激光喷丸强化IN718合金晶粒重排与疲劳特性

为了揭示激光喷丸(LP)强化IN718合金疲劳寿命增益的机制,研究了合金喷丸前后晶粒重排与疲劳特性的关系。结果表明,LP后试样表层的塑性形变深度最大可达33.7μm,合金的最大疲劳寿命增益可达188%;激光冲击波诱导产生的表层残余压应力随激光功率密度的增大而增大,但增幅逐渐减小;疲劳试验后,表层残余应力出现了52%的释放;LP后试样表层晶粒出现细化现象,细化深度达到175μm;位错滑移和位错攀移以及孪晶等共同作用使原始晶粒内形成了亚晶粒,最终细化了晶粒组织。     

激光喷丸对TC4钛合金抗氢脆性能的影响

通过性能测试分析,研究了激光喷丸(LP)技术对TC4钛合金抗氢脆性能的影响。结果表明,LP试样表面产生了-327 MPa的残余压应力;电化学充氢后,试样表面残余压应力降低了9.17%,喷丸与未喷丸试样的表面显微硬度分别提高了5.07%和7.08%,而延伸率分别降低了2.25%和4.84%。LP处理可提高TC4钛合金的韧性,降低其氢脆敏感性。     

纯铀表面的激光快速熔凝处理

铸态纯铀不耐腐蚀，放置于空气中在很短的时间内就会使表面氧化而变质。激光快速熔凝处理是激光表面改性技术中的一项重要而先进的技术内容，纯铀经过激光快速熔凝处理后，其抗腐蚀能力明显增强，同时也可以提高铀表层的耐磨性和疲劳强度。试验表明：激光快速熔凝处理的铀试样比未处理的铀明显增强，在空气中放置数年后，其处理层的颜色基本没有变化。     

脉冲激光冲击镁合金表面产生周期性波纹结构的现象及分析

为了研究激光辐照材料引起表面波纹现象及原因,采用钕玻璃激光器产生的脉冲激光来冲击黑漆作为吸收层的AZ91镁合金试样。激光冲击后采用表面三维轮廓仪对试样冲击区域表面进行测量,结果得到在冲击区域存在波纹分布现象;观测并描绘了表面形貌及表面波纹的分布情况,并分析了材料表面波纹特性与激光能量的关系;得出波纹特性受激光能量影响。最后从等离子体对试样的作用和等离子体内部相干受激光散射机制引起的光栅效应两个方面出发,讨论了热传导、热辐射以及激光照射等因素在试样表面产生热微扰动现象的耦合过程,进而从表面热微扰动的非平衡状态探讨了表面波纹的形成机理。     

电磁搅拌辅助激光熔覆钴基合金涂层的抗热腐蚀性能

在激光熔覆制备钻基合金涂层的过程中引入电磁搅拌,研究了有无磁场辅助时涂层表面在750℃/100 h混合盐条件下的抗热腐蚀性能。研究结果表明,无磁场辅助的涂层的抗热腐蚀性能较差,热腐蚀60 h后涂层内部出现严重的内氧化和内硫化,并出现严重失重现象。经磁场辅助的熔覆层形成了稳定性好的保护性Cr_2 O_3及Co Cr_2 O_4尖晶石氧化膜,有效抑制了腐蚀液中S和Cl~-的向内侵入,在整个腐蚀阶段样品未出现严重开裂剥落现象。电磁搅拌的加入有效细化并均化了熔覆层的显微组织,促进了涂层表面保护性氧化膜的快速形成,阻止了熔盐的扩散,可进一步提高涂层的抗热腐蚀性能。     

TC6钛合金激光喷丸组织演变与表面强化机理

研究了激光喷丸(LP)TC6钛合金的组织演变对表面强度的影响机理。结果表明,LP后材料表面的显微硬度和残余应力均随功率密度的增加而增大,LP引起的硬度影响层和残余应力影响层的深度也随功率密度的增加而增大,且影响层深度为500~600μm。LP对TC6钛合金强度的影响机理包括细晶强化和位错强化,晶粒细化使大角度和小角度晶界增多,而晶界能阻止材料发生屈服;LP产生的高密度位错可使材料的屈服强度提高,阻碍位错的运动,抑制裂纹的萌生,从而使材料的力学性能提高。     

