基于FPGA激光清洗系统的设计与实现

为实现激光在二维平面内高效、均匀烧蚀污渍、清洗靶材,更改激光逐行烧蚀扫描模式,设计了一种激光螺旋式填充路径,控制振镜电机偏转激光使其在平面内的烧蚀呈网状分布。结果表明:对于清洗区域内的任一点,相比于逐行烧蚀,螺旋烧蚀过程中该点区域获得冷却时间,激光热积累效应变弱。逐行扫描速度为单个振镜电机速度,螺旋扫描速度为两电机速度的矢量和。因此,相比于逐行扫描方式,激光螺旋式清洗的效果更加均匀,效率更高。     

靶面激光光斑尺寸原位测量的研究

提供了一种简便易行的靶面激光光斑尺寸原位测量的方法。从高斯光束的横向光强分布特性出发,建立了激光烧蚀斑半径与辐照激光能量、光斑尺寸、烧蚀阈值间的关系式,模拟分析发现辐照激光光斑尺寸对烧蚀斑半径随辐照能量变化曲线有较大影响。对于脉宽为2 ms,波长为1064 nm的激光,实验测量了不同能量激光辐照下相纸烧蚀斑半径,并用推导出的关系式拟合测量数据,获得了靶面处光斑尺寸和样品烧蚀阈值。同时,也测量了不同位置处的光斑尺寸和样品烧蚀阈值,对高斯光束束腰位置和样品烧蚀阈值的光斑尺寸效应进行了验证。研究结果表明该技术结果可靠,简单高效。该技术可以为高能激光与固体物质相互作用的基础研究和激光加工等应用领域中实现简单方便地测量靶面光斑尺寸提供帮助。     

激光烧蚀过程中冲量耦合系数的研究

首先分析了激光烧蚀过程中,对冲量耦合系数大小有影响的因素,然后利用简化的物理模型,对激光聚焦后直接烧蚀固体靶的情况进行了理论分析,并应用数值计算重点讨论了激光能量在靶物质中的不同分布对冲量耦合系数的影响。结果说明:能量的分布不是影响冲量耦合系数的主要方面,而靶物质材料和靶结构对冲量耦合系数会有较大影响。     

激光脉宽和功率密度对烧蚀性能影响研究

微纳卫星的飞速发展对微推力器的性能提出了更高的的要求。激光推进微推力器因其比冲高、推力控制精确、能耗低等特点,为微纳卫星提供了一种性能优异的微推力器选择方案。文中在透射式烧蚀模式下,研究了半导体激光器的激光功率密度和脉宽对激光烧蚀性能的影响。结果表明,在工质厚度为200 μm的工况下,随着激光功率密度的增加,单脉冲冲量和比冲都逐渐增大,而冲量耦合系数和烧蚀效率都存在一个最优值。随着激光脉宽的增加,单脉冲冲量逐渐增加,比冲呈现出先增大后减小的趋势,在250 μs时,比冲达到最大值,约为221.8 s;冲量耦合系数和烧蚀效率都随着脉宽的增大而减小;脉宽超过一定的临界值时,会对激光烧蚀工质的靶坑产生不良影响,使得激光能量和工质严重浪费。激光参数的优化对于激光推进微推力器的工程化应用提供了参考。     

激光烧蚀微推力器聚合物靶材的烧蚀特性

以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用微尺度羽流观测系统对GAP靶材的喷射羽流图像进行了观测,分析了掺杂浓度、靶材厚度及激光烧蚀模式对GAP烧蚀特性和推进性能的影响。结果表明,在激光烧蚀过程中,未掺杂吸收剂的GAP靶材利用率非常低;掺杂纳米碳粉后,靶材的推进性能显著增强,但对靶材厚度的依赖性较强,厚度较薄的掺杂纳米碳粉的GAP适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材;掺杂红外染料后,聚合物的气化程度显著提高,透射式下厚度对羽流喷射的影响较小。红外染料适合作为反射式激光烧蚀微推力器聚合物靶材的掺杂剂。     

