飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术研究

针对目前PMMA微流道加工质量差和效率低的问题, 对飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术进行了研究。通过实验分析了不同激光参数对微流道的宽度、深度、粗糙度、微流道两侧堆积物火山口高度的影响及变化规律。实验结果表明, 当激光扫描速度为20 mm/s时, 激光功率为0.5 W时, 微流道粗糙度较低且变化幅度不明显; 激光能量从0.5 W增加到0.75 W时, 微流道的宽度、深度与激光能量呈线性关系增加; 激光功率大于0.5 W时, 随着激光功率以及加工次数的增加, 微流道宽度、深度、粗糙度以及堆积物火山口的高度逐渐增加。经过计算得出, PMMA的烧蚀阈值为0.357 J/cm2。通过优化工艺参数, 制备出粗糙度较低、表面光滑、深度为16 μm的微流道芯片。     

全固态单纵模脉冲Nd:YVO_4环形激光器

设计并研制了全固态调Q脉冲单纵模Nd:YVO4环形激光器。利用880nm激光二极管端面抽运Nd:YVO4晶体,通过四镜环形谐振腔中插入声光调Q晶体、标准具,并优化激光谐振腔的结构,获得了重复频率为200Hz、脉宽为26.6ns的单纵模脉冲1.064μm激光输出。当泵浦功率为15 W时,单纵模激光输出的单脉冲能量为570μJ、脉冲能量稳定性优于3%。     

MgO∶PPLN级联倍频实现高转换效率强度调制532nm激光

利用单块非平面环形腔单频激光器和声光移频器,获得了输出功率为10 mW的1064 nm双频激光,拍频调谐范围为125～175 MHz。采用光纤功率放大器可将1064 nm双频激光的功率放大到10 W。为了提高倍频效率,采用两块长度为15 mm的MgO∶PPLN晶体,获得功率为2.26 W的强度调制绿色激光,最高倍频效率为24.5%。当基频光的频差为150 MHz时,得到的绿光拍频分别为150 MHz和300 MHz,2 min拍频稳定性分别是2.7 Hz和5.3 Hz。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

1.06 μm泵浦PPLT高重复频率人眼安全激光器

 利用1.06 μm光泵浦周期极化钽酸锂（PPLT）晶体获得1.54 μm激光。采用内腔式光参量振荡结构,利用V型腔优化谐振腔参数,分析了OPO晶体内光斑大小随激光工作物质热焦距的变化以及V型腔夹角对光束质量的影响。当泵浦电功率约为100 W时,获得高重复频率10 kHz、脉冲宽度125 ns、平均功率1.9 W的1.54 μm激光,电光转换效率约为1.9%。     

强激光热管冷却镜的数值研究

 为消除强激光微沟道水冷镜冷却水压力和扰动对激光输出稳定性的影响和冷却水道对冷却水流量的限制,提出并设计了热管冷却镜。采用ANSYS有限元软件,模拟计算了相同结构下镜面热吸收为12 W/cm²,实心镜、微沟道水冷镜与热管冷却镜连续工作60 s下镜体温升和镜面变形量。计算结果表明：热管冷却镜镜面轴向位移最大峰谷值为0.109 4 μm,微沟道水冷镜最大峰谷值为0.845 μm,实心镜镜面最大峰谷值为1.33 μm,热管冷却镜对镜面变形改善显著。     

4.81 WYb:YAG/1030nm薄片激光器优化设计

设计了四程泵浦的Yb:YAG薄片激光器。晶体掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为直径10mm、厚340μm,提出了Cr/Au金属化方案,采用铟焊工艺将其焊接到微通道水冷热沉上。耦合系统为四程泵浦结构,球面镜规格为直径30 mm、曲率半径50 mm。利用LightTools软件模拟计算了泵浦光斑半径,选用曲率半径200 mm输出镜以使泵浦光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在激光二极管阵列泵浦功率为18.73 W时,获得了最高功率为4.81 W的1030nm连续激光输出,光-光转换效率为25.7%。     

100 W级全光纤化线偏振单频光纤放大器

报道了一种基于主振荡功率放大结构的全光纤化1064 mm线偏振单频光纤放大器。种子源是一个线宽约为3 kHz的单频光纤激光器。输出功率为50 mW的种子激光经两级掺Yb保偏双包层光纤(光纤纤芯直径分别为10 μm和20 μm)和一级手性耦合纤芯增益光纤放大后,最终获得了输出功率138 W、光束质量M2≤1.2、偏振消光比优于18 dB的高功率单频光纤激光输出。在脉冲调制模式下,获得了峰值功率465 W、脉宽宽度约为500 μs的线偏振单频光纤激光输出。     

强激光反射镜基体材料的热畸变特性有限元分析

 利用有限元方法数值模拟了单晶硅（Si）、铜（Cu）、钨(W)、氧化铍(BeO)等镜体材料的热畸变特性。结果表明：当入射激光功率为2 kW、镜面反射率为93%、光斑直径为17 mm、激光照射时间为10 s时,四种材料基板的中心最大热变形分别为0.984,3.32,1.55,1.88 μm。相比之下,Si镜的热变形最小,是比较理想的镜体材料;Cu镜的热变形最大;W和BeO两种材料的镜热变形介于Si镜和Cu镜之间,具有较高的强度和硬度,抗破坏能力较强。     

回流式水冷超薄多层镜的研究

从理论和实验上讨论了水冷铜镜变形的规律, 从而设计出多种多层镜, 其中回流式多层镜在0.13MPa通水压力下净吸收86.9W激光功率时, 总变形仅 0.10μm,约为同等条件下普通水冷铜镜变形量的1/40。     

