激光热力效应对不同材料电化学刻蚀形貌的作用研究

在所构建的纳秒脉冲激光电化学复合加工(LECM)系统中,利用激光辐照和脉冲电化学复合加工的方法,在相同的工艺参数下,分别对304不锈钢、7075铝合金、1060纯铝等金属和脆性材料硅进行了加工试验。探讨了激光热力效应促进电化学加工的机理,并对不同金属材料的极化曲线进行了测量。通过扫描电子显微镜(SEM)对比分析了不同材料复合加工表面的微观形貌;并通过超景深三维显微镜对不同材料的加工深度、宽度与深宽比进行了分析。试验结果表明,在激光热力作用下,铝合金的电化学刻蚀质量和表面形貌较好,且可以加工出深宽比较大的微结构;脆性材料则存在微颗粒的冲击崩离。     

脉冲激光冲击效应对定域电沉积铜晶粒及其表面形貌的影响

为了研究脉冲激光冲击效应对定域电沉积铜晶粒及其表面形貌的影响,搭建了脉冲激光电化学复合沉积实验系统,并进行了理论分析和实验验证。对沉积过程中的冲击效应进行了检测,采用扫描电子显微镜观察沉积体的表面形貌。结果表明,利用脉冲激光与电沉积液的相互作用,可细化定域电沉积晶粒。此外,激光能量增大时,沉积体晶粒细化,宽度增大,沉积体表面形貌更加平整,内部气孔减少。     

激光辅助复合电沉积加工速率及表面质量研究

为了解决纳米复合电沉积加工速率慢、颗粒易团聚以及沉积层表面质量差等问题,采用构建高能脉冲激光辅助纳米复合电沉积的方法,利用激光辐照产生定域微区搅拌,缓解颗粒团聚现象,加速电化学反应速率,提高沉积层表面质量,并对加工过程进行了有限元仿真和实验验证。结果表明,激光与电化学复合能够明显的提高复合沉积速率,且激光的冲击作用能够提高晶粒的结合性,进而促进镀层的致密化;同时此冲击作用也能降低纳米粒子的团聚几率,细化镀层晶粒。此研究结果对电解加工技术的发展具有一定帮助。     

纳秒激光电化学复合掩模的微细加工

在激光传输光路中加入掩模对激光束进行空间调制,采用纳秒脉冲激光器、纳秒脉冲电源和1 mol/L的NaNO3电解液对304不锈钢进行掩模微刻蚀加工试验研究。利用伏安法测定304不锈钢阳极电流随平均电压的变化规律;选用平均电压1.5 V、脉冲频率2.0 MHz、脉冲宽度60 ns、激光能量160 mJ的工艺参数,在所构建的试验系统中,分别进行了激光电化学复合掩模和盐溶液中的激光掩模加工试验。结果表明:在阳极钝化区内,纳秒脉冲激光电化学复合加工能够显著提高加工速率和加工表面质量,实现了线宽约为130μm、热影响区小的微细刻蚀加工,证实了纳秒脉冲激光电化学掩模加工在微细加工中具有很大潜力。     

激光电化学复合加工的冲击空化检测及试验

为了测量脉冲激光击穿电解液下产生的声压信号,探讨冲击空化效应对激光电化学复合加工的作用和影响,建立了激光电化学复合加工检测系统。采用水听器采集脉冲激光聚焦电解液下产生的声压信号,使用示波器对声压信号进行存储、XVIEWER软件对声压波形分析和计算,最后对激光电化学复合加工的区域进行拍照,并分析冲击空化效应对激光电化学复合加工后的形貌特性和表面质量的作用和影响。结果表明,脉冲激光聚焦电解液下,产生冲击空化效应,向外辐射3个不同声压信号;随着激光能量的增加,激光冲击空化的3个声压变大,空泡的半径和泡能均增加;在激光电化学复合加工中,激光能量增加,产生的等离子冲击波和射流力越大,工件去除的量越多;空泡脉动促进电解液的流动,对加工区域的微观形貌和表面质量起重要作用。这一结果对复合加工的过程和形貌是有帮助的。     

