铝合金双光束焊接特性研究

采用双束CO2激光进行了铝合金双光束焊接工艺试验,研究了双光束并行与串行排列两种模式焊接时的焊缝成形、气孔含量及接头强度等焊接特性,同时分别从同轴、旁轴两个方向监测了双光束焊接过程中熔池表面形态与等离子体特征,并与传统单束激光焊进行了对比分析.试验结果证明,双光束焊接过程等离子体更加稳定,尺寸也更小,因而获得了很好的焊缝成形与接头性能.相比而言,双光束并行焊接获得的焊缝性能更优,但会一定程度降低焊接熔深.     

一种应用于激光微烧蚀的光学聚焦系统简化设计方法

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求,采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件,在50m级聚焦光斑约束下,研究单透镜聚焦系统设计方案,得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系;研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案,得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案,给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程,可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。     

采用双自由曲面整形的无掩模光刻照明系统

为了实现无掩模光刻系统所需求的矩形准直平顶激光光束照明,提高照明系统的能量利用率,提出了一种利用双自由曲面整形的照明系统设计方法。根据光程守恒原理和折射定律,推导了积分形式的双自由曲面面形方程;采用数值解法求解积分方程,分别设计了含有双自由曲面的双透镜整形单元和单透镜整形单元的照明系统,使用光学设计软件对两种照明系统进行模拟,得到两种照明系统的照明均匀性在93%以上,能量利用率大于91%。结果表明,两种照明系统均能实现无掩模光刻系统的高均匀性、高能量利用率照明。     

多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出

设计并研制了一种多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用分子束外延(MBE)方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用4只准直的单条形大功率半导体激光器,器件腔长为2 mm,发光区宽度为100μm,单条形器件的连续输出功率为5.0 W,每两只单条形器件的准直输出光束经过空间合束后再通过偏振合束,实现了多单元器件输出的高光束质量功率合成,采用简单的平凸透镜实现了合束光束与100μm芯径、数值孔径(NA)0.22石英光纤的高效耦合,耦合效率高达79%,输出功率达10.17 W,光纤端面功率密度达1.0×105W/cm2.     

单光束双波长双光子三维光存储模型及其数值分析

双光子三维光存储的特点是利用了双光子吸收率与光照强度的非线性关系,因此可以有效提高三维存储密度. 迄今为止,国际上出现了两种双光子存储方案.第一种是所谓的双光束逐页写入方案.其中的两束相互垂直的激光束,经过各自的特殊光路整形后,在存储介质体内的一个平面上产生交迭,并实现双光子记录.由于双光束逐页记录方案仅仅在两束光的交迭区域产生双光子吸收,因此有利于克服记录的层间串扰;但是它的光学系统较复杂,且难以兼容当前的数字光盘系统模式.第二种是所谓的单光束逐点(bit-by-bit)记录方案,该方式采用单一波长的写入光束,经单一物镜系统聚焦后,在存储介质体内产生倍频效应并实现双光子写入.显然单光束逐点记录方案的结构较为简单,且容易与现行光盘系统结构兼容.但从原理上看,单光束逐点记录方案存在自身的弱点.首先,由于写入光束都集中在一条光路上,因此多层记录过程中层间串扰现象比较严重.其次,在多数情况下,单光束的双光子写入波长容易与存储材料记录态的吸收峰波长相互重迭,出现边写入边擦除的现象,不利于多层存储.因此,目前单光束逐点记录方案的多层记录效果普遍劣于双光束逐页记录方案. 为了解决单光束逐点记录方案的上述问题,本文提出一种双波长单光束逐点记录方案.其主要特点是在单束写入光中同时采用两种波长的激光,并通过对聚焦物镜表面光谱透过结构的特殊设计,使两种波长的激光束仅在焦点附近产生交迭.因此,新方案不但在双光子多层写入效果上与双光束逐页写入方案相似,而且还容易与现行光盘系统结构兼容. 本文给出了新方案的双光子记录的信号分布计算模型.对典型参数进行了数值模拟计算.计算结果表明,我们的双波长单光束逐点记录方案的多层记录效果明显优于传统的单光束逐点记录方案.(PB4)     

