激光珩磨专用机床的运动控制研究

 以发动机气缸/活塞环摩擦副为具体研究对象,研制了一种新型激光珩磨设备。由于发动机汽缸套载重大,且形状不规则,故设备采用激光头既旋转又直线运动的运动方案。该设备在移动轴和转轴中分别安装有高精度光栅尺和高精度增量旋转编码器以提高运动控制系统的精度。为了使微凹腔沿圆周均匀分布,采用了小数分频原理,能够实现任意小数分频。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程,实现了运动控制系统与激光系统的协同控制,用以在气缸表面加工出特定的微观形貌。加工方法采用的是“单脉冲同点间隔多次”的激光微加工新方法。利用该方法能够方便地加工出微观或宏观的形貌且能显著地减少激光加工所带来的负面热效应。     

激光微织构拉刀制备与能量残留

基于将表面织构技术应用于刀具表面可以有效改善刀具切削性能，结合拉刀材料性能，提出一种微织构拉刀的加工方法。利用激光加工技术在拉刀后刀面加工出一种微织构，并研究各种加工参数对织构形貌的影响。深入研究Q频、功率、扫描速度及加工次数对织构及其润湿性的影响。实验结果表明:低Q频下织构边界模糊，高Q频下边界清晰；随功率上升，织构边界膨胀严重，重铸区不断增大；加工次数与微织构深度近似成正比关系；随扫描速度增大，材料的去除率下降，材料残留明显；制备完成初期织构表面存在能量残留，使得疏水织构出现亲水特性。     

融石英表面高质量亚波长光栅结构的飞秒激光加工EI北大核心CSCD

采用钛蓝宝石飞秒激光加工系统在融石英表面诱导表面周期性微纳结构,研究了激光诱导表面周期结构的形成过程以及激光能量密度、脉冲数、光斑大小和脉冲的空间间隔对融石英表面激光诱导表面周期结构的形貌的影响。实验结果表明,飞秒激光在融石英表面可以诱导出周期性的亚波长结构,主要以垂直于激光偏振方向的光栅状结构为主,其周期在百纳米量级且具有更好的可复现性。在激光光斑控制在1μm附近时,所得到的形貌具有较高的规则性。根据实验结果设计了聚焦高斯光斑低通量的加工方式。所制备的光栅结构具有200~300 nm的周期,平均深度约为300 nm。     

离子束刻蚀辅助飞秒激光加工制备碳化硅微光学元件

为了解决飞秒激光加工硬质材料所带来的表面质量差的问题,提出了离子束刻蚀与飞秒激光复合加工技术.利用飞秒激光加工技术在碳化硅表面制备微纳结构图形,然后通过离子束刻蚀技术对碳化硅微纳结构进行刻蚀,以调控结构的线宽和深度,使结构表面粗糙度由约106nm降低到11.8nm.研究表明,利用该技术制备的碳化硅菲涅尔波带片展现出良好的聚焦和成像效果.     

激光微织构硬质合金表面润湿性

为了研究硬质合金表面激光微织构对其表面润湿性的影响,利用光纤激光不同功率(3,5,7,9,10W)及不同加工次数(1,2,3,4,5)加工微凹坑,采用VHX1000c超景深三维显微镜、光学显微镜分析微凹坑形貌,利用CAM 200光学接触角仪测量表面微织构(微凹坑直径、深度和织构密度)与润湿性之间的关系。结果表明:随着激光功率的增大,微凹坑深度增加,直径变化不明显;硬质合金表面的亲水性能随着微凹坑深度的增加而减小;随着微凹坑直径的增大,亲水性增强;随着微织构密度的增加,亲水性出现极值。     

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。     

皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析,发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的,并且随着激光能量密度的增加,石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明,皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面,而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少,因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小,导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。     

光纤传输调Q铥激光微外科手术刀切割生物软组织实验研究

为了评估光纤传输波长为2.013μm的调Q铥激光作为微外科手术刀的可行性,研究200μm芯径的光纤传输频率为1kHz、脉宽为400~1400ns的调Q铥激光在不同能量和不同切割速度条件下切割新鲜猪肾组织的性能。采用专业相机拍摄组织切割后的切割线形貌,光学显微镜拍摄组织切片凹坑形貌,使用科学图像分析软件测量凹坑形貌参数,数据统计分析软件分析实验数据。结果表明相同能量条件下切割速度越大,切割效果越不明显。相同切割速度时,激光脉冲能量越大切割效果越明显。光纤传输高频调Q的铥激光可期望作为微外科手术刀在临床上得到应用。     

