基于光谱分析的CO_2激光+脉冲GMAW复合焊峰值状态激光能量传输研究

在激光+脉冲GMAW复合焊接过程中,焊丝端部金属熔化产生大量的金属蒸汽,导致等离子体中电子、粒子的扩散现象加剧,使得激光的传输模式和工件对激光能量的吸收率和吸收模式发生变化。基于光谱分析的方法得到了复合焊接峰值状态的电子密度和温度分布,通过高速摄影分析了不同焊接模式下等离子体形态的变化,结合Beer-Lambert吸收定律计算了不同焊接模式下激光的吸收率。结果表明,在复合焊过程中,由于焊丝端部金属被熔化,焊丝的金属蒸汽进入激光等离子体内部,导致激光匙孔上方电子密度进一步提高,等离子体吸收激光能量能力增强,使得激光的传输效率从纯激光焊的94.16%降低到了CO_2激光+脉冲GMAW复合焊的85.84%。     

大功率YAG激光-MAG复合热源的光谱诊断与分析

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景,其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、优化复合参数具有重要意义。通过建立的中空探针光谱扫描系统,采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪,横向扫描焊接电弧等离子体,采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱;通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布,对比激光复合前后等离子体辐射的变化;并结合高速摄像照片,探讨其耦合机理。进一步选取特定谱线(FeⅠ),采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算;研究结果表明,YAG激光-MAG电弧复合后,等离子能量更靠近熔池,集中作用于焊接试板,其能量作用区域展宽;在电弧中心区造成电子温度上升。     

缓冲气体对激光等离子体光谱特性影响的实验研究

准分子激光(波长:308 nm,脉宽:10 ns)诱导Al等离子体.详细研究了缓冲气体对激光等离子体光谱特性的影响,测量了不同延时下激光诱导Al等离子体的电子温度和不同缓冲气压下光谱线的Stark展宽并由此计算了等离子体的电子密度,最后根据电子碰撞激发理论对实验结果进行了讨论.     

激光诱导空气等离子体光谱时间演化特性的研究

利用能量为150mJ和500mJ的激光击穿空气获得空气等离子体,依据光谱信息,计算得到等离子体电子温度,密度,并探讨了其时间的演化特性,证实：在此过程中,复合相比电离居于主导地位。同时,结果表明：随着延迟时间的增加,谱线强度在300 ns内迅速减小,之后缓慢减小;电子密度和谱线强度的变化规律基本一致;电子温度的衰减近似呈现指数拟合线型,并且激光能量越高,电子温度的衰减越慢。     

激光诱导空气等离子体光谱时间演化特性的研究

利用能量为150mJ和500mJ的激光击穿空气获得空气等离子体,依据光谱信息,计算得到等离子体电子温度,密度,并探讨了其时间演化特性,证实了在此过程中,复合相比电离居于主导地位.同时,结果表明:随着延迟时间的增加,谱线强度在300ns内迅速减小,之后缓慢减小;电子密度和谱线强度的变化规律基本一致;电子温度的衰减近似呈现指数拟合线型,并且激光能量越高,电子温度的衰减越慢.     

激光诱导Ti等离子体光谱的时间演化特性研究

利用Nd:YAG激光器产生的1064 nm、10 ns脉冲激光聚焦在空气中的Ti靶,观测了激光诱导Ti等离子体发射光谱.调节激光能量为45 mJ/pulse,分析了时间范围在0到4000 ns的时间分辨发射光谱和谱线轮廓以及展宽.在局部热力学平衡(LTE)条件下,利用Saha-boltzmann图法拟合电子温度,Saha方程计算电子密度,讨论了等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律.结果表明,在所讨论的时间范围内,谱线的强度在延时250 ns处达到最大,250 ns后随着延迟时间的增加减小,电子密度和电子温度在延时1000 ns内快速衰减,1000 ns后衰减速度变慢.     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

