高斯和平顶分布纳秒激光诱导KTP晶体损伤

KTP晶体的抗激光损伤能力影响了其在高端固体激光系统中的应用。利用波长为1.064μm、重频为10 Hz、脉宽为10 ns和两种空间分布的光束(即高斯光束和平顶光束)的激光对KTP晶体进行了激光诱导损伤的仿真和实验。结果表明,在平顶激光和高斯激光的损伤测试中,KTP晶体的激光诱导损伤阈值分别为1.78和2.28 GW/cm²。平顶激光辐照KTP晶体,损伤形貌为明显的烧蚀形态和裂纹,而高斯激光辐照KTP晶体时,前表面出现了典型的纳秒激光损伤形态,即熔融形成的凹坑。此外,在平顶激光测试下,观察到损伤区域边缘颜色变化。     

利用畸变透镜获得精细加工激光束

为了获得激光精细加工需要的能量集中且均匀分布的平顶聚焦激光束,利用衍射理论研究了畸变透镜对高斯光束衍射变换的作用,导出了解析计算式,进而获知畸变透镜如何对激光束平顶化聚焦的原理。用Matlab软件进行计算模拟,讨论了畸变透镜对高斯光束平顶化聚焦的情形和影响因素。表明利用畸变透镜对高斯光束平顶化聚焦是可行的。用这种方法获得的平顶化聚焦激光束可用于激光精细加工、微光机电系统和医学治疗等领域发挥重要作用。     

异种金属氧化物辅助激光刻蚀蓝宝石的研究

为了提高蓝宝石对普通红外激光的吸收效率, 采用金属氧化物涂层辅助1064nm红外光纤激光器刻蚀蓝宝石。通过单因素研究方法, 研究了不同金属氧化物涂层的刻槽阈值以及激光能量和金属氧化物涂层对刻蚀率的影响, 对6种金属氧化物涂层辅助激光刻蚀的差异以及刻蚀机理进行了理论分析和实验验证。结果表明, TiO₂涂层的刻槽阈值最低约为8.5J/cm2、激光能量为77.7J/cm2时, TiO₂涂层的刻蚀率最高约为107.3×104μm3/s; 刻蚀率随着激光能量的增大先增大后趋于平缓且有所降低; 刻槽阈值和刻蚀率主要与涂层吸收激光能力、热导率以及熔沸点有关, 其中受涂层吸收激光能力和熔沸点的影响较大。此研究结果对激光加工蓝宝石的工业应用提供一定的技术基础。     

LDA侧泵Nd玻璃的高光束质量激光放大器研制

研制了一台高光束质量、高稳定的基于激光二极管阵列(LDA)侧泵Nd玻璃的纳秒方形激光脉冲放大器。为了获得较高的输出能量,采用LDA泵浦的"串联式双程放大"高增益组件进行能量放大。同时,为了获得高光束质量的光斑,利用液晶空间光调制器(LCSLM)对光束近场分布进行空间整形,以便得到超高斯平顶分布的光束,并对后级放大器增益不均性进行预补偿,最终得到了光束口径为Φ13mm、光束近场调制度小于1.22∶1的激光输出。放大器工作波长为1 053nm,当注入500nJ的3ns方形激光脉冲时,得到无脉冲畸变激光脉冲能量为100mJ、能量不稳定度为2.14%(均方根)和远场角漂移小于11μrad的高光束质量激光输出。     

高功率光纤激光焊接铝合金焊缝成形特征研究

为了探究铝合金高功率光纤激光焊接焊缝成形特征与规律,采用高斯光束与平顶光束对3mm厚5052铝合金进行激光对焊,对比分析了不同光束模式下的焊缝成形特征与激光功率、扫描速率对焊缝成形的影响。结果表明,平顶光束焊接主要为热导模式,熔池呈U型,易产生气孔、裂纹等缺陷; 高斯光束焊接有4种模式,随着激光功率和扫描速率的变化,4种模式相互转化,深熔焊模式下,熔池形貌呈“丁字”型; 扫描速率为20mm/s时,高斯光束有效深熔焊的下、上临界功率密度分别为8.8×105W/cm2和9.2×105W/cm2; 激光功率为2.7kW时,高斯光束有效深熔焊的下、上线能量分别为77J/mm和90J/mm; 在满足深熔焊所需功率密度条件下,线能量可作为激光深熔焊接的一个判据,线能量和功率密度对焊接模式与熔池形貌共同起决定性作用。     

用纳秒激光在镜面不锈钢表面刻蚀微光栅结构

研究了利用波长为532 nm的激光二极管抽运全固态激光器(DPSSL),采用双光束干涉手段,在镜面不锈钢表面直接刻蚀形成微光栅结构(MGS)的方法。通过实验,分析了激光功率、光束口径、双光束干涉角与光栅槽深和占宽比之间的关系。利用光学显微镜和原子力显微镜(AFM)对实验结果的检测分析表明,在激光功率为45 mW,双光束干涉角为20°的条件下,得到光栅周期为1.34μm,槽深为300 nm的最佳微光栅结构。同时,在适当激光功率下,增加光栅周期,增加光束口径都能提高光栅槽深。     