激光热力强化电化学沉积试验研究

为了进一步揭示激光的热力效应对电化学沉积的强化作用,构建了激光电化学复合沉积试验系统,进行了理论分析和实验验证。采用激光循环往复的扫描方式照射沉积区域制备沉积层试样,对沉积过程中的力效应和热效应进行测试,最后采用扫描电子显微镜对沉积层的表面形貌和截面形貌进行观察对比。结果表明,激光的热力效应能加快金属离子的还原反应,促进晶核形成和晶粒细化,在激光能量为0.2mJ（20kHz）时,能获得良好的沉积速率（0.198mg/min）;在激光能量为0.4mJ（20kHz）时,沉积层的拉伸强度性能较好,达到256.38 MPa。此研究结果对电解加工技术的发展是有一定帮助的。     

连续氩氪离子激光晶化非晶硅薄膜的研究

为了研究连续激光晶化非晶硅薄膜中激光功率密度对晶化效果的影响,利用磁控溅射法制备非晶硅薄膜,采用连续氩氪混合离子激光器对薄膜进行退火晶化,用显微喇曼光谱测试技术和场发射扫描电子显微镜研究了薄膜在5ms固定时间下不同激光功率密度对晶化效果的影响,并对比了普通玻璃片和石英玻璃两种衬底上薄膜晶化过程的差异。结果表明,在一定激光功率密度范围内(0kW/cm2~27.1kW/cm2),当激光功率密度大于15.1kW/cm2时,普通玻璃衬底沉积的非晶硅薄膜开始实现晶化;随着激光功率密度的增大,晶化效果先逐渐变好,之后变差;激光功率密度增大到24.9kW/cm2时,薄膜表面呈现大面积散落的苹果状多晶硅颗粒,晶粒截面尺寸高达478nm ;激光功率密度存在一个中间值,使得晶化效果达到最佳;石英衬底上沉积的非晶硅薄膜则呈现与前者不同的结晶生长过程,当激光功率密度为19.7kW/cm2时,薄膜表面呈现大晶粒尺寸的球形多晶硅颗粒,并且晶粒尺寸随着激光功率密度的增大而增大,在 27.1kW/cm2处晶粒尺寸达到最大5.38m。研究结果对用连续激光晶化法制备多晶硅薄膜的研究具有积极意义。     

碳钢的激光冲击强化研究

利用高功率密度(GW/cm2)短脉冲(ns)激光对45碳钢进行了激光冲击处理,观察了激光冲击处理后45碳钢显微组织和结构的变化,并用扫描电镜对疲劳断口形貌进行了分析。试验结果表明:激光冲击强化能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,45碳钢的疲劳寿命得到较大提高。     

基于激光冲击的镁合金在NaCl溶液中电化学腐蚀的研究

为了研究激光冲击强化对镁合金耐腐蚀性的影响,采用电化学方法和钕玻璃脉冲激光(波长1064nm,脉冲宽度20ns)研究AZ31、AZ61和AZ91三种镁合金在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的电化学腐蚀行为,并对合金表面形貌、微观组织、显微硬度、自腐蚀电位和电化学阻抗谱进行实验测试与分析。结果表明:激光冲击强化改善了镁合金的耐腐蚀性。随着激光功率密度的增加镁合金自腐蚀电位正向移动,腐蚀电流密度降低,阻抗弧变大。当功率密度为0.7GW/cm2时电流密度开始增加,阻抗弧减小。讨论和分析了Al含量、固溶和时效处理对激光冲击镁合金自腐蚀电位和阻抗谱的影响。     