激光脉冲能量对激光诱导铝合金等离子体物理特性的影响

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响,采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像,并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明,激光诱导等离子体呈现明显的分层结构,等离子体的激发阈值约为3mJ,等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10mJ时,等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10mJ增加到100mJ过程中,等离子体电子温度从4 980K升高到7 221K,等离子体的电子数密度在1017 cm-3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

湿度对激光诱导土壤等离子体特性的影响

为研究土壤湿度对激光等离子体的影响,通过制备六种不同湿度的土壤样品进行实验,选取铅的特征谱线(Pb:405.78nm)为分析线。实验结果表明,随着土壤湿度的增加,谱线的强度、信噪比及RSD线性减小。在局部热力学平衡近似下,选取铁在400～440nm波长范围内的四条特征谱线,利用玻尔兹曼图,测定了等离子体温度在不同湿度下的变化特性,随着湿度从零增加到20%,等离子体温度从11800K近似单调的下降到7800K,电子密度从3.3×106cm-3减小到2.8×106cm-3。     

基于光谱诊断的多丝熔化极气体保护焊电弧干扰分析

多丝熔化极气体保护焊中,由于电弧间的相互干扰,电弧工作状态不稳定,进而影响焊接过程稳定性和焊接质量。基于Boltzmann作图法测量电子温度场和Stark展宽法研究了多丝工作条件下电弧的电子温度分布和电子密度分布,结合高速摄影获得的定量化结果,给出电弧间干扰的定量化分析。光谱诊断结果表明双丝情况下,当加入电弧工作电流大于原电弧时,原电弧电子温度中心向新加入电弧稳定偏移,而且偏向新电弧一侧电子密度明显增加,而新电弧工作电流等于原电弧时,电弧电子温度和电子密度分布都反映出原电弧工作状态不稳定。三丝情况,由于加入第三根电弧,导致中间电弧电子温度分布变得复杂,而其电子密度分布接近于单丝工作情况。     

保护条件变化的激光焊接等离子体光谱分析

保护气体在激光焊接过程中起重要的作用,保护条件的改变对焊接质量会有显著地影响。研究Nd∶YAG激光焊过程中保护条件的变化对激光等离子体的电子温度和电子密度等特征参数的影响,通过设计分步减小保护气流量的激光焊试验进行规律性研究,通过模拟实际可能发生的保护不良的激光焊试验进行验证性研究。在试验研究过程中,利用光谱仪采集激光焊接过程中产生的光致等离子体的光谱信息,通过相对光强法计算不同保护条件下等离子体的电子温度,通过斯塔克展宽机制计算不同保护条件下等离子体的电子密度。研究结果表明,保护条件的改变对Nd∶YAG激光焊接过程中产生的光致等离子体的电子温度和电子密度有重要影响,随着保护条件的变化,光致等离子体的电子温度和电子密度的平均值会发生变化,其波动幅度也会发生变化。在保护良好的条件下,等离子体的电子温度和电子密度均较小,且波动幅度也较小;在保护不良的条件下,等离子体的电子温度和电子密度都比较大,且波动幅度也比较大,这种变化的特征有助于对激光焊接过程进行质量监控。     