纳秒激光冲击加载的全过程诊断

 与传统的冲击加载方式相比,激光驱动试样具有微尺寸（直径小于1 mm,厚度约10 μm）、超短作用过程（纳秒量级）等特点,但其速度变化历史的实时诊断颇为困难,因此发展适用于激光驱动的高时空分辨率的实时测试技术是十分重要和有价值的。采用桌面式脉冲Nd:YAG激光器作为加载平台,发展了激光加载下的小焦点多普勒光纤探针测量系统（焦斑直径约200 μm,时间分辨力约50 ps）,成功实现了从激光脉冲驱动微尺寸飞片飞行直至撞击Z-切石英试样的全过程实时诊断。实验结果显示,将6 μm 厚Al箔飞片驱动至2.48 km/s时,撞击Z-切石英试样的粒子速度为1.27 km/s,与Hugoniot理论计算结果相符,表明该测试技术是可靠、有效的;多层薄膜靶结构设计（基底/烧蚀层/硅油/Al箔）可提升激光与靶物质的能量耦合效率,使飞片保持更好的宏观完整性。为开展超短脉冲激光加载下材料动态特性研究提供了一种有效的技术途径。     

W/Cu梯度功能材料的高热负荷性能研究

用等离子体喷涂和热压方法制作了W/Cu梯度功能材料(FGM)样品,用大功率ND∶YAG激光对其进行了高热负载模拟实验.结果表明,在100～400MW@m-2的瞬时(脉冲宽度为4ms)热负载下,经过200～700次热循环,未发现有W-Cu复合体开裂.在123MW@m-2的功率密度下作用700次,发现钨表面有再结晶现象及严重的晶界腐蚀和裂纹,再结晶的平均晶粒尺寸约为5～10μm,垂直于表面呈柱状结构,再结晶层厚度约20～30μm.由于激光的淬冷效应,晶粒生长的趋势并不明显.在398MW@m-2功率密度下出现了明显的腐蚀坑,坑内呈疏松的蜂窝结构,坑的边缘出现了明显沉积区,能谱分析表明沉积区集聚了大量的金属杂质.等离子体喷涂试样比热压试样更易产生晶界的断裂的裂纹.在相同的热负荷条件下,W/Cu FGM的重量损失低于石墨材料的重量损失.     

基于相对运动的脉冲激光辐照探测器热效应数值分析

基于热传导理论,构建了相对运动情况下脉冲激光辐照HgCdTe探测器的理论模型,利用有限元法分析比较了不同重频、不同移动速度下探测器的热效应.结果表明,在相对静止情况下,重频脉冲激光辐照HgCdTe探测器时,激光能量主要被HgCdTe光敏层吸收,温度场高温区主要分布在HgCdTe层与CdZnTe层交界面附近;重频为1kHz、10kHz时几乎没有温度累积效应,当重频为100kHz时,随着脉冲数的增多,峰值温度不断增加,有明显的温度累积效应.在相对运动情况下,随着激光光斑的移动,温度峰值所在的位置逐渐向速度矢量方向偏移.从损伤的角度考虑,当每个温度峰值都大于HgCdTe熔融温度时便能达到损伤的空间区域累积效应,实现对多个探测像元的损伤.定性分析了汇聚到探测器焦平面单脉冲激光光斑在不同移动速度下的热效应,结果表明移动速度越快,脉冲结束时刻峰值温度越低,温升曲线的斜率越小,上升越慢.     