切向气流下激光对旋转靶热烧蚀的数值模拟

针对连续激光辐照表面存在切向气流的旋转靶目标,数值求解温度场分布以及热烧蚀效应。首先,综合切向气流、固液相变和目标旋转的影响,给出柱坐标下三维瞬态热传导方程,建立激光对旋转靶目标的热烧蚀模型。其次,分析热烧蚀过程中,物质在固态、固液态和液态之间的转化关系,提出一种改进的“单元生死法”处理旋转烧蚀过程中的边界移动问题,并采用有限容积法数值求解热烧蚀模型。最后,数值模拟温度场分布和热烧蚀效应,分析靶目标旋转速率对温度场分布和热烧蚀效应的影响。分析结果表明:靶目标的旋转,导致最大烧蚀深度不断减小,圆柱面的烧蚀区域逐渐增加,并对温度场分布产生一定影响。     

不同脉宽激光导致的纳米金刚石尺寸差异的热力学和动力学分析

针对激光烧蚀碳悬浮液以及液体介质中的石墨靶形成不同尺寸大小的纳米金刚石,对金刚石颗粒的形成进行了分析.基于激光器参数以及合成条件比较分析了两种烧蚀产生的物理化学差异,并根据热力学条件计算了金刚石颗粒的平衡尺寸和激光烧蚀后形成的碳团簇的冷却速度以及Wilson-Frenkel生长定律进一步计算了纳米金刚石的生长速度、生长时间、生长尺寸.计算结果表明,不同参数的激光烧蚀条件下产生的高温高压碳团簇的大小和密度决定了冷却速度以及生长时间,并最终决定了纳米金刚石尺寸.另外根据金刚石晶体最低能量计算结果也验证了超细纳米金刚石形成的理论基础.动力学与热力学理论计算结果和实验结果相一致,合理解释了不同尺寸纳米金刚石的形成.     

外加氦气流下脉冲激光沉积制备纳米硅晶粒成核区宽度的计算

在室温、10 Pa氦气氛围中,采用脉冲激光沉积(PLD)技术,通过在烧蚀羽辉正上方距靶面不同位置垂直引入一束氦气流,在烧蚀点正下方与烧蚀羽辉轴线平行放置的衬底上沉积了一系列纳米Si晶薄膜。扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)散射光谱和X射线衍射(XRD)谱检测结果均表明,纳米Si晶粒在距靶一定的范围内形成,其尺寸随与靶面距离的增加先增大后减小。在分析衬底上的晶粒尺寸及其位置分布的基础上,结合流体力学模型、成核分区模型、热动力学方程以及晶粒形成后的类平抛运动,计算得出了纳米Si晶粒的成核区宽度为56.2 mm。     

纳秒激光雕刻柱塞表面工艺参数研究

采用纳秒激光在压裂泵柱塞表面进行激光雕刻实验,考虑激光功率、扫描速度、烧结次数、移动路径4种工艺参数,借助白光干涉仪获得雕刻后的织构三维形状及其几何尺寸,对比分析各工艺参数对织构体积的影响。研究结果表明:增加激光功率可以显式提高柱塞表面织构的体积;激光扫描速度对织构体积的影响程度随速度的增加而降低;适当增加烧结次数可以实现对烧蚀体积微弱修正;采用弓形路径相比环形路径所获得的烧蚀体积增量较大。     

气流环境中激光烧蚀铝靶的数值模拟研究

建立了切向气流环境中连续激光烧蚀金属靶的二维轴对称物理模型,利用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言APDL编制程序进行数值求解,使用“杀死”单元的方法实现靶目标边界退移的烧蚀和热传导耦合计算,从而对烧蚀尺寸的变化给出了定量描述。计算结果表明,相比于均匀分布,当激光呈高斯分布时,目标靶中心能够得到更高的温升,也就更容易发生烧蚀,靶的熔穿时间也就越短。本文建立的模型可以方便地推广至三维情形。     

脉冲激光烧蚀法制备Ag纳米粒子胶体

为了研究激光参数对Ag纳米粒子胶体的影响,采用不同重复率和能量密度的脉冲激光对蒸馏水中的Ag靶烧蚀10 min来制备Ag纳米粒子胶体.通过透射电镜(TEM)和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计分析了Ag纳米粒子胶体的大小、形貌和吸收光谱,同时由Image-ProPlus软件分析计算了粒子的平均粒径及其分布.结果表明,由重复率为10 Hz,能量密度为4.2 J/cm2的脉冲激光烧蚀10 min后制备的Ag胶体纳米粒子平均粒径最小(D=17.54 nm),粒径分布最窄(δ=36.86 nm),且形貌较均匀.从而证实了通过调节激光参数来控制纳米粒子尺寸和形貌的可行性.另外,在实验基础上,应用熔化生长"与爆炸"模型讨论了激光烧蚀工艺参数对Ag纳米粒子胶体的影响规律.     

