CO2激光焊接光致等离子体屏蔽机制的实验研究

采用20kW CO2激光器,设计了一组试验方法,研究光致等离子体对焊接深度和聚集光束的影响,探讨高功率CO2激光焊接时光致等离子体的屏蔽机制。研究表明,光致等离子体显著改变了聚集光束的形态,使其焦点下移、光斑扩大,等离子体的这种透镜效应随着等离子体的上升而增强。相对于等离子体吸收,等离子体的透镜效应是等离子体屏蔽的主要机制。     

激光深熔焊光致等离子体行为与控制

激光深熔焊中光致等离子体的行为影响焊接质量和焊接效率,本文论述了等离子体在激光溶熔焊中的形成机制与存在形式。讨论了不同功率密度时,等离子体对能量耦合的影响,分析了其对激光束的作用,特别是对光束的折射。归纳了工程中等离子体控制的几种方法和辅助气体控制等离子体的理论研究现状。     

基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其应用,为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑,设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光的匀化原理和光束匀化过程,通过分析微透镜边缘衍射对匀化光斑影响确定了微透镜孔径范围,采用近轴矩阵光学推导了目标光斑发散角。结合实例对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证,实现了均匀性为91.89%的均匀光斑。     

激光等离子体对光束阻断效应的研究

实验中利用锁模Nd:YAG激光(脉冲串时间长度59.2 ns,单脉冲宽度20.69 ns)经透镜聚焦于大气中,诱导大气发生光学击穿,在不同的入射光强下,对经过光致等离子体的透射光与入射光的时间波形进行了测量.测量结果表明:入射光束经过光致等离子体时受到强烈吸收,从而表现出光致等离子体对入射光束的阻断效应.还发现入射光越强,光致等离子体区域内部电子的扩散损耗相对越小,入射光受光致等离子体阻断的效果越明显.当锁模Nd:YAG激光连续两次通过等离子体区域,随着光束通过等离子体长度的增加,光束受阻程度变得更加严重.     

输入光束光斑半径变化对BOE整形环的影响

在已设计的16阶用于将He-Ne基模高斯光束转换为厚环形光束二元光学元件基础上,模拟计算了输入光束光斑半径变化对所设计的二元光学元件整形环效果的影响,模拟结果显示,当光斑半径偏离设计值在±50μm范围内,环上均匀性的均方误差不超出设计值的5%.同时,给出了输入光斑半径为1.745mm时的实验结果及660nm半导体激光实验结果.     

光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善

使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。     

双波长高功率半导体激光器波长耦合技术

介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计耦合器件,自行设计了光学系统对光束进行扩束聚焦,通过实验将808nm和980nm两半导体激光迭阵光束通过此技术进行合束,最终实现更高功率输出,耦合效率为80%,光斑大小为2mm×2mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合。     

一维相干阵半导体激光光束远场特性研究

研究了一维相干阵半导体激光器在远场的光束传输特性.通过建立数学物理模型,模拟计算了一维相干阵激光器的激光光束在远场的光强分布,分析了阵列长度、波长和占空比对不同距离处相干阵远场快慢轴方向光斑宽度的影响.研究表明,受一维相干阵半导体激光慢轴方向子光源相干作用的影响,在远场,相干阵半导体激光器的慢轴方向光斑宽度与快轴方向宽度相比,相差约4个数量级,激光光斑呈现"刀片"状分布.     

激光打孔中光致等离子体的作用及控制方法

论述了激光打孔中光致等离子体的产生，发展，作用及等离子体屏蔽效应的控制方法。     

脉冲激光对单晶硅打孔的研究

采用波长为1064 nm的重复脉冲激光对单晶硅进行打孔实验,观测了小孔烧蚀深度以及表面孔径大小随脉冲个数的变化规律,并对激光辐照单晶硅的热力学过程进行了理论分析。研究结果表明:入射激光在穿过等离子体到达单晶硅的表面时,光斑尺寸会有所增大,小孔孔径会大于聚焦光束尺寸。小孔内的等离子体本身具有很高的温度,高温等离子体在膨胀过程中会通过热辐射和热传导等过程向小孔周围传递热量,这也会对小孔孔径起到一定的拓展作用。当脉冲个数低于6个时,孔深随入射脉冲个数的增加近似线性增长,而后开始缓慢增长直至保持不变,这主要是由激光等离子体屏蔽效应决定的。     

提高半导体激光二极管功率密度的光束整形方法

针对半导体激光二极管由束散角大（14~46）导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题,提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直,然后通过一对平凸透镜组合进行扩束,进一步提高光束平行度,最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数,对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明:半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内,激光功率密度优于30 W/cm2。     