激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究

采用Gurney理论,建立了激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算模型。通过修正膜体材料的激光能量吸收系数,对激光作用复合膜体结构形成的飞片速度进行计算,分析了膜体材料和结构组成对飞片速度的影响,确定了形成高速飞片的复合膜体结构。进行了强激光作用复合膜体驱动飞片实验,采用压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片的速度和加速度。结果表明:不同激光能量作用下复合膜体飞片的加速特征基本相似,激光能量的变化对飞片加速时间的影响较小,飞片速度随着光爆层厚度的增加呈先增大后减小的趋势;对应于不同的激光能量,光爆层存在最优能量吸收厚度。     

短脉冲激光诱导薄膜损伤的等离子体爆炸过程分析

短脉冲激光诱导薄膜材料损伤过程的研究通常止于薄膜材料发生喷溅.超热喷溅物质吸收剩余激光脉冲能量将形成剧烈的等离子体爆炸过程.采用两步数值计算方法处理等离子体微滴的爆炸过程,即在每一个数值计算时间步长内,将爆炸过程分为两步,第一步处理微滴的绝热膨胀及裂解过程;第二步处理微滴对激光脉冲能量的吸收过程.有效地将微滴吸收激光能量的物理学过程与爆炸动力学过程耦合到一起.分析了喷溅物质微滴在剩余激光脉冲作用下,其半径、膨胀（加）速度、裂解（加）速度、电子及离子的密度与温度等参量随时间变化的演化情况.结果表明：材料喷溅 关键词： 光学薄膜 激光损伤 等离子体 爆炸     

大能量钕玻璃棒状激光器新型热管理技术

 针对kJ级大能量钕玻璃固体脉冲激光器,对比研究了传统恒温水冷方式和采用加热控制的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况。结果表明,采用新型热管理技术可大大降低棒内温度梯度,减小泵浦过程中的热效应,确保大能量激光输出;而且加热循环水的最佳升温值在单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值附近,使得径向温差最小,该最佳升温值与脉冲间隔时间有关,比如脉冲间隔15 s时,循环水在每个脉冲过后的最佳升温值为单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值的0.85倍;采用加热控制后水温和激光棒温度整体升高,因此在工作一个脉冲串后,必须恢复激光棒温度到初始状态,然后再进行下一个脉冲串工作。     

纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

超强激光脉冲下等离子体块的整体加速研究

为了克服激光加速中强流离子束空间电荷效应对粒子输运的影响,提出一种利用两块不同密度的固体靶先后和一束强度约为1022 W/cm2、脉冲长度为5T(T为激光周期)的超强脉冲激光相互作用的方案,实现了中性等离子体块的加速。通过一维PIC数值模拟研究发现,在合适的参数下,加速后的电子与质子几乎以相同的速度共同飞行长达60λ(λ为激光波长)的距离,其中质子与电子的能量分别为GeV和100MeV量级。     

飞秒激光辐射诱导金属表面微纳结构研究

通过1 kHz的飞秒脉冲(脉宽130 fs,中心波长800 nm)对厚度为60 μm的不锈钢65Mn表面进行飞秒微加工,通过拟合得到65Mn的消融阈值为0.5 J·cm-2。研究了飞秒激光作用下表面形成的多种微结构,其中包括纳米孔及纳米柱状物。同时讨论了激光能量和作用脉冲个数对微结构形成的影响。随着周期波纹结构的形成,发现在各种能量和脉冲个数条件下,周期结构的周期约为入射脉冲的波长。相同的激光功率下,在不同加工速度和加工次数下对不锈钢进行表面微加工,得到了规则的圆孔阵列结构。     

