离焦量对空气中激光诱导铜等离子体光谱特性的影响

利用Nd: YAG脉冲激光在空气中烧蚀金属Cu靶,获得等离子体光谱;采用改变离焦量的方法,研究了离焦量的变化对谱线结构及谱线强度的影响;分析了离焦量分别为1mm、0mm和-2mm时,沿靶面法线方向不同空间距离处电子温度的演化规律;并对等离子体光谱的特性和产生机制进行了讨论. 结果表明,谱线结构、谱线强度和等离子体的电子温度都与离焦量的变化密切相关,聚焦点在-2mm处CuⅠ谱线相对强度出现峰值,电子温度数值最大;聚焦点在-0.5mm和-1.0mm附近谱线相对强度遽然降低的现象是由于等离子体的屏蔽效应造成的.     

0.12mm不锈钢薄板光纤激光回转法打孔工艺优化分析

利用光纤激光加工系统对厚度为0.12mm的SUS304材料进行回转法打孔。通过正交实验方法分析了激光功率比、占空比、切割速度、重复频率、辅助气压等参数对打孔质量的影响。实验结果表明,激光打孔工艺最优参数组合是:切割速度为12mm/s,占空比为8%,重复频率为1.5kHz,功率比为85%,辅助气压为0.8MPa。在此优化参数下得到的最小打孔锥度为0.05°,且微小孔边缘热影响区较小,孔真圆度较好,可以保证较高的打孔质量。     

基于4 kW YAG激光器的激光拼焊焊接工艺

分析了激光拼焊工艺特征,重点研究了在大功率固体激光器条件下,激光拼焊焊接工艺中激光功率、焊接速度和离焦量等因素变化对焊接质量的影响,得出了变化规律曲线。并系统全面地研究了目前汽车常用板材全厚度系列激光拼焊工艺,采用叠代寻优的方法获得到了适用于全自动激光拼焊生产线的优化工艺规范。     

离焦对激光通信接收视场的影响分析

为了降低自由空间激光通信中对准难度,本文提出了采用离焦的方法以增大接收视场角。以满足通信所需最低能量(-35 d Bm)为基准,理论推导了探测器接收能量、接收视场角(FOV)、离焦接收能量及离焦量之间的相互关系,并通过Matlab仿真,分析对比了离焦接收能量和离焦量对接收视场角的影响。结果显示,当离焦量为0.5 mm时,离焦接收能量从-20.9 d Bm提高到-4.1 d Bm,接收视场角能增大0.27 mrad;当离焦接收能量为-4.1 d Bm时,离焦量从0.2 mm扩大到1.0 mm,视场角能增大1.75 mrad。通过对比表明,提高离焦接收能量以及扩大离焦量都可以增加接收视场角,且扩大离焦量的效果相对比较明显,这对后续离焦系统的设计提供了理论指导依据。     

基于激光毛化技术的5052铝合金粘接试验研究

为了提高5052铝合金的粘接性能,利用脉冲光纤激光的短脉冲和高峰值功率的特性,对铝合金试件进行了激光毛化试验研究。通过正交实验法,研究了平均功率、扫描速度、脉冲频率和脉冲宽度等工艺参数对激光毛化质量的影响,以及各工艺参数的影响权重,并求得最佳工艺参数,最佳工艺参数为平均功率90 W、扫描速度10 mm/s、脉冲频率1000 kHz、脉冲宽度200 ns。根据优化后的工艺参数,加工获得了粗糙度2.35 μm,然后对激光毛化后的铝合金试件进行单搭接拉伸试验,研究发现粘接强度随着粗糙度的增大而增大,当粗糙度到达一定程度时,粘接强度反而会随着粗糙度的增大而减小。另外,粘接强度还跟铝合金表面的微织构的类型及疏密程度都有很大关系。     

