纳秒脉宽激光烧蚀典型金属推进性能实验研究

为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能,对常见的七种金属材料:Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au,使用波长1064 nm,脉宽8ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀,测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数,获得了激光功率密度对推进性能的影响规律.实验结果表明:相同激光功率密度下,Fe的烧蚀质量最大,Y的烧蚀质量最小;A1,Au,Cu的冲量较大,Ag的冲量最小;Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大,分别在激光功率密度为1.72×1010 W/cm2和2.98×1010 W/cm2时达到40.7 μN/W和500 s的最大值,平均能量转化效率可达6％.     

高压输电线异物激光清除三维仿真研究

激光以其优异的性能在输电线路异物清除领域具有广阔的应用前景。为了安全、高效地清除输电线异物,须对激光与异物组织的作用机理进行研究。本文分析讨论了激光与尼龙材料的热作用机理,建立了激光束切割尼龙材料的三维数值仿真模型,仿真研究了不同激光移动速度和光斑尺寸下尼龙材料三维动态烧蚀形貌,分析研究了激光移动速度和光斑尺寸对材料烧蚀深度的影响趋势。结果表明,激光功率和光斑尺寸一定时,材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与激光移动速度成反比;激光功率和移动速度一定时,材料烧蚀的最高温度和烧蚀深度与光斑尺寸成反比。当激光功率为100W、光斑半径1cm时,烧蚀过程中不发生明火的激光最小移动速度为05cm/s。当激光移动速度为2cm/s、功率为100W 时,不发生明火的光斑最小直径为03cm。     

激光功率密度对Ge烧蚀蒸气动力学特性的影响

建立了一维半导体Ge激光烧蚀模型,对不同功率密度的紫外激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟,并对计算结果进行了分析,得到激光功率密度对烧蚀过程以及蒸气膨胀动力学特性的影响。结果表明,激光功率密度的变化对烧蚀过程影响非常大。照射的激光功率密度越大,靶的表面温度越高,蒸发深度、烧蚀蒸气温度和膨胀的速度、相应蒸气膨胀的空间尺度也越大,且等离子体屏蔽现象出现得越早。在给定的烧蚀条件下,等离子体屏蔽的阈值在1×108~1.5×108W/cm2之间。     

青铜金刚石砂轮的激光整形与修锐

考虑蒸发效应、等离子体屏蔽效应与脉冲间能量累积效应基础上,建立脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮传热物理模型,应用模型对脉冲光纤激光修锐青铜和整形金刚石分别进行传热数值计算,依据数值仿真结果,开展脉冲光纤激光烧蚀青铜轮和青铜金刚石砂轮的实验。理论研究和实验研究表明:相关条件下,当激光功率密度小于2.10108 W/cm2时,只能对青铜金刚石砂轮修锐;当激光功率密度大于2.10108 W/cm2小于2.52108 W/cm2时,能对青铜金刚石砂轮实现整形和修锐的合二为一;当激光功率密度大于2.52108 W/cm2时,能对青铜金刚石砂轮实现大深度修锐,但影响磨粒突出结合剂的高度和磨削性能,以上研究为脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮研究提供理论指导与工艺优化,同时实验结果与数值模拟结果一致,也验证了传热模型的正确性。     

Nd∶YAG连续激光烧蚀碳纤维复合材料的过程观测

通过Nd∶YAG激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料过程的高速摄像观测,得到了不同辐照功率密度下烧蚀过程中的主要现象。发现在低功率密度(50 W/cm2)下,主要是表面烧蚀机制,不会发生燃烧现象,在长时间辐照下,由于表层附近出现轻微的聚合物焦化分解,表面层出现粉末状和漂絮状的碳粉缓缓弥散空气中;在中等功率密度(300 W/cm2)下,体烧蚀机制占主要地位,内层分解气体喷出,在空气中点燃引起表面燃烧,主要燃烧表面聚合物;在高功率密度(4500 W/cm2)下是以表面烧蚀为主的质量迁移机制,在极短的时间(0.001 s)内表面层被破坏,瞬间燃烧,光斑中心出现喷射式的气化等离子体现象,并出现逐层烧蚀和各向异性热传导引起的烧蚀区形貌变形等现象。     

Nd:YAG连续激光烧蚀碳纤维复合材料的过程观测

通过Nd:YAG激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料过程的高速摄像观测,得到了不同辐照功率密度下烧蚀过程中的主要现象.发现在低功率密度(50 W/cm2)下,主要是表面烧蚀机制,不会发生燃烧现象,在长时间辐照下,由于表层附近出现轻微的聚合物焦化分解,表面层出现粉末状和漂絮状的碳粉缓缓弥散空气中;在中等功率密度(300 W/cm2)下,体烧蚀机制占主要地位,内层分解气体喷出,在空气中点燃引起表面燃烧,主要燃烧表面聚合物;在高功率密度(4500 W/cm2)下是以表面烧蚀为主的质量迁移机制,在极短的时间(0.001 s)内表面层被破坏,瞬间燃烧,光斑中心出现喷射式的气化等离子体现象,并出现逐层烧蚀和各向异性热传导引起的烧蚀区形貌变形等现象.     

