激光钝化对熔石英修复后损伤性能影响的实验研究

采用10.6 μupm 的 CO₂激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后 熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.     

激光钝化对熔石英修复后损伤性能影响的实验研究

采用10.6 μupm 的 CO₂激光, 对单次激光脉冲辐照修复熔石英存在的烧蚀采用大光斑钝化去除. 经过辐照修复的区域置于前表面测试初始损伤阈值, 结果表明调制造成的损伤得到了一定程度的抑制; 辐照区域置于后表面修复后 熔石英的初始损伤阈值超过了基底的初始损伤阈值. 实验观察到了应力分布外扩, 同时明显减弱. 对损伤增长的测试说明, 经过激光熔融辐照后的损伤点, 当应力释放以后, 损伤扩展初期表现出指数增长趋势, 后期随着辐照次数的增加, 损伤增长不再明显, 并且趋于恒定值.     

激光辐照转动充压圆柱壳体热力学效应

 采用有限元计算方法对激光辐照下转动充压壳体的热力学问题进行了较为全面的数值计算，获得了激光辐照下转动内压圆柱壳壁上的温升、应力、应变、位移分布等物理图像，为进一步分析转动充压圆柱壳体在激光辐照下的破坏与失效奠定了基础。提出的解决数值计算中移动热流载荷问题的双时间步长法，可以有效提高计算效率，同时提高计算精度。研究结果表明：对于给定的壳体结构，其损伤阈值时间主要取决于靶面激光强度与壳体旋转频率；在辐照过程中，损伤最先出现在最初受激光辐照的区域。     

不同气流环境下氟化氘激光对45~#钢靶的辐照效应

通过表面形貌观察、温度场分析,研究了切向空气气流、切向氮气气流、自然对流3种环境下氟化氘(DF)激光对45#钢靶的辐照效应,结果表明:切向空气气流环境下,钢靶烧蚀效果最显著,靶板后表面中心温升最高;切向氮气气流环境下,钢靶有一定的烧蚀,但温升最低;自然对流环境下,烧蚀效果最差。实验结果表明:切向气流可移除部分熔化物,特别在切向空气气流环境下剧烈的氧化反应可促进钢靶温度升高,显著增强激光对钢靶的烧蚀,停止激光辐照后切向气流的冷却效应起主要作用。根据实际物理问题建立了相应的数值计算模型,模拟了不同气流环境下激光对钢靶的辐照效应,其中,利用"生死单元"的方法,模拟了切向空气气流环境下激光对钢靶的烧蚀,并考虑了氧化放热的影响。模拟结果与实验结果基本相符,解释了气流在激光辐照效应中的作用。     

多脉冲激光对胶合透镜热破坏效应研究

具有一定强度的激光辐照胶合透镜时可造成透镜的破坏.建立了多脉冲激光与材料相互作用的一维非稳态温度场模型，计算了瞬态温度场分布，并对胶合透镜前表面的熔融和胶合材料的软化进行了数值模拟研究.利用频率为10Hz，脉冲宽度为200ns，峰值功率为20MW的CO₂激光对胶合透镜进行辐照实验研究.实验表明，当激光辐照时间为12s时，胶合透镜前表面发生熔融破坏；当照射时间为30s时，胶合材料发生软化并出现彩色斑纹，透镜完全破坏，理论分析与实验结果相符. 关键词： 胶合透镜 激光辐照 激光破坏     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

熔石英表面加工引入金属微粒的三倍频激光损伤机制

 以材料表面金属元素吸收作为主线建立熔石英表面损伤模型,理论模拟了激光辐照过程中金属微粒周围温度场的变化,模型结果显示,在脉冲时间内微粒周围温度很快达到损伤判据给出的临界温度。通过激光损伤实验,对比刻蚀与未刻蚀样品之间的损伤密度,证实了金属微粒含量与损伤密度存在密切联系。计算结果和实验结果均表明：金属微粒是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

基于激光近场和图像分割技术的复合波长诱导熔石英损伤实验研究

在复合波长(波长分别为1053、527、351nm)情况下,利用激光近场对熔石英样品进行损伤实验。设计了一种基于激光近场辐照的损伤阈值定义方法,并利用带有灰度抑制的分水岭标记算法对损伤图像进行损伤区域提取,通过对比损伤图像与相应光束近场能量分布,计算出损伤区域与非损伤区域临界处的光能量密度,即为熔石英样品的损伤阈值。实验结果表明,复合波长激光诱导熔石英损伤是3种波长激光共同作用的结果,但351nm激光对损伤起主要作用,初始损伤阈值为8.22J/cm2;在复合波长激光多次辐照样品的情况下,熔石英样品后表面的损伤成指数形式增长,损伤增长系数为0.59。     

飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好.     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

自然对流情形下激光辐照液体贮箱的机理

利用激光辐照靶目标时,被辐照部位可能是液体贮箱。通过实验测量与数值模拟的紧密结合,揭示了液体处于自然对流状态时激光辐照下贮箱侧壁温升及液体速度场的演化规律。结果表明:激光辐照初期,铝板中心温升率较高;随着壁面附近液体温度的升高,光斑附近速度边界层内的最大流速增大,传热强度亦增大,导致铝板温升率降低;当铝板吸收的激光能量能够基本被水的对流带走时,铝板中心的温升率趋于零。     

LY2铝合金激光冲击处理工艺

为了提高LY2铝合金疲劳寿命,探索了用激光冲击强化方法处理LY2铝合金的技术。使用流水约束层和铝箔涂层,利用波长为532 nm,脉宽为10 ns,能量为5 J,光斑直径为3 mm的YAG激光器对LY2试样进行了激光冲击强化处理。结果表明:经激光冲击强化后LY2铝合金疲劳寿命提高1.1倍。对激光冲击强化后的试件断口分析结果表明激光冲击的强化作用抑制了裂纹在试件表层的萌生和扩展,从而提高了材料的疲劳寿命。     

激光刻蚀银纳米粒子岛膜的SERS特性

利用激光刻蚀的方法,通过改变激光脉冲的能量,制备出一系列的纳米金属银胶体。将银胶体沉积在铝基底上形成一层银岛膜。用紫外—可见吸收光谱、SEM及拉曼光谱对银胶体和银岛膜进行了表征。研究结果表明,刻蚀所用激光脉冲的能量影响胶体中银颗粒的分布;不同能量下制备的胶体所形成的银岛膜具有不同的表面增强效果;该岛膜具有增强效果优异、制备简便等特点。     

Bubble formation induced by nanosecond laser ablation in water and its diagnosis by optical transmission technique

In this paper, bubble formation and ablation rate in laser ablation of a thin-film aluminum target are studied. The target was an aluminum thin-film coated on a quartz substrate and interacted by a nanosecond Nd:YAG laser beam in ambient air and distilled water. Measuring optical transmission of a He–Ne beam through the ablation region shows that the ablation rate in water is higher than that in ambient air. The results also show that an initial peak appears in the transmission signal which is an evidence for bubble formation in water. Analyzing the data is useful for monitoring the bubble formation in water and relatively estimating the ablation rate.     

Laser ablation of alloys: Selective evaporation model

A mechanism of non-stoichiometric laser ablation is proposed and experimentally verified for multicomponent alloys. The analysis of four-component bronze samples in various excitation modes and the recorded laser plasma spectra revealed that disproportion of plasma elements during laser evaporation arises from selective evaporation of components at the heating-melting-evaporation stage. Correction coefficients proportional to the work function of the alloy component vapor in the heating-melting-evaporation cycle are calculated for the plasma spectrum. Correction procedure for the spectral lines leads to a good agreement of the measured sample composition with the tabulated data. To check that the proposed approach is universal, aluminum alloys and iron alloys (high-alloy stainless steels) are analyzed. It is found that selective evaporation for aluminum alloys is lower than for bronzes. Evaporation selectivity was insignificant for stainless steels. The proposed mechanism for selective evaporation during laser ablation and correction of the plasma spectrum make it unnecessary to use a standard in the quantitative elemental analysis of complex bronze and aluminum alloy samples.     

空间约束结合支持向量机提高毫秒激光诱导击穿光谱的铝合金中的Fe元素成分检测精度

铝合金中Fe元素的浓度会影响铝合金的软硬程度,从而影响铝合金器件的工作使用寿命,因此铝合金中Fe的含量检测精度非常重要,开展了空间约束结合支持向量机提高毫秒激光诱导击穿光谱的铝合金中的Fe元素成分检测精度研究.在平板空间约束条件下,毫秒激光诱导铝等离子体光谱出现了光谱增强,并且提高了等离子体辐射光谱稳定性,光谱辐射中的...     

