气体等离子体辐射光声信号检测与分析

气体等离子体做为一种新的辐射源,因具有辐射范围宽等优点而备受关注。本文对强飞秒激光脉冲诱导大气等离子体辐射光声信号现象进行了探究,用实验的方法探测和分析了激光脉冲能量、偏振方向以及声传输的径向距离对光声信号强度的影响。     

调控矢量激光场在表面处理中的应用研究

为了研究调控矢量激光场在表面处理中的应用, 基于Nd:YAG脉冲调Q激光器, 搭建了矢量调控模块, 采用选取钛合金和单晶硅进行激光烧蚀打孔实验的方法, 对柱对称矢量激光的脉冲次数、光束的偏振态和拓扑荷数对激光表面处理的影响进行了系统研究。结果表明, 激光脉冲次数对孔的影响主要集中在孔深和孔径, 光束偏振态主要影响孔的圆度和光洁度, 拓扑荷数则影响孔底和孔周的光洁度。调控矢量激光作为一种特殊激光, 有望在优良材料加工和处理领域获得广泛应用。     

圆偏振周期量级红外激光脉冲驱动产生太赫兹辐射

研究了周期量级的圆偏振激光在空气中成丝产生太赫兹辐射的偏振特性。将中心波长1.8 m、脉宽8.6 fs 的圆偏振红外激光脉冲聚焦到空气中,形成等离子体细丝,产生太赫兹辐射。通过测量太赫兹辐射的偏振状态,和偏振方向与驱动激光载波-包络相位的关系,发展太赫兹波偏振控制的方法。实验结果表明,太赫兹辐射为椭圆偏振,而且偏振平面随着驱动激光载波-包络相位的变化而转动。这对太赫兹波的偏振控制有重要意义,并为周期量级激光载波-包络相位的测量提供了新方法。     

气体等离子体产生太赫兹波的特性研究

基于光电流模型,对不同偏振情况的双色飞秒激光脉冲聚焦产生的气体等离子体中辐射出的太赫兹波特性进行了研究。根据光电流理论,气体分子被电离释放出的自由电子在非对称的激光场的作用下运动形成电子电流,产生在太赫兹波段的辐射。研究结果表明,太赫兹辐射的偏振特性与强度和入射双色激光的偏振特性紧密相关,仅当双色脉冲均为线偏振时,辐射出的太赫兹波才为线偏振,且强度受到双色脉冲偏振方向的夹角的影响;而对于实验中经过倍频晶体后变成椭圆偏振的基频光,太赫兹强度与倍频晶体的具体放置情况有很大关系,并且产生的太赫兹为椭圆偏振。     

超短脉冲激光微孔加工(上)——理论研究

自20世纪60年代激光器被发明以来,其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级,使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。为了进一步优化超短脉冲激光的微加工,理论研究必不可少。主要论述了超短脉冲激光与不同类型材料之间的相互作用机制。简述了超短脉冲激光微孔加工中的典型物理特性,如等离子体效应、自聚焦和光丝效应及锥形辐射等。分析了超短脉冲激光微孔加工的理论研究现状,并得出了目前理论研究中存在的问题。     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

CO2激光脉冲外差信号偏振匹配研究

设计一个CO2激光脉冲外差中的脉冲信号光和连续本振光偏振匹配研究实验，从理论和实验上，分析了偏振态匹配程度对脉冲外差信号的影响，当两束光严重失配时，不仅降低脉冲外差效率，而且还将导致激光脉冲畸变，产生很强的连续波外差背景噪声，抑制脉宽内外差信号。     

飞秒激光脉冲在双折射微结构光纤中频率变换的研究

报道了高非线性的双折射微结构光纤(MFs)与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用下，在可见光波段通过相位匹配的四波混频效应获得了波长可调谐的反斯托克斯波的实验结果。由于该光纤的双折射性质，因此在不同偏振方向上具有不同的色散特性，所产生的反斯托克斯超短脉冲的中心波长受到输入脉冲的偏振态的影响。通过旋转输人端的半波片，在相互垂直的两种偏振态的飞秒激光脉冲的作用下，所产生的反斯托克斯波脉冲的中心波长分别为490nm和510nm，在微结构光纤的输出端能分别观察到明亮的蓝光和绿光的基模输出。实验研究了在不同功率飞秒脉冲激光的作用下，在不同长度的双折射微结构光纤中反斯托克斯波的产生情况，并对一系列现象进行了对比分析。     

脉冲能量对不锈钢表面微观形貌影响规律研究

为了研究空气中飞秒激光脉冲能量对不锈钢表面形成周期性结构的影响规律,采用脉宽为50fs、中心波长为800nm的飞秒激光辐射304不锈钢表面,利用扫描电子显微镜观察微观形貌,分析了不同种类波纹的产生机理。结果表明,脉冲能量在0.1mJ~0.3mJ时,表面形成垂直于激光偏振方向的纳米级周期性波纹;脉冲能量在0.4mJ~0.7mJ时,表面有产生平行于激光偏振方向的周期性波纹的趋势;脉冲能量在0.8mJ~1.0mJ时,表面出现明显的平行于激光偏振方向的微米级大尺度周期性波纹,且波纹表面覆盖着与其方向垂直的短周期性波纹。该研究为后续在不锈钢表面制备可控微观形貌奠定了基础。     