Ar/CH4等离子体射流发射光谱诊断研究

为了更加深入的研究大气压条件下Ar/CH₄等离子体射流的放电机理和其内部电子的状态,通过自主设计的针-环式介质阻挡放电结构,在放电频率10 kHz、一个大气压条件下产生了稳定的Ar/CH₄等离子体射流,并利用发射光谱法对其进行了诊断研究。对大气条件下Ar/CH₄等离子体射流的放电现象及内部活性粒子种类进行诊断分析,重点研究了不同氩气甲烷体积流量比、不同峰值电压对大气压Ar/CH₄等离子体射流电子激发温度、电子密度以及CH基团活性粒子浓度的影响规律。结果表明,大气压条件下Ar/CH₄等离子体射流呈淡蓝色,在射流边缘可观察到丝状毛刺并伴有刺耳的电离声同时发现射流尖端的形态波动较大;通过发射光谱可以发现Ar/CH₄等离子体射流中的主要活性粒子为CH基团,C,CⅡ,CⅢ,CⅣ,ArⅠ和ArⅡ,其中含碳粒子的谱线主要集中在400~600 nm之间,ArⅠ和ArⅡ的谱线分布在680~800 nm之间;可以发现CH基团的浓度随峰值电压的增大而增大,但CH基团浓度随Ar/CH₄体积流量比的增大而减小,同时Ar/CH₄等离子体射流中C原子的浓度随之增加,这表明氩气甲烷体积流量比的增大加速了Ar/CH₄等离子体射流中C-H的断裂,因此可以发现增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可明显的加快甲烷分子的脱氢效率,但增大氩气甲烷体积流量比的脱氢效果更加明显。通过多谱线斜率法选取4条ArⅠ谱线计算了不同工况下的电子激发温度,求得大气压Ar/CH₄等离子体射流的电子激发温度在6 000~12 000 K之间,且随峰值电压与氩气甲烷体积流量比的增大均呈现上升的趋势;依据Stark展宽机理对Ar/CH₄等离子体射流的电子密度进行了计算,电子密度的数量级可达1017 cm-3,且增大峰值电压与氩气甲烷体积流量比均可有效的提高射流中的电子密度。这些参数的探索对大气压等离子体射流的研讨具有重大意义。     

低压氩气电感耦合等离子体特性分析及光谱诊断

电感耦合等离子体具有电子密度高、放电面积大、工作气压宽、结构简单等特点,在等离子体隐身领域具有突出的潜在优势。相对于开放式等离子体,闭式等离子体更适应于飞行器表面空气流速高、气压变化大的特殊环境。研究着眼于飞行器关键部件的局部隐身应用,设计了一种镶嵌于不锈钢壁中的圆柱形石英腔体结构,利用电感耦合放电的方式在腔体中产生均匀的平板状等离子体。由于增加了接地金属,降低了腔体内的钳制电位,同之前的纯石英腔体相比,该结构显著改善了等离子体的均匀性。研究了该闭式腔体内氩气电感耦合等离子体（ICP）的放电特性和发射光谱,实验中放电功率达到150 W时,可以明显观察到ICP的E-H模式转换,此时发射光谱和电子密度都呈现阶跃式增长。氩气发射光谱强度随放电功率升高显著增加,但是不同谱线强度增加幅度并不一致,分析认为是受不同的跃迁概率和激发能的影响。根据等离子体的发射光谱,利用玻尔兹曼斜率法对电子激发温度进行诊断,得到电子激发温度在2 000 K以上,并且随功率升高而降低,因为功率增大使电子热运动增强,粒子间的碰撞加剧,碰撞导致的能量消耗也更大。电子激发温度沿腔体径向呈近似均匀分布,分布趋势受功率影响不大。针对利用发射光谱诊断电子密度误差较大、计算繁琐的问题,引入Voigt卷积函数,经过拟合滤除多余展宽项的影响,得到准确的Stark展宽半高宽。最终利用发射光谱Stark展宽法计算了电子密度,腔体中心处的峰值密度可以达到7.5×1017 m-3。随着放电功率增大,线圈中容性分量降低,耦合效率增大,电子密度随之增大,但空间分布趋势基本不受功率影响。     