利用晶体串接实现宽带三次谐波转换

从耦合波方程出发,分别在小信号、高功率密度(1.5 GW/cm2)条件下研究了晶体串接三次谐波(THG)转换方案,并利用实验验证了该方案。实验观察到这种方案可以有效提高宽带激光三次谐波转换效率,但混频晶体之间的距离对宽带三次谐波转换效率影响明显。在1.5 GW/cm2平均功率密度下,实验中最佳距离25 mm处,对带宽3.5 nm的啁啾脉冲取得了19.75%的三倍频效率,这对于高功率激光宽带三次谐波转换的解决很有意义。     

氧 碘化学激光辐照纯铝的温度场数值模拟

氧碘化学激光(COIL)(波长1.315μm)辐照纯铝表面,激光束斑直径为6 mm,功率密度为10～20 kw/cm2,材料表面在激光能量作用下瞬间发生熔化.以傅里叶热传导模型为基础,利用ANSYS对化学激光与铝相互作用的过程进行模拟,得到了熔池的形貌特征及相关的温度时间关系曲线.对不同功率密度激光作用的模拟结果进行分析,并求解了纯铝熔化破坏的激光功率阈值.     

160 W激光二极管抽运电光调Q主振荡功率放大器绿光激光器

介绍了激光二极管抽运的高重复频率、大能量绿光固体激光器研制成果。激光器采用电一光调Q，主振荡功率放大器（MOPA）结构。根据放大器的设计要求，研制了抽运功率达12kW，占空比为15％的激光二极管侧抽运Nd：YAG棒状激光模块。在重复频率500Hz，脉冲宽度15ns条件下，实现了单脉冲能量1．27J的1064nm输出，光束质量β小于2．5。采用Ⅱ类相位匹配KTP晶体外腔倍频，在基频能量1J，重复频率400Hz，抽运功率密度67MW／cm^2时，获得大于405mJ的绿光输出（平均功率达160W），倍频效率约为40％，绿光光束质量β〈5。     

辅助气体对CO_2激光焊接光致等离子体屏蔽的影响

采用２０ｋＷＣＯ２激光加工系统焊接低碳钢，研究了辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响。研究结果表明，辅助气体不同时等离子体屏蔽临界功率密度由小到大的排列顺序为：Ａｒ→Ｎ２→ＣＯ２→Ｈｅ。Ａｒ作为辅助气体时，等离子体屏蔽的临界功率密度可以低至１．８５×１０６Ｗ／ｃｍ２。辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响主要取决于气体的导热性和解离能，相比而言，气体电离能的影响是次要的。采用Ａｒ作为辅助气体时，等离子体屏蔽临界功率密度低的原因主要在于Ａｒ的导热性能差，激光支持的燃烧波（Ｌａｓｅｒ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＷａｖｅｓ—ＬＳＣ）波容易过热和扩展。     

激光冲击参数对2024铝合金冲击区域的主应力及其方向的影响

为了研究不同功率密度对激光冲击诱导的残余主应力及其方向的影响,采用5种不同功率密度对2024铝合金进行冲击,用X射线应力分析仪测量3个方向的残余应力,计算出残余主应力及其方向。结果表明,激光功率密度对冲击区域的残余主应力幅值、主应力方向角的分散程度、应力强度及最大切应力有影响;对于2024铝合金,功率密度为2.8 GW/cm2时,残余最大主应力的方差为1987,主应力方向角的方差为13905,残余应力分布均匀,主应力方向角分散,但残余最大主应力的均值为-158 MPa;功率密度为2.1 GW/cm2时,残余最大主应力的均值为-239 MPa,冲击区域的残余应力值最大,但残余最大主应力的方差为5471,残余应力分布均匀性差。     

工艺参数对马氏体不锈钢激光冲击区表面轮廓的影响

激光功率密度和搭接率对马氏体不锈钢的激光冲击区的表面轮廓有较大影响.激光功率密度从3.79 GW/cm2到7.25 GW/cm2,冲击区塑性变形程度随功率密度增大而增大,当激光功率密度为6.09 GW/cm2时,冲击区塑性变形程度适中,其残余应力平均值达-569.1 MPa.搭接率试验结果表明,搭接率为33%时,可获得较大面积无挤出的激光冲击区,无挤出区域的塑性均匀,变形深度波动幅度在2μm以内,而且此搭接率下冲击区挤出面积较小,分布具有规律,便于再次冲击以降低冲击区的表面波纹度.     

