,仍可获得窄脉宽、高峰值功率的脉冲激光输出。理论分析了影响脉冲激光的输出能量和脉宽大小的决定因素,研究了脉宽、平均输出功率及峰值功率随调Q重复频率的变化关系。利用双激光二极管双端抽运Nd∶GdVO4晶体棒,实现了声-光调Q高重复频率窄脉宽1063 nm激光输出。在晶体入射端面总抽运功率约43 W条件下,当重复频率f=10 kHz时,获得脉宽Δt=10.2 ns,单脉冲能量E=0.95 mJ,峰值功率PM=93.1 kW的输出;在重复频率f=100 kHz时,获得Δt=28.1 ns,E=0.10 mJ,PM=3.6 kW的结果。