激光诱导金属等离子体中的自吸效应研究

为了减小激光诱导等离子体中光谱线自吸收对分析结果的影响,提高发射光谱的谱线质量,实验利用组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息,采用平面反射镜装置对激光等离子体进行约束,比较了不同实验条件下光谱线的线型演化过程,并且通过测量等离子体的温度、电子密度以及样品蒸发量给出了合理解释。实验结果表明,当采用合适的平面反射镜装置约束激光等离子体时,等离子体的轴向温度有所升高,径向温度分布趋于均匀;等离子体的电子密度有较大幅度的提高;然而,样品蒸发量却有比较明显的减小。这几个方面的原因能够有效地降低光谱线的自吸收程度。由此可见,利用平面反射镜装置优化实验条件以后,可以有效减小激光诱导等离子体发射光谱的自吸收效应,在常量元素的定量分析中,允许选择灵敏谱线作为分析线,这为提高激光诱导击穿光谱技术的精确测量奠定了基础。     

热处理温度对铜镍镀层的光谱性能的影响

采用电沉积法在镍表面制备铜镍镀层,并将该铜镍镀层在不同温度下进行热处理。分别用扫描电镜法(SEM)、能谱法(EDAX) 和X衍射法(XRD)等对热处理后的铜镍镀层进行表征,研究热处理温度对铜镍镀层的光谱性能的影响。用电镀的方法获得的铜镍镀层表面是由节瘤组成,热处理温度在25~600 ℃范围,随着热处理温度的升高,铜镍镀层表面的节瘤变小;热处理温度在600~900 ℃范围,随着热处理温度的升高,铜镍镀层表面的节瘤变小,铜镍镀层表面的节瘤间的分界线越不明显。热处理温度在25～900 ℃范围,随着热处理温度的升高,铜镍镀层中铜的含量减小,从82.52 at%减小到78.30 at%;镍的含量增加,从17.48 at%增加到21.70 at%。铜镍镀层为Cu_0.81Ni_0.19立方晶型结构,热处理温度在25～300 ℃范围,随着热处理温度的升高,Cu_0.81Ni_0.19的晶型结构更完整;热处理温度在600～900 ℃范围,铜镍镀层中可能有部分的Cu_0.81Ni_0.19立方晶型结构转变为Cu_3.8Ni立方晶型结构;随着热处理温度的升高,有利于Cu_3.8Ni(311)和Cu_0.81N_i0.19(311) 晶面的生长。     

Effect of Spontaneous and Carrier Noise on Mode-Locked Hybrid Soliton Pulse Source

Noise characteristics of mode-locked hybrid soliton pulse source (HSPS) where fiber Bragg grating is used as external cavity is presented. Model is based on time-domain solution of coupled-mode equations including spontaneous noise. Relative intensity noise (RIN) is calculated by using numerical solution of these equations. It is shown that inclusion of carrier density noise in the rate equations is necessary for the accurate analysis of noise in mode-locked lasers. It is also found that transform-limited pulses are not generated over a wide tuning range around the fundamental mode-locking frequency with spontaneous and carrier density noise sources if noise level is high. Therefore mode-locking range where transform limited pulses are obtained reduces.     

YBCO带材无阻连接热退火效应研究

超导焊接是第二代高温超导(2G-HTS)带材研究的重要内容,在两根超导带材中间生长超导连接层可实现无阻连接.在超导连接层的生长过程中,原来的两根超导带材需再次经历热处理,目前这方面的研究甚少.本文系统研究了780℃热退火中,时间、气氛对带材性能的影响.分析了样品的显微结构、表面形貌以及临界电流密度(J_c),结果表明:2 h干氮氧气氛有利于提高原始带材的性能;湿氮氧气氛使J_c值降低.这可能是湿气的存在增加了晶粒缺陷,使杂质的扩散通道增加,从而Ba-Cu-O积聚生长,造成YBCO性能恶化.在文中我们还利用XRD进行了应力拟合分析了应力变化.     

热源温度对导热系数测量的影响

基于稳态平板法研究了不同热源温度对橡胶样品的导热系数测量值的影响。利用多项式拟合法对实验数据进行处理和分析,并将实验值与公认值相对照。结果表明,热源温度为60℃是最合适的,在此温度下实验的实际总耗时相对较短,并且导热系数测量值最准确,其相对不确定度最小。