激光冲击AM50镁合金残余应力场的有限元分析

为了研究镁合金在激光冲击载荷作用下残余应力场的特征,采用实验测试和有限元分析的方法对激光冲击区的残余应力进行了研究.试验中使用Nd:glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理,当激光功率密度为3GW/cm2时,表面的残余压应力值高达-146MPa,残余压应力层深约0.8mm;用有限元分析软件ABAQUS对残余应力场进行数值计算,得到激光功率密度大于0.49GW/cm2时,将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力值增加并趋于饱和;激光功率密度在1.95GW/cm2～3.06GW/cm2之间时,残余压应力值达到饱和.结果表明,实验测试数据与数值计算结果一致性较好,该结果可为激光冲击参量的优化提供理论依据.     

高损伤阈值氟化氘腔镜研制

报道了氟化氘(DF)激光器腔镜的膜系设计、材料选取、制备工艺及其损伤阈值和热畸变测试结果。实验结果表明，镜面在21kW／cm^2功率密度下的热畸变为0．32左右(λ=632．8nm)，腔镜的损伤阈值大于40kW／cm^2。     

高功率激光系统中内光路热变形的仿真及实验研究

为了研究高功率激光系统中的内光路热变形累积效应对光束质量的影响，开展了理论和实验研究。首先，选择三种非稳腔输出的典型高功率激光，激光功率分别为10 kW、50 kW和100 kW，通过热动力学瞬态方法的有限元分析对激光照射的反射镜进行热变形分析。然后，利用光线追迹理论得到激光的波前像差。最终，激光远场光束质量中的Strehl比，因子可以通过Fresnel衍射积分进行计算和对比分析。仿真结果表明，由于内光路反射镜的热变形，远场光束将出现偏心和像散的现象，其中心光强及会聚能力均会下降。随着内光路反射镜的增加，Strehl比减少而因子增加，远场光斑x方向的倾斜、像散及彗差也会逐渐增加，将成为系统的主要像差。为了和上述理论仿真结果进行对比，建立了一个测量反射镜热变形实验平台，实验中采用10 kW的TEA CO2激光器照射99%反射率的铜反射镜，通过等效放大原理，实验结果可以部分代替50 kW和100 kW功率水平。镜面热变形的测量精度小于/15，并和仿真结果吻合得较好。结果表明，反射镜的热变形在激光功率超过10 kW时不能被忽略，且随着激光功率及反射次数的增加，这种热畸变将变得越发严重。所得结果将对高功率激光系统的热畸变分析过程提供指导，并可应用于激光核聚变及激光武器系统等的设计分析中。     

Power and efficiency of a continuous HF chemical laser

Experimental measurements of laser power output and chemical efficiency are reported for a continuous HF chemical laser. In this device, arc-heated N2is mixed in a plenum with SF6to provide F atoms. The mixture is expanded to form a supersonic jet into which H2is diffused. Population inversion and lasing are due to H2+ F → HF(υ) + H,upsilon leq 3, DeltaH = -31.7 kcal. Power levels up to 1 kW have been obtained. The efficiency of conversion of chemical energy to laser power is 16 percent at low SF6flow rates and approximately 10 percent at peak power. For a fixed arc power, addition of O2into the plenum raises peak power by about 25 percent under present operating conditions and reduces sulphur deposition on mirror surfaces. The presence of HF and DF in the plenums of DF and HF lasers, respectively, did not appear to degrade laser performance. (HF and DF levels up to 10 percent of the local F concentration were studied.) However, the presence of HF and DF in the plenums of HF and DF lasers, respectively, did degrade laser output. For given flow conditions, peak net laser power was obtained when the optical cavity axis was about 2 cm downstream of the H2injection station. The net output power was reduced to zero when the cavity axis location was increased to 5 cm.