飞秒激光在掺Yb~(3+)磷酸盐玻璃中刻写双线型光波导的研究

利用重复频率为50 k Hz,中心波长为790 nm,脉冲宽度为140 fs的飞秒激光脉冲在掺Yb3+磷酸盐玻璃中刻写双线型光波导。研究了双线间距,激光脉冲能量和刻写速度对波导形成的影响,并测试了不同刻写参数下波导的导光模式。实验结果表明,在双线间距为35μm,激光脉冲能量为1.0μJ,刻写速度为600μm/s的条件下写入的光波导导光性能最优;利用近场模式重建了激光诱导该波导的折射率二维分布,波导区域相对于基质的最大折射率改变为1.5×10-4,并利用散射法测试了波导的传输损耗,传输损耗为1.56 d B/cm。发现了波导具有偏振导光现象,偏振态平行于双线方向的激光可以导通,偏振态垂直于双线方向的激光不能导通。     

266nm纳秒固体激光在CH薄膜上打孔的工艺实验研究

为了研究266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔的工艺规律和材料去除机理, 采用单因素控制变量的方法, 进行了单脉冲和多脉冲打孔的实验研究, 分析了266nm纳秒固体激光对CH膜材料的去除机理; 取得了激光脉冲能量、脉冲数量对孔径和孔深影响规律的数据。结果表明, 单脉冲打孔条件下, 当激光脉冲能量为0.014mJ时, 微孔直径和深度最小, 当激光脉冲能量为0.326mJ时, 微孔直径和深度最大, 孔径和孔深随着激光脉冲能量的增大而增大; 多脉冲打孔条件下, 当激光脉冲能量较低时, 激光对CH膜的单脉冲烧蚀率约为0.56μm/pulse, 当激光脉冲能量较高时, 激光对CH膜的单脉冲烧蚀率约为1μm/pulse, 孔径和孔深随着激光脉冲数量的增加而增大; 266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔时的微孔形状规则, 大小均匀, 微孔周围无残渣、碎屑等抛出物, 边缘无热影响区, 可推断其材料去除机理主要为"光化学蚀除"。该研究对266nm纳秒固体激光加工CH膜的应用具有一定的参考意义。     

超短脉冲激光微孔加工(下)——实验探索

自20世纪60年代激光器被发明以来,其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级,使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。与其它加工技术相比,超短脉冲激光微孔加工突破了对尺度和材料的限制,并具有高精度和自动化等优点。主要论述了超短脉冲激光微孔加工的优势,如冷加工、突破衍射极限的低微米及纳米量级的加工等。介绍了超短脉冲激光微孔加工中的三个经典模型,包括孔径和阈值关系模型、多脉冲累积模型和单脉冲烧蚀深度模型。简述了超短脉冲激光微孔加工的实验研究现状,并给出了存在的问题和展望。     

激光阈值附近微孔加工方法的研究

基于各个激光参数对加工微孔的影响以及激光在阈值附近工作时光束质量较好的优点,采用声光调QNd∶YAG脉冲激光器进行阈值附近的微孔加工,在0.7mm的镀锌钢板上获得了直径为15μm的微孔,深径比超过50,打孔成功率为100%。实验证实了此方法能实现高质量微细孔的激光制备。     

不同水辅助方法对高温合金飞秒激光逐层逐圈切孔质量的影响

主要研究了水基和水膜辅助这两种不同水辅助方式对飞秒激光高温合金逐层逐圈切孔质量的影响,对比分析了不同水辅助方式下激光脉冲重复频率变化对微孔出入口孔径、锥度、内壁形貌和内壁粗糙度的影响。实验结果表明:水基和水膜辅助均可以改善飞秒激光制造微孔的质量,微孔锥度减小,微孔内壁粗糙度减小,且水基辅助的改善效果更明显。当激光脉冲能量为80 μJ,脉冲重复频率在100 kHz左右时,水基辅助飞秒激光制孔可以获得较好的孔内壁质量,同时相比于空气中孔的锥度减少18.04%。随着激光脉冲重复频率的增加,两种水辅助条件下微孔的出入口孔径和锥度均先减小后增大,其中水基辅助下的微孔内壁粗糙度数值变化不大,水膜辅助下微孔内壁粗糙度数值不断增加。实验结果为优化水辅助飞秒激光制孔工艺提供了参考。     