半导体激光切割碳钢板方法研究

采用500 W半导体激光对碳钢板材进行切割实验。为了提高切割能力，针对半导体激光光束发散角较大的特点，以及碳钢板材的激光切割工艺特性，对切割头的光学系统进行改进，并进行比较实验。结果显示，适当增加光斑尺寸，焦深延长，可一定程度上加强半导体激光对于3 mm以上碳钢板的切割能力，将切割厚度拓展到6 mm。在此条件下，切割速度有所下降。但在3～6 mm厚度范围内切割效率同500 W光纤激光器切割效率相近。     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。     

离焦量对等离子体冲击波力学效应的影响

为研究激光等离子体冲击波力学效应受入射激光及环境因素的影响,利用波长1．06μm,脉冲能量320 mJ,脉宽10 ns的Nd;YAG激光作用在Al靶上,研究了冲量耦合系数(C_m)和离焦量(Z)之间的关系。实验发现在1．01×10~5 Pa情况下,初始时C_m随Z增大而增大,到Z=-12 mm附近达到最大值;而后C_m随Z增大而减小。在4000 Pa时,C_m随Z的变化关系与1．01×10~5 Pa时相似,但峰值位置后移。离焦量不同时,由于作用激光的功率密度不同而影响等离子体屏蔽效果;光斑大小不同将影响稀疏波作用,且离焦量正负不同时激光等离子体冲击波对靶的作用机制也明显不同,这些因素决定了离焦量对等离子体冲击波力学效应的影响。     

高功率二极管激光器面阵四通抽运耦合系统

高功率二极管激光器面阵连续抽运1.1mmNd:YAG薄片,采用非球面柱透镜来准直二极管激光器线阵的快轴方向,然后用两个正交的柱透镜分别对快慢轴光进行成像,在薄片上形成10mm×7mm的抽运光斑。用球面反射镜将薄片未吸收的抽运光再一次通过Nd:YAG薄片,从而达到高的吸收效率,抽运光束在薄片上快慢轴方向上的束参数积分别为640mm·mrad和540mm·mrad。用CCD测得抽运光在薄片上的光强分布较均匀,面阵经非球面柱透镜和两个柱透镜后在10mm×7mm内的耦合效率为80.5%。     

激光诱导Co等离子体电子密度的时间空间演化特性

测定了激光烧蚀Co等离子体中Co原子389.408 nm发射谱线的时间空间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和斯塔克(Stark)展宽计算了等离子体电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子密度的时间空间演化特性.实验结果表明,当延时在100～1000 ns变化时,等离子体中的电子密度变化范围为0.02×1017～0.73×1017 cm-3,在沿激光束方向上,当距离靶表面0～1.8 mm范围内变化时,相应的电子密度ne范围为0.3×1017～0.8×1017cm-3,等离子体电子密度在激光束方向上具有很好的对称性.     

高功率矩形光斑激光非相干空间合束

激光表面热处理技术是进行金属材料表面强化和改性的最有效手段之一。为实现高速、柔性激光表面热处理,按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束,通过光束准直和空间非相干合束,获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用Code V光学设计软件建立合束器结构模型及TracePro光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上,完成了10 kW级18×1矩形光斑激光非相干空间合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。     

基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究

为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。     

18-8型奥氏体不锈钢低功率Nd:YAG激光焊接研究

文中采用YAG激光作为焊接热源,对1.0mm厚的奥氏体不锈钢薄板的双面激光焊接工艺进行了研究.主要研究了试样的焊前打磨抛光、保护气体的选择及激光工艺参数(包括激光功率密度、焊接速度、脉冲宽度、脉冲频率等)的匹配对焊缝形成及表观形貌的影响.试验结果表明,此不锈钢非常适合用激光焊接.施焊前对试样进行充分的打磨和抛光十分必要,必须保证对焊面能紧密接触,以防止焊接过程中产生过多的气孔,同时还对提高焊缝的机械性能有重要作用.焊接过程中合适的保护气体及其送气方式也是十分必要的.大量试验表明,激光功率密度、焊接速度、脉冲宽度和脉冲频率四个参数的合理组合是实现不锈钢薄板焊接的关键因素.最佳工艺参数组合为在激光功率密度恒为5.7×105 W/cm2的条件下,焊接速度不高于2mm/s,脉冲宽度为3.0ms,脉冲频率为9Hz.     

激光二极管侧面抽运免温控激光器的研究

为了解决激光二极管抽运波长随温度漂移导致激光器输出能量下降的问题，采用激光二极管抽运源波长匹配及凹凸稳定谐振腔技术实现免温控，并进行了理论分析和实验验证。该激光器腔长210mm，电光转换效率5.7%；输出单脉冲能量大于60mJ，在10℃~30℃范围内，能量稳定度优于5%；激光器输出光斑直径4mm、脉冲宽度8ns、激光器10Hz工作时，激光远场束散角为1.1mrad。结果表明，实验与理论分析计算结果符合，该激光二极管侧面抽运免温控激光器可在一定温度范围内保持稳定的能量输出。该理论分析与方案对研究免温控激光器具有重要意义。