表面气流环境下激光辐照碳纤维复合材料实验研究

以跨音速风洞为平台, 开展了表面亚音速气流环境下, 连续激光辐照碳纤维复合材料实验研究。研究表明, 无气流时, 喷出的热分解产物会降低激光能量透过率; 有气流时, 气流快速带走热分解产物, 并对基体分解后裸露的碳纤维材料进行冲刷和剥离, 加速了材料的烧蚀。表面亚音速气流的加载有利于激光对碳纤维复合材料的破坏, 且马赫数越大越有利; 在激光总能量不变的情况下, 适当降低激光功率密度, 延长激光作用时间, 有利于激光对碳纤维复合材料的破坏。     

光学材料在激光辐照下熔化、汽化相变烧蚀数值模拟

对光学材料激光辐照下传热、相变烧蚀,采用有限差分全隐格式,在相变区采用潜热叠加到比热的方法,编制了一维程序。研究了光学材料Si在不同功率密度、不同脉宽的激光辐照下的传热、相变烧蚀速度和深度。计算结果表明,相变烧蚀速度和深度定量决定于激光能量沉积率大小,也取决于热传导能量损失和相变潜热耗能之间的相互竞争关系。     

基于高温原位观测的高速风洞内强激光诱导的瞬态破坏行为研究

建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。     

飞秒激光加工镍钛合金的烧蚀阈值实验研究

利用飞秒激光微加工系统对镍钛合金的烧蚀阈值进行理论和试验研究。设计了不同功率和扫描速度下的镍钛合金多脉冲累积烧蚀实验,应用扫描电子显微镜观测并分析试件烧蚀区域的形貌特征,计算得到了不同扫描速度下的烧蚀阈值分别为2.02、2.40、3.04、5.46、15.44 J/cm²。然后分析了多脉冲的累计效应对镍钛合金烧蚀阈值的影响规律,结果表明:当有效脉冲个数小于220时,烧蚀阈值会随着有效脉冲个数的增加而快速减小。但当脉冲数大于220时,脉冲能量逐渐饱和,减小的趋势趋于平缓最终趋于稳定。最后通过对比分析热影响区产生的原因,得出扫描速度1.5 mm/s、激光平均功率0.8 W是相对最优的飞秒激光加工镍钛合金工艺参数。     

Tm激光与角膜作用的热效应模拟

激光角膜热成形技术(LTK)在矫正远视临床中占有重要的应用前景。为了了解铥激光与角膜组织热相互作用中激光参数和角膜光学及热物性参数对温度场分布的影响,选取50W/cm2,55W/cm2,60W/cm2三种功率密度,1s、2s、3s三种作用时间,用有限元方法模拟了激光作用下角膜组织内温度场的分布。模拟结果表明激光有效穿透深度与激光功率密度和时间都是正向相关,而与能量密度的正向相关性较差;激光作用时间越长,角膜组织中的温度梯度越小。模拟得到激光功率密度50W/cm2作用时间1s适合于LTK。     

高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析

为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律,采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算,取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌,与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明,靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台,即相变潜热期与逆相变潜热期,并随着激光功率密度变化;激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力,功率密度为293W/cm2时,压应力差值约为1.87MPa;功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。     

高功率光纤激光焊接铝合金焊缝成形特征研究

为了探究铝合金高功率光纤激光焊接焊缝成形特征与规律,采用高斯光束与平顶光束对3mm厚5052铝合金进行激光对焊,对比分析了不同光束模式下的焊缝成形特征与激光功率、扫描速率对焊缝成形的影响。结果表明,平顶光束焊接主要为热导模式,熔池呈U型,易产生气孔、裂纹等缺陷; 高斯光束焊接有4种模式,随着激光功率和扫描速率的变化,4种模式相互转化,深熔焊模式下,熔池形貌呈“丁字”型; 扫描速率为20mm/s时,高斯光束有效深熔焊的下、上临界功率密度分别为8.8×105W/cm2和9.2×105W/cm2; 激光功率为2.7kW时,高斯光束有效深熔焊的下、上线能量分别为77J/mm和90J/mm; 在满足深熔焊所需功率密度条件下,线能量可作为激光深熔焊接的一个判据,线能量和功率密度对焊接模式与熔池形貌共同起决定性作用。     