调Q CO_2激光功率放大器的输出特性

利用描述CO_2激光器动力学过程的六温度模型理论,建立了计算调Q CO_2激光功率放大器输出特性的数学模型,进行了理论分析和数值计算,并讨论了分光比等参数对输出脉冲特性、输出光谱的影响。结果表明:该调Q CO_2激光功率放大器存在临界增益长度和临界光强分束比,低于临界值时无法获得激光输出;该调Q CO_2激光功率放大器的输出激光脉冲波形、峰值功率、脉冲宽度、输出光谱与光强分束比、抽运电子数密度等参数有关,光强分束比越小,输出的调Q激光脉冲宽度越大,峰值功率越低;该调Q CO_2激光功率放大器利用Q调制的高增益特性,通过控制调Q元件所在的低功率支路可以实现高平均功率的调Q脉冲CO_2激光输出,很好地解决了调Q CO_2激光功率放大器难以高功率运转的问题。     

基于微纳光纤-单壁碳纳米管可饱和吸收体的被动调Q掺镱光纤激光器

为实现具有高脉冲能量的调Q脉冲激光输出,利用微纳光纤-单壁碳纳米管复合的方法制备可饱和吸收体,并对基于该类型可饱和吸收体器件的被动调Q掺镱光纤激光器进行研究。采用拉伸法将普通单模石英光纤拉制成微纳光纤,将其与单壁碳纳米管溶液复合,进一步制备成全光纤集成型器件。将该器件置于环形腔掺镱光纤激光器中,利用976 nm半导体激光器作为抽运源。当抽运功率为53 mW时,实现了调Q脉冲激光输出,激光中心波长为1 039 nm。进一步提升抽运功率至76 mW,可获得脉冲宽度为3.1μs、重复频率为25.5 kHz、单脉冲能量为941nJ的调Q脉冲激光输出。研究表明,利用微纳光纤制备的可饱和吸收体器件具有较高的损伤阈值,可用于实现高脉冲能量的激光输出。     

半导体激光器混沌法拉第效应控制方法

提出了外腔延时反馈半导体激光器法拉第效应控制下的新激光系统, 构造出两种类型结构光路, 建立了法拉第效应控制下的延时负反馈、延时正反馈激光动力学物理模型, 研究了激光混沌控制与反控制等. 利用法拉第效应原理及磁致旋光性和系统特点, 调节控制光路中的光旋转角度和光延时间可实现双参数控制激光器, 控制激光到双周期、三周期及多周期, 使激光产生拍动等现象, 反控制激光周期到混沌等. 发现了以磁致旋光角分布的激光混沌控制与反控制区域. 并研究了激光混沌控制与周期控制的动态情况, 演示讨论了激光态的转化演变过程等.     

脉冲激光测距回波信号时间选通处理技术

为了降低高重频脉冲激光测距回波信号的误识别率,提高测距性能,对高重频脉冲激光测距回波信号调理技术进行深入研究。采用FPGA作为主控芯片,产生激光调制脉冲,并根据被测距离3.33 μs～33.33 μs时间选通方波信号,驱动开关芯片产生与量程关联的时间波门,有效滤除脉冲回波中的干扰脉冲,该方法改进了常规脉冲激光测距信号处理系统的自动增益控制环节。测试实验结果表明:在脉冲回波信号60 dB的动态范围内,可有效滤除回波信号中引入的干扰脉冲,极大地降低了干扰脉冲误识别造成粗大误差的可能性。该方法可推广应用于脉冲激光测距信号处理系统,使系统测距精度提高12.6%。     

基于脉冲分组的光剂量监控新算法

精确控制脉冲激光加工光剂量是保证加工产品工艺和质量的关键。在对现有的光剂量控制算法进行分析后,提出了基于脉冲分组的光剂量监控新算法,有效提高了光剂量监测精度和反馈控制速度。设计了光剂量监控系统,实现了脉冲激光加工光剂量实时监测及反馈控制。与Ophir公司的StarLab激光能量测量系统相比,500个激光脉冲以内的总能量测量,本系统测量误差不超过±0.1 5%。对一套脉冲最大重复频率为10 kHz、单脉冲最大能量为5 mJ、恒压工作下最大能量波动为±10%的脉冲激光加工系统光剂量进行了监控实验。在本系统的监控下,可将日标光剂量为150 mJ/mm~2以内的加工光剂量控制精度和重复精度分别控制在0.90%和0.100mJ/mm~2以内,同时将光剂量反馈控制速度提高了4倍。     

