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。     

脉冲激光对镍钴基超合金打孔研究

用美国光谱物理公司生产的四倍频Nd∶YAG调Q脉冲激光器,激光输出波长在1064 nm时最大输出能量为1500 mJ,532 nm时为800 mJ,532 nm时为475 mJ ,266 nm时150 mJ.脉冲宽度8 ns, 激光重复率10 Hz;打孔材料为Ni-Go基超合金Inconel-718.这种合金材料除了Ni、Go以外,还含有Cr,Fe,Mo,Ti,Al,Cd和C等. 我们使用短脉冲的4个不同波长的激光对718合金进行打孔,研究了不同波长、不同激光能量和不同透镜焦距对打孔速率和质量的影响.实验表明,在其它条件不变的情况下,存在最佳激光能量和透镜焦距;激光的波长越短,打孔的速率越快同时打孔的质量也越好,即;短波长激光打孔时,孔周围的再铸层和微裂纹明显减少;并讨论了激光与镍钴基超合金作用时的物理现象.(OE8)     

组合激光对单晶硅热作用的数值分析

为了提高激光加工中单晶硅材料对激光能量的耦合效率,采用一个短脉冲激光和一个长脉冲激光形成组合激光辐照单晶硅,使用COMSOL软件对该过程进行模拟,得到了组合激光长短脉冲间的延迟时间和长脉冲激光能量密度的变化对作用效果的影响,并与总能量相等的毫秒激光单独作用的效果进行比较;实验测量得到的不同能量密度的激光作用单晶硅后损伤形貌,与数值计算结果的趋势吻合。结果表明,组合激光能提高材料对激光的耦合效率;不同的延迟时间会影响组合激光的作用效果,最佳延迟时间为0.1ms;组合激光中毫秒激光能量密度占比较低时,作用效能较明显,随着毫秒激光能量密度占比的提高,对作用效果的提升相对变缓。该研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据。     

基于热传导方程的长脉冲激光打孔效能比分析

研究了脉宽为ms的长脉冲激光打孔的效能比,即打 孔深度与激光能量之比。首先,测量了脉宽为1ms、不同能量密度的长脉冲激光打孔深度, 结果表明,激光打孔的效能比随着激光能量 密度的增加而下降。根据长脉冲激光功率密度低、脉冲波形近似为矩形的特点,建立了稳态 一维热传导模 型,得到了打孔深度与Al板表面温度之间的关系。然后,将实验中测量得到的打孔深度作为 边界条件,代 入到上述关系式中,计算得到了不同能量密度下激光作用过程中的Al板表面温度,进而计 算得到了气化 损失率。计算结果表明,激光的能量密度越高,Al板的表面温度就越高,气化损失率就越大 。最后,结合 文献报道的实验结果,对相同能量密度、不同脉宽的长脉冲激光打孔深度的不同进行了讨论 。所得到的结果均与文献报道结果吻合。     

飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验

为研究飞秒激光脉冲对涡轮叶片材料的冲击打孔特性，使用双脉冲改写方程的激光光源项，并对涡轮叶片材料进行数值模拟，得到了镍基高温合金在飞秒激光双脉冲冲击打孔下的晶格和电子温度。通过对比单脉冲的模拟结果发现:双脉冲烧蚀情况下，材料电子和晶格出现2个峰值温度，且电子和晶格的平衡温度相比单脉冲提高345ｋ，平衡时间延长了5ps，用 美国Ray Crop生产的飞秒脉冲激光器，对镍基高温合金材料在不同的激光参数下:激光脉冲宽度、激光能量、激光频率、脉冲间隔对材料的烧蚀进行双脉冲打孔，得到孔的形貌特征，并与单脉冲打孔对比发现双脉冲打孔的质量和效率优于单脉冲。     

激光打孔脉冲波形探讨

研究了打孔激光脉冲与材料的相互作用，提出一种新的深孔加工激光脉冲波形，更符合打孔过程向加工区输入能量的规律性，比常规波形脉冲更有利于打孔加工。     

毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场和应力场特征,基于热传导理论和弹塑性力学理论建立了二维轴对称几何模型,利用有限元分析软件对毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的过程进行了数值分析,得到了熔石英表面及内部的瞬态温度场和应力场的时空分布与变化规律.结果 表明:组合脉冲激光中,毫秒激光脉宽为1 ms、能量为120 J,纳秒激光脉宽为10 ns、能量为80 mJ,Δt=1.0 ms条件下毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英出现温度最佳延时.观察总能量相同的组合脉冲激光与毫秒脉冲激光致熔石英的热损伤结果,得到最佳能量配比.研究结果表明,组合脉冲激光中,毫秒脉冲激光对熔石英产生热效应,纳秒脉冲激光对熔石英产生应力效应.     

提高激光打孔质量的理论分析与工艺优化的研究

使用天津大学生产的JG-2016数控YAG激光加工机在Q235-A钢上进行大量实验,发现在激光打孔工艺参量中,激光器工作电压、激光脉冲频率、激光脉宽大小及辅助气体气压对圆度有着较大的影响.运用灰色系统理论中灰色关联分析方法,对上述加工参量进行灰联度和灰联序分析:找出了与激光打孔相关的工艺参量对孔圆度、锥度影响大小的排序规律;提出运用灰色系统GM(1,N)模型和神经网络模型进行混合建模,建立各项激光打孔工艺参量与激光打孔表面圆度、锥度之间非线性、多耦合的数学模型.由此对激光打孔的加工工艺进行优化,从而提高了激光打孔质量,减小孔圆度误差及轴向锥度.     