LF6铝合金双光束激光点焊工艺研究

以LF6 铝合金为实验材料，进行了双光束激光点焊实验，对比了双光束激光点焊接头与普通单光束激光点焊的接头，并且研究了激光功率、点焊持续时间、能量比等对点焊接头形貌和熔合面尺寸的影响。实验结果表明:在相同的功率下，双光束点焊增大了匙孔的直径，提高了匙孔的稳定性，与单光束激光点焊相比，焊点内部气孔数量大大减少，并且熔合面尺寸有了很大的提高；当激光功率不同时，焊点的上表面尺寸变化差距不大，小功率条件下焊点呈钉状；双光束激光的能量比会影响焊点表面的下榻量，能量比为1:1 的情况下焊点的下塌量要明显小于能量比为1.5:1 的情况。     

空间光孤子在具有双势垒调制的克尔介质中的传播

主要考虑了在具有对称双势垒调制的克尔介质中的空间光孤子。采用数值模拟的方法,讨论了在两种不同类型的对称双势垒的作用下,单孤子和双孤子的空间传播行为。数值模拟结果表明,通过合理设计诸如调制深度,垒间间隔,单垒的宽度等这些双势垒的参数以及初始中心偏移和入射角度等入射光束的参数,可以实现孤子的捕获和控制。     

氩离子激光谐振腔的设计与改进

本文叙述了氩离子激光谐振腔的全石英结构，镜筒与镜座封闭尺寸联结形式和腔片新的定位方法，因而，提高了激光功率的稳定性，激光光束的重复性和抗振性，降低了光学噪声。     

一种由强光担任摇摆器的新型自由电子激光器及其增益分析

提出了一种由超短脉冲双光束担任摇摆器的自由电子激光器的原理及设计方案,并在单电子近似的基础上给出了计算其增益的联立方程组,以用于数值模拟.指出了实现一种紧凑、廉价的可调谐光源的可能性.     

厚板高强钢激光填丝多层焊工艺

以16 mm厚低合金高强钢11CrNi3MnMoV为实验材料,研究了不同能量输入模式下厚板激光填丝多层焊的焊接工艺特性.设计了窄间隙坡口形式,实现了双光束激光填丝的单道多层焊.通过对比单、双光束填丝焊的焊缝成形特征,确定气孔、未熔合为高强钢厚板激光多层焊的主要缺陷,双光束可有效提高焊接稳定性、降低焊缝气孔,同时明显提高焊丝对中性能;辅助层间保温与热丝技术可有效解决未熔合与层间柬腰过小问题.双光束热丝焊的接头抗拉强度可达母材97%以上,为填丝多层焊的优选工艺.焊缝断口呈现为韧窝型剪切断裂.     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

激光点热源作用下动态微变形的数值模拟与校验

采用MSC．Marc非线性有限元软件，对试件在激光点热源作用下动态微变形过程进行了数值模拟。通过激光反射放大系统测量了试件在激光点热源作用下的动态微变形过程。模拟值与实测值的结果表明：热应力和相变应力的共同作用使得试件产生微变形，最终试件的变形方向取决于热应变和相变共同作用的结果，朝向激光束或背向激光束。比较实验值和模拟值，发现变形的最大值相近，变形过程却略有不同。考虑到激光点热源作用下有限厚度的试件内，温度场分布出现的反常效应，即内部的温度大于边界温度，提出采用波动理论修正经典的热传导计算模型，可望有效地提高模拟过程的计算精度。结论为进一步研究薄板激光弯曲的变形机理及变形过程奠定了基础。     

外载荷对激光弯曲成形影响的数值研究

为了研究外载荷对板材激光弯曲成形的影响,建立三种数值模拟工况:无外载荷作用下的激光弯曲成形、外载荷协同作用下的激光弯曲成形和外载荷作用后的激光弯曲成形,并采用顺序热应力耦合分析技术进行数值模拟。首先对板材模型进行传热分析获得瞬态温度场,然后将其导入三种模拟工况进行位移场的准静态分析。结果表明:施加朝向激光束工作面的弯矩能够有效提高板材的弯曲程度,其中外载荷作用后的模拟工况提高的效果最为显著;施加背向激光束工作面的弯矩会使板材发生反向弯曲,并在激光束终点的位置产生位移场的边界效应。     

基于IDL的激光测高雷达回波时域仿真算法研究

从激光测高雷达回波能量分布模型和地表模型入手,详细介绍了基于IDL的激光测高雷达回波的仿真过程及仿真程序各个模块的功能,用Pearson相关性方法将仿真所得波形与实测回波波形进行了分析比对,二者的相关性系数达到90%以上,并分析了回波脉冲波形随测高系统参数和地表参数的变化情况.该方法可以直观有效地对不同地表的回波进行仿真,为激光测高雷达的回波分析提供了重要的技术手段.     