激光陀螺谐振腔横模特征的测量与分析

为了判定被测激光的模式特征,基于激光的频率特性,提出了一种测量激光陀螺谐振腔横模特征的方法.利用F-P扫描干涉仪,可以实时在线测量激光模式分布特性,该方法以已知F-P扫描干涉仪的频率间隔和扫频速度为比例尺,将难以测量的横模频率间隔转化为易于测量的时间间隔,通过测量从扫描干涉仪给出的谱图,计算出不同横模的频率间隔与纵模间隔的比例系数,并与该陀螺的理论比例系数进行比较,从而实现对激光陀螺谐振腔横模特征的精确判定.通过对某型环形激光谐振腔的测量实验,得到了该陀螺模式特征随着工作电流大小变化的规律:随着放电电流的增加,激光陀螺腔内所振荡的横模由单一的基模逐渐转变为基模和高阶模的混合模,并准确地判定出该谐振腔横模特征,其测量结果与理论结果误差小于2%.利用该方法横模频率间隔测量准确度可达1 MHz,重复性可达0.4 MHz.     

激光打标系统及工艺参数的分析

介绍了激光打标系统的结构,并以Nd：YAG振镜式激光打标机为例,分析其控制原理和计算机控制系统的扩展功能,并分别说明基于点阵扫描与矢量扫描两种方式对图形进行处理的打标方法。通过对标记机理和工艺过程的介绍,着重分析了工艺参数的选择对标记效果的影响。     

模具钢表面激光毛化工艺的试验研究

以模具工业45^#钢摩擦学设计及性能要求为基础，分析了激光毛化模具钢表面形貌的形成机理及其关键的影响因素。采用灯泵浦Nd：YAG脉冲激光器在试样表面进行激光毛化工艺试验，获得了合理的激光毛化参数范围：激光峰值功率0．8～1．6kW，离焦量-1．4～-0．4mm、＋0．4～4-1．4mm，辅助气体压力〉0．2MPa，脉宽1．8ms。采用功率增益和氧气保护，可加工出预先设定的微火山口状毛化形貌。微凹坑形貌的成功获得对于提高拉伸模具的摩擦磨损性能，进一步掌握激光毛化参数与材料的作用规律，提供了有效的数据参考。     

脉冲Nd:YAG激光熔覆修复塑料模具工艺参数的优化

 激光器的电压、电流、脉冲宽度、脉冲频率与激光的扫描速度、光斑直径等工艺参数直接影响着脉冲Nd:YAG激光熔覆质量。为了简化工艺调整过程，提出了重叠率的概念，并进行了理论推导，建立了重叠率与脉冲频率、激光扫描速度、激光光斑直径相互关系的方程式。利用预置法在低碳钢基体上熔覆Ni基合金粉末,获得了2组最佳工艺参数，即单脉冲能量、重叠率分别为6.7 J,97.4%和21 J,69.4%。研究表明：在单脉冲能量和重叠率一定的条件下，改变电流、脉宽、脉冲频率及熔覆速度不会影响熔覆质量。     

超声气体射流辅助飞秒激光刻蚀石英微槽工艺研究

针对飞秒激光加工硬脆材料过程中存在重凝、微裂纹、崩边等物理缺陷,为获得高质量加工面,提出超声气体射流辅助飞秒激光加工方法。以刻蚀石英微槽为研究对象,探讨了超声气体射流辅助飞秒激光加工机理,探究了超声频率、超声功率及气体入口压力对飞秒激光刻蚀石英微槽深度及深宽比的影响规律,对比分析了有无超声气体射流辅助下飞秒激光刻蚀石英微槽形貌。实验结果表明,在飞秒激光重复频率20 kHz、单脉冲能量50μJ、离焦量0μm、扫描速度4 mm/s、单次扫描加工条件下,石英微槽深宽比从无超声气体射流辅助下的0.81提升至超声气体射流辅助下的1.23,槽深由27.16μm增加到48.82μm,此时超声气体射流参数为气体入口压力0.6 MPa、超声频率28 kHz、超声功率300 W。在超声气体射流辅助下石英微槽表面附着颗粒物减小,表面形貌显著提高。     