几种新型全反射棱镜式环形激光器的模式选择技术

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线;由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线;根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。     

燃尽风率对新型W火焰锅炉主燃区气固流动特性的影响

针对采用偏心旋流二次风燃烧技术的300 MWe旋流燃烧器W火焰炉,借助1/10冷模试验台,通过三维激光颗粒动态分析仪测量研究了不同燃尽风率下其主燃区内气固流动特性。随着燃尽风率减小,拱下回流区内回流速度不断增加,且回流区尺寸不断增大。随着燃尽风率由25%减小到10%,在分级分区域,颗粒的最大竖直速度由2 m/s增大到4 m/s.燃尽风率由20.3%减小到10%,拱下回流区内气固两相竖直脉动速度明显增大,气固两相湍流强度将不断增大.在乏气和分级风区域,燃尽风率15%下最大颗粒体积流率是燃尽风率20.3%的2至2.7倍,拱上气流下冲深度明显增加.随着燃尽风率减小,下冲颗粒开始折转向上的位置被推迟,下炉膛空间利用率将不断增加.     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

回流式水冷超薄多层镜的研究

 从理论和实验上讨论了水冷铜镜变形的规律, 从而设计出多种多层镜, 其中回流式多层镜在0.13MPa通水压力下净吸收86.9W激光功率时, 总变形仅 0.10μm,约为同等条件下普通水冷铜镜变形量的1/40。     

连续波HF激光泵浦Fe2+: ZnSe激光器的可行性

针对目前Fe2+: ZnSe激光器缺乏有效的高功率泵浦源这一关键瓶颈,提出了采用连续波HF化学激光器泵浦Fe2+: ZnSe来实现4 μm波段激光输出的技术路线,结合实验和理论手段考察了此技术路线的可行性。首次获得了由连续波HF化学激光泵浦的Fe2+: ZnSe激光器的W级激光输出,输出功率约为1.7 W,谱线峰值波长为4.18 μm,出光时间约2 s。     

实用型放电泵浦XeF(B-X)准分子激光器

 研制了一台实用型放电泵浦的351 nm XeF(B-X)准分子激光器,激光器采用新型开关电源、结构紧凑型张氏电极及放电火花预电离的激光腔结构,通过优化储能电容和放电电容量及比值,选取合理的工作气体压力和配比,优化了激光器性能,提高了激光器输出参数:单脉冲能量153 mJ,平均功率12.9 W,转换效率最高达到0.88%,重复频率1~80 Hz,能量不稳定度小于4%,近场光斑尺寸7 mm×22 mm。激光器已应用到常规抗蚀剂曝光的印刷电路板(PCB)激光投影成像照明系统的实验中。     

大模场面积光纤激光器79.4 W单横模输出

 采用光纤缠绕方法，对国产大模场面积多模光纤激光器缠绕前后的输出性能进行了对比研究。将光纤激光器输出端在半径为65 mm的圆筒上缠绕两圈后，获得了单横模输出。光纤缠绕前后，激光器的光束质量因子由1.24减小为1.06，斜率效率由64.7％减小为54.3％。当泵浦功率为149 W时，缠绕前后的输出功率分别为94.7 W和79.4 W。虽然缠绕后功率有所减小，但激光亮度增加了15％。同时对实验所用光纤的缠绕损耗进行了理论计算，实验结果与理论计算值符合得较好。     

适用于水下同步照明的灯泵浦绿光激光器研制

研制了脉冲宽度大、单脉冲能量大的绿光激光器,其中脉冲重复频率与高速相机帧频同步,且光纤耦合输出.激光器采用平凸非稳腔结构,灯泵浦Nd∶YAG晶体,KTP晶体内腔倍频,被动调Q方式,实现了最大重复频率为300Hz、脉冲宽度为70μs、平均功率为38W、单脉冲能量为126.7mJ、光束发散角为3.5mrad的532nm激光输出.将该激光耦合到芯径为800μm的光纤中进行水下实验,耦合效率达到92%.     

1.2 W中红外ZnGeP2光参量振荡器

报导了利用Tm,Ho:GdVO4激光器抽运双谐振ZnGeP2光参量振荡器实验研究.Tm(5%),Ho(0.5%):GdVO4晶体采用液氮制冷方式,工作在77 K温度条件下.以25 W波长为800 nm的光纤耦合激光二极管抽运,2 μm激光最大平均功率7 W,脉冲宽度小于30 ns, 脉冲重复频率5 kHz到20 kHz可调.非线性频率转换晶体ZnGeP2长15 mm,55?切割,OPO谐振腔为平平腔,腔长约25 mm.在5W的2 μm激光抽运下,脉冲重复频率10 kHz,实现了信号光3.7 μm及闲频光4.5 μm中红外激光输出,参量光脉冲宽度为15～17 ns,最大平均功率大于1.2 W,光-光转换效率为20%.测量参量光输出光束全宽度远场发散角4 mrad,光束质量M2因子小于3.     

叉流式新风换热器数值模拟

换热器是新风系统的核心部件,以某品牌新风换热器为模型,对该换热器进行数值模型,分析换热过程中换热和流动特性,以及流速、流道高度对换热性能的影响。建立不同流道高度时新风侧温差、压差、努塞尔数、阻力系数、综合传热性能因子随速度的变化关系。发现在换热器内存在"换热死区",随速度增加"换热死区"范围增大,在流速0.5m/s～1.6m/s、流道高度3mm～5mm范围内,增加流速可提高换热能力、减小阻力系数,但压降同样增加;相同速度时,提高流道高度不仅提高了换热性能,还减小了压降。