全固态皮秒径向偏振激光器及其加工特性

在自主研制的全固态皮秒激光器基础上,腔外加入偏振转换元件输出皮秒径向偏振激光,并对其进行侧泵Nd:YAG晶体放大,最终得到中心波长1 064 nm、平均功率1.95 W、重复频率1 kHz、峰值功率1.77108 W、光束质量2.95以及纯度92%的皮秒径向偏振激光器。用该激光器对0.5 mm厚不锈钢材料进行钻孔和刻槽实验,并与同等加工工艺参数条件下皮秒线偏振激光器钻孔圆度和刻槽深度进行对比,分析两种激光器对加工效果的影响。实验结果表明,相比皮秒线偏振激光,利用皮秒径向偏振激光进行加工,钻孔圆度更好、刻槽深度更深且槽侧壁更为平坦。该结果为皮秒径向偏振激光器在材料加工领域的应用提供参考。     

复合脉冲深度激光打孔的实验研究

为了进一步提高激光在金属厚板上深度打孔的速率,针对5mm厚不锈钢板,采用高峰值功率短脉冲串叠加大能量长脉冲的双光束复合激光打孔方法,建立了复合脉冲激光打孔的理论模型,提出大能量长脉冲激光束的主要作用是熔化金属,排出金属熔融物主要靠高峰值功率密度的激光脉冲串,并研究了脉冲能量、脉冲宽度、打孔方式等不同激光参量下的激光打孔效果。结果表明,与长脉冲激光单独激光打孔相比,复合脉冲激光打孔能大幅减小穿孔时间,对脉宽2ms、单脉冲能量2.9J的长脉冲,复合脉冲打孔速率提高2.3倍,所需能量减少20%,且脉冲能量越大,脉冲宽度越窄,打孔速率越快。此研究为复合脉冲打孔的激光器选择提供了依据。     

基于正交实验的SUS304不锈钢激光打孔过程参量优化

为了优化激光打孔参量和提高激光打孔成型质量,采用正交实验法对5mm厚的SUS304不锈钢材料进行激光打孔实验研究和理论分析,测量和计算得到了激光打孔上下孔径和锥度的数据,并采用极差分析法得到了脉冲宽度、脉冲能量、重复频率、离焦量和脉冲个数等参量对小孔锥度的影响程度以及SUS304不锈钢激光打孔的最优实验参量组合。结果表明,离焦量、脉冲宽度和脉冲个数对孔锥度的影响较大,重复频率和脉冲能量的影响较小,优化后的激光参量为脉冲宽度0.5ms、脉冲能量2.5J、重复频率40Hz、离焦量0mm、脉冲个数200个。采用优化后的激光参量可加工出锥度较小的孔。     

飞秒激光旋切不锈钢微孔实验研究

为了解决飞秒激光高脉冲能量冲击打孔中时存在微裂纹等问题,提出了飞秒激光旋切加工方法。本文利用脉宽为120 fs的飞秒激光,选择0.5 mm厚度的304不锈钢进行旋切打孔实验。实验研究了激光旋切加工中离焦量和光楔的相对偏转角对孔直径的影响,以及激光离焦量对微孔锥度的影响。结果表明,随着离焦量的增大,孔径增大,同时锥度会减小后增加,当离焦量为0时,锥度最小为3.5°;微孔直径随之双光楔相对转角的增大而增大。此外实验发现冲击打孔孔壁出现微裂纹而旋切微孔的孔壁出现了纳米周期性条纹。     

飞秒激光加工SiC/SiC复合材料厚板的孔型特征研究

为了探究飞秒激光加工SiC/SiC复合材料厚板的孔型特征, 采用光束同心圆填充扫描方式对厚度为4mm的SiC/SiC复合材料进行制孔实验, 分析了飞秒激光加工参数对入口直径、孔深、锥度等孔型特征的影响规律和影响机理。结果表明, 脉冲能量、重复频率、线重合度以及扫描速率对小孔入口直径影响较小, 但对孔深和锥度影响较大; 上述实验参数与光束扫描面积内的能量密度密切相关, 小孔锥度随能量密度增大而减小, 小孔深度则反之; 当采用最大脉冲能量130μJ、最大重复频率100kHz、最小扫描速率100mm/s、最大线重合度77%以及最小进给量0.1mm时, 小孔锥度达到最小值12.38°; 上层材料对光束的遮挡以及排屑困难导致深孔加工锥度不易控制。该研究可以为今后SiC/SiC超快激光制孔应用提供参考。     

水辅助激光无重铸层钻孔Al2O3陶瓷实验研究

为了解决传统加工过程中重铸层无法消除的问题，采用超快皮秒激光创新性地在水介质中对Al₂O₃陶瓷进行皮秒激光钻孔实验，并与空气中钻孔结果进行对比，研究了皮秒激光主要参量如单脉冲能量、扫描次数等对陶瓷微孔的孔径、锥度和重铸层厚度的影响规律，并分析讨论不同介质中皮秒激光与Al₂O₃陶瓷相互作用机理及材料去除机制。结果表明，在水介质中激光钻孔直径增加约35μm、微孔锥度降低至1.04°并可获得无重铸层钻孔效果；激光作用过程中水的存在会引起空泡作用、吸收作用和运输作用，有效防止了去蚀材料二次黏附，消除了重铸层和降低了微孔锥度，提升了微孔质量。该研究阐述了水辅助激光钻孔的具体影响状况并加深了对水辅助的影响机理理解。