基于光纤色散相位补偿的高分辨率激光频率扫描干涉测量研究

为了实现更高分辨率的激光频率扫描干涉测量, 增大光源的扫频范围以及减小扫描频率的非线性成为关键. 采用外腔式大带宽扫频光源结合光纤辅助干涉仪构建的外部时钟频率采样非线性校正是目前较为常用的方法. 本研究发现随着扫频带宽和测量范围的增加, 光纤辅助干涉仪与测量光路中存在的色散失配导致频谱出现严重展宽, 极大的降低了测量的分辨率. 本文建立了辅助干涉仪和测量干涉仪色散失配影响的理论模型, 利用该模型分析了扫频带宽和测量范围与测量分辨率的变化关系, 与实验结果相一致, 并进而提出了基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法, 有效地提高了测量的分辨率, 在2.53 m 处实现了接近理论值的64.5 μm的测量分辨率. 该色散失配模型及补偿方法为提高大尺寸激光频率扫描干涉仪的测量分辨率及测距范围提供了参考.     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

Self-Focusing/Defocusing of Chirped Gaussian Laser Beam in Collisional Plasma with Linear Absorption

This paper presents an investigation on the self-focusing/defocusing of chirped Gaussian laser beam in collisional plasma with linear absorption. We have derived the differential equation for the beam width parameter by using WKB and paraxial approximations and solved it numerically. The effect of chirp and other laser plasma parameters is seen on the behavior of beam width parameter with dimensionless distance of propagation. The results are discussed and presented graphically. Our simulation results show that the amplitude of oscillations decreases with the distance of propagation. Due to collisional frequency, the laser beam shows fast divergence which can be minimized by the introduction of chirp parameter. The chirp decreases the effect of defocusing and increases the ability of self-focusing of laser beam in collisional plasma.     

电视导引头的激光回波分析

阐述了用激光主动扫描法侦察远方飞航导弹来袭方位的原理及实验技术。以电视导引头光学系统为例,运用矩阵光学追迹法对影响“猫眼效应”回波强度的因素进行了定性和定量的分析。研究结果表明:回波强度受导引头光路中光学镜头的相对孔径、摄像管靶面倾斜和离焦的影响较大;扫描激光光束的入射角等因素对回波强度也有一定的影响。在主动扫描装置与被探测导引头相距约5000m、扫描光束的入射角为0.1rad的条件下,导引头光学系统反射面倾斜和离焦使得侦察装置接收到的回波能量与发射脉冲能量之比由理想条件下的1.0%分别下降到了0.004%和0.3%。     

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。     

Porous microstructures induced by picosecond laser scanning irradiation on stainless steel surface

A study of porous surfaces having micropores significantly smaller than laser spot on the stainless steel 304L sample surface induced by a picosecond regenerative amplified laser, operating at 1064 nm, is presented. Variations in the interaction regime of picosecond laser pulses with stainless steel surfaces at peak irradiation fluences(F_pk=0.378–4.496 J/cm²) with scanning speeds(v=125–1000 μm/s) and scan line spacings(s=0–50 μm) have been observed and thoroughly investigated. It is observed that interactions within these parameters allows for the generation of well-defined structured surfaces. To investigate the formation mechanism of sub-focus micropores, the influence of key processing parameters has been analyzed using a pre-designed laser pulse scanning layout. Appearances of sub-focus ripples and micropores with the variation of laser peak fluence, scanning speed and scan line spacing have been observed. The dependencies of surface structures on these interaction parameters have been preliminarily verified. With the help of the experimental results obtained, interaction parameters for fabrication of large area homogeneous porous structures with the feature sizes in the range of 3–15 μm are determined.     

彩色三维激光扫描测量方法的研究

提出了彩色三维激光扫描测量方法，即在单色三维激光扫描测量数据上贴合彩色的数字图像。给出了单色三维测量模型——三维光平面方程测量模型，提出了全新的测量系统参量的快速标定方法，并制作了标定靶标。给出了物体三维数据和颜色信息的贴图技术。利用所研制的装置对招财猫模型进行了实验测量，得到了满意的结果。