空间整形飞秒激光加工金属微细槽实验研究

金属微细槽在电子、通信、航空航天、生物医学等领域有着广泛的应用。超快激光加工在100μm及以下尺寸的微细槽加工中具有较大的潜力。为了提高金属微细槽的加工精度和加工质量,减小槽壁斜度,采用空间整形飞秒激光加工的方法,应用空间光调制器将高斯光整形为矩形平顶光,在高温合金上进行微细槽加工实验。结果表明,空间整形飞秒激光加工微细槽的槽壁斜度相较于高斯光束的加工结果明显减小,加工质量明显提高。此外,采用该方法分别加工了宽度为10,20,150μm的深槽,结果显示,深槽槽壁截面未出现明显的热影响区域,说明该方法具有卓越的加工能力和极大的应用潜力。     

不同光束类型致铝合金表面漆层损伤形貌研究

漆层的损伤形貌反映了激光与材料相互作用的规律及除漆机理,了解不同光束类型对漆层的损伤特征及作用规律有助于选择激光精准除漆,提高表面处理质量。为探究不同光束类型对漆层材料的作用规律及除漆机理,采用扫描电子显微镜和3D光学表面轮廓仪测量铝合金表面漆层在高斯与平顶激光除漆后,损伤直径、损伤深度及损伤形貌随能量密度的变化。结果表明,在高斯光束作用下,表面漆层损伤区域受到热烧蚀和热振动效应影响,出现漆层剥离、烧蚀去除等现象,损伤凹坑光滑、规则,当能量密度为12.37 J/cm²时,漆层的损伤直径达到46.71μm,深度达到10.14μm;在平顶光束作用下,表面漆层损伤区域主要受到热振动效应影响,损伤凹坑呈现出振动剥离去除的形貌,凹坑范围内的漆层剥落不规则,剖面呈“锯齿”状,当能量密度为12.37 J/cm²时,损伤直径达到612.3μm,深度达到19.42μm;同等能量密度下,平顶光束剥离漆层量更大。     

固体纳秒激光器应用于非晶硅薄膜结晶的研究

多晶硅薄膜比非晶硅薄膜具有更高的电子迁移率,在器件中表现出更优良的性能,脉冲激光结晶非晶硅薄膜制备多晶硅薄膜的方法具有热积存小、对衬底影响小、成本低等优点。使用532 nm固体纳秒激光器进行了非晶硅薄膜激光结晶实验,为了解决直接使用高斯光束结晶时因光斑能量分布带来的结晶效果不均匀,首先基于光束整型系统将圆形的高斯光束整型成为线性平顶光束,而后研究单脉冲能量密度、脉冲个数、非晶硅薄膜厚度对结晶效果的影响。结果表明,线性平顶光束用于非晶硅薄膜结晶具有更好的均匀性,对于100 nm非晶硅薄膜,随着能量密度的增加,晶粒逐渐变大,直到表面出现热损伤,最大晶粒尺寸约为1 μm×500 nm。随着脉冲个数的增加,表面粗糙度有减小的趋势,观察到的最小粗糙度约为2.38 nm。对于20 nm超薄非晶硅薄膜,只有当能量密度位于134 mJ/cm2和167 mJ/cm2之间、脉冲个数大于或等于八个时才能观察到明显的结晶效果。     

脉冲Nd:YAG激光对薄层聚氨酯材料打孔

激光打孔是一种精度高、操作简便的材料表面修饰物理手段.以往研究曾使用准分子和飞秒级钛宝石激光器作为打孔光源.为了验证脉冲Nd:YAG激光器对组织工程材料打孔的效果,掌握不同激光光束特性和能量的成孔规律,对组织工程薄层生物材料激光打孔进行了实验研究.选用能量输出范围为0.01～1 J的脉冲Nd:YAG激光器和厚约50 μm的片状聚氨酯材料(PU)进行打孔.改变激光输出能量、脉冲宽度、光阑孔径和光斑模式,用显微镜观察不同条件的穿孔形态.当Nd:YAG激光器脉冲宽度为30 μs,入射能量密度为0.6×104～2.1×104J/cm2时可击穿厚为50μm的PU材料,成孔直径在20～90μm之间,且低阶模光束成孔边缘光滑,对周围材料影响小.低阶模的穿孔直径为20～40μm,高阶模的穿孔直径为60～90μm.实验结果表明脉冲Nd:YAG激光器可以用作组织工程血管材料打孔.     