强脉冲激光金属表面烧蚀热场的数值仿真

用有限差分法对强脉冲激光难熔金属表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值仿真计算。计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Ｇａｕｓｓ分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响。文章应用交替方向隐式方法建立差分方程,对该数学模型进行计算,数值模拟了难熔金属钛、钼在强脉冲激光烧蚀下的温度场变化,并将数值解与热导方程的解析解进行了分析     

激光与聚合物的相互作用及其应用

激光与聚合物相互作用研究是当今国内外研究的热点.综述了激光与聚合物相互作用在激光加工、液晶光学器件激光束控制、微激光等离子体推进器等方面的应用.介绍了激光与聚合物相互作用的基本原理,总结了激光烧蚀聚合物的理论模型,包括光化学模型、光热模型、稳态模型、羽饰屏蔽模型以及光热—光化学模型.总结了关于烧蚀率、烧蚀阈值和聚合物激光烧蚀分解机理的实验研究.提出了激光与聚合物相互作用可能的研究和新的应用方向.     

掺杂聚合物的激光微烧蚀推进性能研究现状

基于激光微烧蚀聚合物产生微冲量这一原理,研究10^-5 N·s至10^-7N．s量级冲量的激光微推力器是当前一个研究热点。聚合物对入射激光的吸收率往往很低,掺杂是提高聚合物的激光微烧蚀性能的一个重要途径。回顾了掺杂聚合物的推进性能实验,分析了不同掺杂下推进性能的实验结果,认为以碳、红外染料或者含能材料作为掺杂剂可以获得较好的推进性能参数,含能聚合物是较好的备选靶材。为国内掺杂聚合物激光微推进性能的研究提供了有益参考。     

螺旋电极压电扭转驱动器的设计与有限元分析

该文设计了一种新型叉指型电极（IDE）结构形式的螺旋电极压电扭转驱动器,推导并建立了螺旋电极平面有效电极区域内点的应变理论方程。利用ABAQUS对该理论方程进行验证,并着重研究了电压、径向尺寸、圆盘厚度对该压电驱动器应变的影响。结果表明,螺旋电极压电扭转驱动器能够产生较大的切向应变和径向应变输出;增大电压,减小压电圆盘径向尺寸和压电圆盘厚度,有利于提高驱动器的驱动性能;在螺旋角、压电圆盘径向尺寸和电压一定时,螺旋电极压电扭转驱动器的切向应变达到普通电极型的17.5倍,径向应变是普通电极型的16倍。     

TGG晶体偏心生长研究

目前高功率全固态激光器急需使用大尺寸、高质量的铽镓石榴石晶体(Tb3Ga5O12,TGG)。采用提拉法生长(111)方向TGG晶体时,极易发生偏心生长,影响晶体质量与使用效率。针对偏心生长,通过分析TGG晶体组分挥发和熔体特性,解释了其形成机理,并提出了相应的解决方法,最后成功生长出外观完整(44 mm×70mm)的TGG晶体。通过对比圆柱状和螺旋状晶体透过率的不同,进一步解释了偏心生长的原因。     

Nd:YAG薄片激光增益介质封装技术

为了保证Nd:YAG薄片激光器的高功率、高光束质量,需解决薄片增益介质封装后的均匀散热、低波前畸变等关键问题。分析了封装过程中薄片增益介质的热应力,模拟了连接界面无缺陷条件下薄片增益介质的热分布,对封装工艺技术进行改进。优化的封装技术将薄片激光增益介质与微通道冷却器连接在一起,采用超声扫描显微镜、激光干涉仪对薄片激光器的焊接界面与增益介质表面面形进行测试。结果表明:该封装技术实现了直径80 mm的大口径YAG薄片与冷却器焊料层均匀、无空洞的界面连接,同时减小了焊接后薄片的波前畸变,60 mm口径内面形畸变PV值小于1 m,均方根RMS值小于0.15 m。该技术封装的单模块Nd:YAG薄片激光器输出功率达到2.3 kW。