基于飞秒激光的石英刻蚀参数探讨

主要从实验角度研究了在波长 780 nm飞秒激光作用下石英的烧蚀, 给出了石英烧蚀孔径与能量的关系, 计算出石英的烧蚀阈值为 1.06 J/cm2。并研究了光阑对孔径的影响, 能量、扫描速度、扫描次数与微槽宽度和微槽深度的关系。     

能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究北大核心CSCD

飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1.730 J/cm2激光功率为1.9 W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17.604μm。     

飞秒激光烧蚀面齿轮的等离子体冲击波效应影响研究

针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA在飞秒激光精微加工过程中产生的等离子体冲击波效应,建立了等离子体冲击波传播的压强方程、精微加工材料的波阵面温度模型。以脉宽、能量与离焦量作为变化参数,得到了冲击波传播半径随温度与压强的变化规律。试验验证了飞秒激光脉宽在300、500、800 fs时,单脉冲激光能量保持在15～25μJ,此时熔融层光滑平整,具有较好的烧蚀效果。相同脉宽下,过高的能量导致熔化材料过多,凹坑深度加深以致于排出效果降低,在凹坑壁形成高低不平的波峰。使用较高能量参数对材料进行变离焦量烧蚀时,随着正离焦量增大,边缘热影响区域增大。同时,等离子体冲击波对液态材料的排出效果由于离焦变化而降低。验证了等离子体冲击波效应模型,达到了实际烧蚀效果。     

碳纤维/环氧树脂层合板的激光烧蚀特性分析

为了研究碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的激光烧蚀温度场、退移速率,应用有限元软件ABAQUS的python语言进行二次开发,建立了辐照面动态变化的有限元烧蚀模型,并选用功率密度分别为1.528 kW/cm2及3.82 kW/cm2的高强度激光器对该复合材料进行了激光辐照试验。定量分析了不同功率激光辐照下,碳纤维/环氧树脂层合板的温度场分布以及辐照界面的退移速率。研究结果表明:有限元烧蚀模型能够有效地模拟层合板的烧蚀,随着激光功率密度变大,辐照面附近温度梯度及烧蚀界面退移速率变大,基体热解区域尺度变小,背壁温度梯度变化相对较小,随着辐照时间的增加,烧蚀界面退移速率趋于恒定。     

低功率CO2激光辐照对多层石墨烯结构的影响

在真空环境下使用不同功率密度的CO2激光对化学气相沉积法(CVD)生长的石墨烯进行辐照,通过研究辐照前后的拉曼光谱变化考察了激光功率密度及辐照时间对多层石墨烯结构的影响。结果表明,当功率密度较低(13W/cm2)时,石墨烯拉曼光谱中的D峰降低,2D峰增强,石墨烯内的掺杂、缺陷减少。随着功率密度的增加,石墨烯的缺陷增多,部分缺陷连接形成晶界,使石墨烯分解为纳米晶。在58 W/cm2的功率密度下,当作用时间为120s时,在石墨烯表面产生非晶碳。研究表明,适当参数的CO2激光辐照能改善石墨烯的内在性能。     

激光与外载荷联合加载7075铝合金的实验研究

为了研究7075铝合金在激光与外载荷联合加载下的失效行为, 采用最大拉力50 kN的拉伸伺服试验机与工作波长为1070 nm的6 kW连续光纤激光系统对7075铝合金进行了不同预载荷与不同激光功率密度下的联合加载实验, 获得了该材料的拉应力-时间曲线、温度-时间曲线、失效时间-功率密度曲线、失效温度-功率密度曲线等, 分析了功率密度与预载荷对失效过程、失效温度和断裂形貌的影响。结果表明, 在相同的预载荷下, 激光功率密度的增大会导致失效时间非线性下降, 失效温度是否有较大变化取决于预载荷的大小, 当预载荷大(330 MPa, 440 MPa)时, 失效温度随功率密度增加略有升高, 预载荷较小(110 MPa, 220 MPa)时, 失效温度变化规律不单调; 在相同的激光功率密度下, 预载荷增大, 失效时间减少, 功率密度较大、预载荷较小时, 失效行为变得相似; 在一定的功率密度(315 W/cm2, 351 W/cm2)下, 失效温度随预载荷的增大先增大后减小。该结果进一步揭示了7075铝合金的失效机理。     

激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。