用于高功率径向偏振光的组合轴锥镜设计

为了提升激光器径向偏振光的输出功率,改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性,采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时,内锥角的改变对出射光的影响,发现出射光的位置及方向不发生变化;为研究轴锥镜的热畸变特性,模拟了W形轴锥镜的温度形变,可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明,随着内锥角的变大,光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式,得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究,可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。     

高汇聚温度显示激光快速制造同轴送粉喷嘴的研制

高汇聚同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一 ,同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚 ,粉末汇聚程度越高 ,则粉末利用率越高、制造精度越高。本文通过优化喷嘴结构设计 ,使喷嘴的汇聚率大大提高 ,所得到的熔覆道宽度可达到 1mm以内 ,通过加入导向气流 ,进一步提高了粉末的汇聚率 ,同时又对熔池进行保护 ,为提高激光直接制造的精度提供了可能性 ;喷嘴核心结构均通水冷却 ,使喷嘴在工作过程中始终保持较低温度 ,延长了使用寿命又保持了熔覆过程的稳定性 ;喷嘴上加装了温度传感器 ,随时监测喷嘴温度 ,一旦温度超过设定值 ,便给出报警信号 ;根据熔覆过程中对熔覆道宽窄要求的不同 ,喷嘴结构上设计了调节光斑大小的功能 ;为了确保激光束能从喷嘴的正中出来 ,使光束与粉末流完全同轴 ,喷嘴结构上设计了调节机构。利用此喷嘴进行激光熔覆 ,获得了较为满意的效果。     

双光子聚合加工的光路模拟

为了研究双光子聚合加工光路系统对聚合效果的影响,使用ZEMAX软件对光路系统的3个主要部分,即扩束镜、扫描振镜和聚焦透镜分别进行了设计,然后将3个部分结合到一起,从整体上模拟了整个光路系统,并且在光路中放置探测器来监控激光光束的变化情况。从模拟结果中可以直观清晰地观察到激光光束的能量分布在光路中的变化情况,主要分析了扩束镜对最终聚焦效果的影响。结果表明,扩束倍数越大,扩束镜越靠近光源,聚焦后焦点处的能量越高。该模拟结果也为实际实验系统的搭建提供了依据。     

环型激光束空间传输的数值模拟

基于Maxwell方程组的经舆理论,对于腔的菲涅耳数不满足远远大于1的条件时的光束传播问题,利用衍射积分方程理论进行求解．根据菲涅耳-基尔霍夫衍射积分方程建立数值模型,采用matlab数值模拟的方法,对环型激光束传输方向的近场及远场强度的空间分布进行了分析．     

激光引信在降雨中的光束扩展特性

激光引信在降雨中工作时会受到雨滴的散射和衰减效应,使光束质量变差,回波能量减小,从而影响探测系统的性能。以蒙特-卡罗方法为基础,给出了激光在降雨中的传输模型,分析不同模拟条件下光束的扩展特性,并进行实验测试。由仿真分析可知,雨滴对光束的散射作用导致光斑扩散,从而光束能量密度减小,并且随着降雨强度、传输距离和光束发散角的增大,光子散射次数增多,光斑直径扩大,到达接收面的光子减少,光束能量衰减。实验测试结果与仿真计算基本一致,最大误差不超过4%,很好地验证了模型的准确性。     

激光热处理温度场的实验和理论研究

提出了一种激光热处理三维温度场内部边界条件模型，运用有限元方法，对激光热处理温度场进行数值模似，该模型所确定的温度场很好的保证了工作的能量守衡，使得该模型可以用于有限大工件硬化区域的预测。根据相变理论，对该模型进行了实验验证。从该模型得到很好的实验验证显示，数值模拟不仅可以用于激光热处理规律的进一步研究，还可以用于激光热处理的实验预测，获得最佳的热处理结果，达到节约实验费用的目的。