准连续波激光打孔工艺综述

激光打孔作为在金属上制备各种大小和形状的孔的有效方法,在现代制造业中得到了广泛使用。而准连续波激光相比于连续波激光具有更低的平均功率以及更高的峰值功率,打孔过程中的热效应小,更为适合精密加工;而与短脉冲激光或超短脉冲激光相比,准连续波激光拥有更快的加工速度。因此准连续波激光在激光打孔中具有重大的发展潜力。本文总结了准连续波激光打孔时的激光参数变化对打孔质量产生的影响,以及其他工艺与打孔质量的关系。     

A 6.5-J flashlamp-pumped Ti:Al2O3 laser

A flashlamp-pumped Ti:A₂O₃ oscillator has delivered 6.5 J per pulse at 800 nm under long-pulse extraction conditions. The device was designed for efficient short-pulse (2-3 ns) amplification to the multijoule energy level. To date, a peak stored energy in excess of 5 J has been obtained and is available for short-pulse extraction studies. The design and resulting characterization of this laser are discussed. The results show that the energy available for short-pulse extraction is limited by the flashlamp pumping time     

单级静态高峰值功率灯抽运脉冲Nd∶YAG固体激光器

报道了采用对称平面平行腔结构实现单级静态输出30 kW高峰值功率灯抽运Nd∶YAG固体激光器的研究结果。从速率方程出发,推导出脉冲Nd∶YAG固体激光器的单脉冲能量表达式,模拟出输出镜最佳透过率及最大输出能量。通过实验选取激光器工作的最佳参数,研制出一台高峰值功率灯抽运脉冲Nd∶YAG激光器,理论模拟和最佳实验结果基本一致。激光器在最大输入电压为800 V,脉宽为2 ms时,输出最大单脉冲能量60 J,最大峰值功率30 kW,光束质量M2为5.9,总体电光转换效率3.3%。在最大输入电压为800 V,脉宽为1.5 ms时最大平均功率405 W。采用该激光器切割6 mm低碳钢和4 mm不锈钢,在脉宽为2 ms,频率为6 Hz,峰值功率为30 kW时,切割4 mm不锈钢速度为1 mm/s,切割6 mm低碳钢速度为1.5~2 mm/s。     

光子计数激光测深系统

设计了一套基于光子计数探测体制的激光雷达水深探测系统,该系统工作波长为532 nm,单脉冲激光能量为0.5 J,脉冲宽度为400 ps,激光重频为10 kHz,单光子探测器死时间为22 ns,时间间隔分辨率为50 ps。首先介绍了光子计数探测体制激光雷达用于水深探测的基本原理及其相对于传统机载激光测深雷达的优越性;然后分析了水底回波信号产生的平均光电子数与系统单脉冲激光能量的关系,从而理论求取出该系统的极限测深能力为3.7 m左右。最后进行了外场实地试验,对所获激光雷达点云数据进行滤波和解算,成功测得了透明盘深度为1.2 m的浑浊水体深度为2 m以内的水下信息。     

单光束叠加脉冲Nd:YAG激光器的研究

在使用叠加脉冲方式进行激光打孔时,为了在一台激光器上实现大能量的长脉冲与高峰值的短脉冲激光叠加输出,采用同一工作物质不同增益区域来分别获得两种特性的脉冲激光同轴叠加输出的方法、在单台激光器上获得了两种脉冲激光的叠加输出。结果表明,在双氙灯脉冲抽运Nd:YAG激光器中,腔长840mm、使用双平-平腔结构、工作物质长度150mm的情况下,采用高电阻率的磷酸钛氧钾电光Q开关对中心光束进行调Q,得到了脉宽10ms的长脉冲与63ns窄脉宽脉冲序列的稳定叠加脉冲输出,在抽运频率9Hz的情况下,最高得到了93.4W的平均功率,叠加脉冲包络能量10.4J,峰值功率46.7kW。此结果说明输出的叠加脉冲激光可以很好地满足激光打孔的需求。     

百纳秒脉宽Nd:YAG制孔激光器的研制

介绍了制孔用百纳秒级脉宽Nd∶YAG激光器的研制, 具体分析了激光器的设计方案、激光光路布置及其主要特点, 并对激光器技术指标进行了测试, 主要技术参数为激光能量≥5.6 J, 频率10 Hz, 脉宽200～500 ns, 脉冲列宽0.3～2.0 ms, 达到了预期的设计效果。     

Short-pulsed 2.1 μm laser performance of Cr,Tm,Ho:YAG

An examination is conducted of Q-switching in flashlamp-pumped Cr,Tm,Ho:YAG 2.1 μm lasers. Experiments show that short-pulse operation in this material can exhibit comparable efficiencies to the long-pulse operation mode. Losses in overall efficiency are shown to be largely due to mode restriction in the resonator. A three-pulse extraction format is shown to improve slope efficiency by more than 200% compared to single Q-switched pulse extraction. The optimal interpulse interval was determined, revealing the time scale of the Tm sensitization process. Spectral shifts in the short-pulse operation mode were observed. Simultaneous dual-wavelength emission was found to be the most common mode of operation for the Q-switched laser