CO2 laser beam modulating for surface texturing machining

Laser texturing is a novel technique that may be used to texture a cold roller in the process of manufacturing high quality steel sheets. With the aim of improving the quality of the textured roller by using a CO₂ laser, a new laser beam modulating device is proposed. An optical beam expander with a fast rotating chopper system is designed. The laser pulse is split into two parts by the chopper blades; one is the preheating pulse that is reflected onto optical loop mirrors; the other is the directly transmitted pulse that creates the craters at the preheated spots. The preheating beam focus spot size and position can be adjusted. The focusing characteristics and optical parameter compensation for the flying optics are investigated. The heat transfer and melt process of laser texturing are numerically simulated. The effects of the double pulses on the texturing are analyzed. The effect of preheating the sample ahead of the laser texturing pulse is examined. The surface profile and bump hardness show improvements by using this approach.     

虚拟式声显微镜及应用技术研究

本文描述一台虚拟式扫描声显微镜及应用技术研究，它的硬件特别简单，仅由一台带有超高速A/D卡和快脉冲收发卡的PC机和机械扫描系统组成，主要的功能均由软件完成，脉冲收发卡仅包括脉冲产生和高频放大器，A/D卡采用PCI总线，采样率1GSPS，数据传输率100MB/s，系统能采集并实时显示频率达百兆的未检波回波信号，采修订本以的信号经软件处理，可在屏幕上实时显示样品的A、B、C型幅度像或相位像，仪器利用信号处理技术提高信号的信噪比；进行特征提取，识别，该仪器在材料识别，电子、光电子器件和焊接质量检测等方面功能较强，具有广阔的开发应用前景。     

Long pulse generation technology of solid-state laser adopting a new real time multi-discharge method

In this study, a solid-state laser system adopting a new real time multi-discharge method in which three flashlamps are turned on consecutively was designed and fabricated to examine the pulse width and the pulse shape of the laser beams depending upon the changes in the lamp turn-on time. That is, this study shows a technology that makes it possible to make various pulse shapes by turning on three flashlamps consecutively on a real-time basis with the aid of a program integrated circuit one-chip microprocessor. With this technique, the lamp turn-on delay time can be varied more diversely from 0 to 10 ms and the real-time control is possible with an external keyboard, enabling various pulse shapes. In addition, longer pulses can be more widely used for industrial processing and many medical purposes.     

A new proposal of high repetitive Nd:YAG laser power supply adopted the sequential charge and discharge circuit

The pulsed Nd:YAG laser is the most commonly used type of solid-state laser in many fields. In material processing, the power density control of a laser beam has been considered to be significant, which depends on the flashlamp current pulse width and pulse repetition rate.In this study, we have proposed a new method of sequential charge and discharge circuit (SCADC) to control the laser power density. The power supply of SCADC is composed of low frequency capacitors instead of very expensive high frequency capacitors. We could find the stability of laser output as well as the flashlamp current up to the pulse repetition rate of 150 pps. As increasing a repetition rate from 30 to 150 pps by the step of 30 pps, it is known that the laser outputs increased by 10 W.     

Application of iterative path revision technique for laser cutting with controlled fracture

Laser cutting using the controlled fracture technique has great potential to be employed for the ceramic substrate machining. The heat produced on the surface of a ceramic substrate by the laser separates the substrate controllably along the moving path of the laser beam. Because the extension of the breaking frontier is lager than the movement of the laser spot, the actual fracture trajectory deviates from the desired trajectory when cutting a curve or cutting an asymmetrical straight line. To eliminate this deviation, the iterative learning control method is introduced to obtain the optimal laser beam movement path. The fracture contour image is grabbed by a CCD camera after laser cutting completion. A new image processing system is proposed to detect the deviation between the desired cutting path and the actual fracture trajectory. The laser-movement path for the next trial can then be determined according to the iterative path revision algorithm. The actual fracture trajectory converging to the desired cutting path is assured after a few path revisions. The experimental materials used in these experiments are alumina ceramics and the laser source is CO₂ laser. The proposed system can achieve a machining precision of about 0.1 mm.     

飞秒激光脉冲整形技术及其应用

通过频域上控制飞秒激光脉冲幅度、相位和偏振在时域上可以获得几乎任意形状的飞秒激光脉冲,这种飞秒激光脉冲整形技术可为研究光与原子分子非线性相互作用提供一种全新实验技术手段.本文介绍飞秒激光脉冲整形发展历史、技术方法、控制方式及其相关应用,并展望飞秒激光脉冲整形技术未来的发展方向.