激光对宽能域碳离子在双组份等离子体中阻止本领的影响

在线性化伏拉索夫-泊松模型基础上研究了激光辐照下碳离子在双组份等离子体中的阻止本领,重点讨论了不同激光振幅、激光频率、激光角度、等离子体密度和等离子体电子温度对阻止本领的影响。研究结果表明,在全域范围内,激光对阻止本领的影响都非常明显。在低能区域（入射速度为等离子体电子热速度的0～0.1倍）,碳离子的阻止本领主要来自于等离子体中离子的贡献,特别是在入射速度约为等离子体离子热速度时,阻止本领出现了第一个峰值;在中高能区域（入射速度大于0.1倍的等离子体电子热速度）,碳离子的能量损失主要来自于等离子体中电子的贡献,特别是在入射速度约为等离子体电子热速度的1.5倍时,阻止本领出现了第二个峰值。碳离子在等离子体中阻止本领的这种双峰结构体现了不同能量区域等离子体中离子和电子对阻止本领的贡献。另一方面,激光强度或激光频率的增加削弱了阻止本领,阻止本领会随着等离子体密度的增加或电子温度的降低而增强,特别是由于离子引起的低能峰与电子引起的高能峰相比阻止本领的增强更明显。     

强激光辐照下纳米铜动态拉伸型断裂的数值模拟

 基于强激光辐照加载下纳米铜的层裂实验,采用含逾渗软化函数的损伤度函数模型对实验结果进行了数值模拟研究。强激光加载条件被简化为高斯分布脉冲压力施加在镍合金基体的前表面上。数值计算结果显示：损伤演化明显地改变了试样中波传播特性,无论是对微损伤还是完全层裂的试样,计算都较好地再现了实测自由面速度剖面,表明了含逾渗软化函数的损伤度函数模型在强激光加载条件下纳米铜层裂问题分析中具有较好适用性。     

荧光法研究空气等离子体膨胀动力学过程

基于等离子体荧光法研究了Nd∶YAG纳秒1 064 nm激光脉冲诱导击穿空气等离子体的膨胀动力学过程,用ICCD相机捕获了不同激光脉冲能量诱导的空气等离子体随时间演化图像,给出激光能量100,150,200,300 mJ时击穿空气产生的空气等离子体波阵面前沿的膨胀距离,推演出空气等离子体的扩展速度。实验结果表明等离子体发光区域主要分布在等离子体膨胀区域,等离子体荧光强度随时间增加变强然后渐渐变弱,膨胀区域逐渐增大,在300 mJ,22 ns膨胀距离最大达到3.76 mm,等离子体扩展速度在膨胀初期达到105 m·s-1量级,在膨胀16 ns内迅速衰减,随后趋于平缓。激光脉冲能量越大,引起空气击穿的时刻靠近高斯激光脉冲上升阶段。     

脉冲激光烧蚀碲镉汞材料的等离子体发射谱

脉冲激光辐照处于不同背景气压下的Hg0.8Cd0.2Te材料表面,用时间和空间分辨诊断技术探测了激光照射后产生的等离子体发射谱,根据所获得的飞行时间谱测量了等离子体中粒子的出射速度,结果表明粒子速度随着出射距离的增加迅速减小,且背景气压对出射速度有很大的影响,而激光能量对粒子速度的影响不大。另外根据谱线的展宽计算了等离子体中的电子密度,结果表明,电子密度在激光辐照样品后的短时间内迅速减小,且电子密度最大的位置不是出现在靶的表面而是在距表面一定距离处。     

脉冲抽运掺镱脉冲光纤放大器理论研究

对主振荡功率放大器(MOPA)方式脉冲抽运双包层掺镱脉冲光纤放大器进行了理论研究,分析了放大中抽运脉冲、激光脉冲和拉曼斯托克斯光脉冲的相互作用过程.对增益光纤中上能级粒子数密度随抽运时间的变化进行了分析,求出了最佳抽运脉冲宽度.随着抽运功率的增加,放大过程中出现的受激拉曼效应(SRS)将抑制激光脉冲能量的增加,当采用最佳抽运功率时激光脉冲的能量可达到最大值.分析了光纤长度、纤芯直径对最佳抽运功率、激光脉冲和一级斯托克斯光脉冲的影响.结果表明,当最佳抽运功率时,采用纤芯较粗、长度较短的增益光纤,可以抑制受激拉曼效应,提高激光脉冲的能量与峰值功率.