平顶光束激光冲击2024铝合金诱导残余应力场的模拟与实验

对平顶光束激光冲击2024铝合金诱导的残余应力情况进行了有限元模拟与实验研究。改进了平顶光束诱导冲击波的压力分布模型,并将该模型用于残余应力场的有限元模拟。在实验室环境下获得了适合用于激光冲击的高质量平顶光束,并使用该光束进行激光冲击2024铝合金的实验,实验结果和模拟结果基本一致。研究发现平顶光束冲击2024铝合金有如下特点:存在一个阈值,当激光冲击波压力小于该阈值时,影响区内残余应力场近似均匀分布;当冲击波压力大于该阈值时会引起"残余应力洞",但该"残余应力洞"内部近似均匀分布。在深度方向上,塑性影响深度和最大残余应力深度随激光冲击波压力的增加而增加。     

基于数字微镜阵列的平顶光束空间整形

为了满足激光光斑质量高、扫描快速的目的,采用数字微镜阵列和误差扩散法对单平顶和多平顶的光束整形原理仿真,利用680nm激光建立了实验系统,并进行了光束整形验证。采用光束填充因子、光场调制度、均方根误差3种评价参量对整形结果进行评价,并对采用数字微镜阵列进行光束整形的能量利用率进行了测量和分析。结果表明,单平顶和多平顶整形的光束填充因子由整形前的36.1%分别提高到62.3%和56.7%;光场调制度由73.3%分别降到25.6%和30.3%。利用该光束空间整形方法,可得到高质量的多平顶光束,在快速激光扫描领域有一定的应用价值。     

高重频大能量1.6μm波段全固态激光的研究进展(特邀)

1.6μm附近波段激光不仅属于人眼安全波段，而且处于大气传输窗口，不仅如此，高重频、大能量的1.6μm附近波段激光还可携带高分辨率、大数据量的信息远距离传输。近年来随着晶体制备和镜片镀膜工艺的提高，通过直接泵浦增益介质和频率转换技术获得1.6μm附近波段的激光在重复频率、能量和光束质量等方面都得到了很大进展。首先，介绍了直接泵浦掺Er3+晶体、受激拉曼频移和光参量振荡产生1.6μm附近波段激光的原理和研究进展；其次，总结了三种方案在获得1.6μm附近波段激光的优点和缺点；最后，分析了它们在获得高重频、大能量1.6μm附近波段激光的应用前景。针对光参量振荡输出激光光束质量较差的问题，文中进行分析并给出相应解决方法，最后对通过光参量振荡获得较好光束质量、高重频、大能量1.6μm附近波段激光的发展前景进行了展望。     

硅晶体中的二次混合与相干放大

两束强度不等、波长为1.06μm的脉冲激光在硅晶体中混合,产生一个瞬态受激光栅.通过硅晶体后,发生能量从强光束向弱光束转移的现象,从而使弱光束的强度得到放大.得到(?)=5倍的放大率.     

高功率激光器的光束控制研究

对强激光光束控制和参数评价等强激光领域的一些理论作了介绍和分析,以平顶高斯光束(FGB)为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式.阐述了几种实用光束传输变换的方法,总结了影响强激光光束质量的主要因素.以高功率激光的应用需求为背景,研究高功率激光的光束传输变换、光束质量评价和光束控制问题,为相关领域应用提供理论基础和计算依据.     

太阳能硅片双束激光划槽方法与装置

本文提出一种太阳能硅片双束激光划槽方法和装置,它利用Z型谐振腔的Nd:YAG激光器,声光Q开关调制,经直角棱镜发射双束激光,扩束聚焦输出到太阳能硅片表面,划槽最小线宽:20μm,最大划片速度:120mm/s、使生产率提高100%,节约能源30%。     

飞秒激光加工对熔覆层侧壁粗糙度的影响

针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。     

Ho∶YLF激光泵浦的长波红外ZnGeP2光参量振荡器

以2.05μm Ho∶YLF激光器作为光源,泵浦了长波ZnGeP₂光参量振荡器,实现了高效率、高重复频率的长波激光输出。激光器输出的峰值波长为8.1μm,最大输出功率为3.2 W@10 kHz,泵浦激光到长波激光的光光转换效率为12%,斜效率为19.3%,激光单脉冲宽度为27.11 ns,单脉冲能量为0.32 mJ,单脉冲峰值功率为11.8 kW,X方向的光束质量因子为4.5,Y方向的光束质量因子为4.2。     

基于末位淘汰GSGA算法的平顶光束整形研究

激光技术发展迅速,在医疗、生物、军事和材料等领域应用广泛,但激光光强的高斯型分布限制了激光的进一步应用。平顶光束整形技术应运而生并受到广泛关注。针对该问题,提出了基于末位淘汰制（LPE）、GerchbergSaxton(GS)算法和遗传算法（GA）的LPE-GSGA算法,优化空间光调制器的相位分布函数,将高斯光束整形为平顶光束。仿真结果表明,LPE-GSGA算法输出光束指标优于GS、广义自适应加性（GAA）、加权GS(GSW)和GSGA算法。与GS算法比较,LPE-GSGA算法的误差平方和（SSE）指标降低10.1%、拟合系数η提升0.85%,对相位初值的依赖程度约降低1个数量级,输出光束顶部光强突变点更少、旁瓣减少且幅度更低。LPE-GSGA算法减少了对初值的依赖程度,使高能量利用率、高光束顶部均匀度的平顶光束整形成为可能。     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.