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。     

铝合金焊前激光清洗的等离子体光谱在线检测

铝合金焊接技术在工业生产、制造和维修等领域有广泛的应用,焊缝内存在气孔导致焊接质量降低是铝合金焊接技术的常见问题。由于铝合金表面金属氧化物是导致气孔生成的主要来源,对激光清洗过程进行在线检测,不但可以实时分析表面氧化物的清洗状态,而且可以避免基体表面因为过度清洗造成损伤或二次氧化。提出采用激光诱导等离子体光谱(LIBS)在线检测铝合金焊前激光清洗过程,表征清洗后铝合金基体的表面状态。LIBS技术可以对多元素成分同时检测,拥有较低的检出限和较高的准确性。搭建基于Andor Mechelle 5000光谱仪的铝合金焊前激光清洗在线检测系统,剔除空气环境对实验结果的影响,测试6061铝合金表面氧化物和铝合金基体的LIBS光谱,分析两者独特的元素特征谱线,采用X射线能谱(EDS)测试结果验证元素特征谱线的准确性,并探讨激光清洗过程LIBS技术在线检测的可行性。实验测试等离子体光谱谱线强度与激光能量密度之间的关系,获得单次脉冲激光去除铝合金表面氧化物的损伤阈值,结合X射线能谱的检测结果研究激光损伤阈值的成因及影响。研究激光清洗过程等离子体光谱特征谱线与脉冲次数之间的关系,提出基于O/Al特征谱线强度比值作为在线检测清洗效果及二次氧化损伤的评判依据。为验证该评判依据的准确性,将O/Al特征谱线强度比值随清洗次数的变化趋势与X射线能谱测试获得的氧元素原子百分比变化趋势进行对比。实验结果表明:采用200~700 nm范围内激光诱导等离子体谱线特征分析激光清洗状态,可以剔除空气环境的影响;氧元素和铝元素特征谱线准确反映出表面氧化膜与铝合金基体的成分差异;X射线能谱检测元素成分和含量表明氧元素含量随着激光清洗能量密度先减后增,单次清洗铝合金的二次氧化损伤的激光能量阈值为11.46 J·cm-2,小于损伤阈值的激光能量密度对铝合金基体的多次清洗未造成损伤,等离子体光谱特征谱线强度与表面清洗状态相关, 656.5 nm(OⅡ)/396.2 nm(AlⅠ)谱线强度比值≤1.5%为激光清洗干净的依据。研究结果有利于铝合金的激光清洗实时控制技术和焊接装置集成化。     

“聚龙一号”装置上磁驱动铝飞片实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序MDSC2,对大电流脉冲装置"聚龙一号"上的151发次磁驱动370μm厚铝飞片实验、164发次磁驱动330μm厚铝飞片实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明:370μm厚铝飞片和330μm厚铝飞片的磁驱动过程中,VISAR测量的速度不是飞片自由面的速度,而是飞片中邻近自由面最近的固体反射面的速度。这是由于磁驱动飞片发射过程中,飞片自由面部分被烧蚀,密度低于固体密度状态,而飞片自由面和加载面中间的飞片还保持固体密度状态。VISAR测量的激光将穿过自由面的低于固体密度状态的飞片部分,到达飞片自由面最近的固体密度位置再反射回去,获得这一位置的飞片速度。数值模拟的飞片固体反射面速度历史和VISAR测量的速度历史相吻合。     

Crater geometry characterization of Al targets irradiated by single pulse and pulse trains of Nd:YAG laser in ambient air and water

High intensities laser pulses are capable to generate a crater when irradiating metal targets. In such condition, after each irradiation significant ablation occurs on the target surface and as a result a crater is formed. The crater characterization is very important specifically for some applications such as micromachining. In this paper, the crater formation in metal targets was studied experimentally. The planar aluminum 5052 targets were irradiated by frequency doubled (532 nm), Q-switched Nd:YAG (∼6 ns) laser beam in ambient air and distilled water. A crater was produced after each irradiation and it was characterized by an optical microscope. Different laser intensities as well as pulse trains were applied for crater formation. The effects of laser characteristics in crater geometry were examined. The depth of the craters was measured by optical microscope and the diameter (width) was characterized by processing of the crater image. The results were explained in terms of ablation threshold and plasma shielding. The results show that the crater geometry extremely depends on the laser pulse intensity, the number of laser pulses, and ambient.