为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响，根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理，使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件，将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联，实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒，明确了质量损失与能量消耗的数学关系，使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响，结果表明：污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小，且减小的速率会逐渐变慢，当激光功率过大时，基材会出现损伤；污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大，但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法，并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析，得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。
激光清洗 热烧蚀 有限元分析 薄层-基底系统 动态能量守恒 laser cleaning thermal ablation FEA thin layer-base system dynamic energy conservation 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220779
近年来, 激光清洗技术的应用范围不断扩大, 取得了微粒清洗、模具清洗、交通工具清洗等全新的研究成果, 但也存在着设备价格昂贵、测试时间冗长等缺点。为了了解激光清洗的研究现状, 总结了激光清洗技术的清洗机理、应用领域、发展现状以及存在的问题, 介绍了新型激光复合清洗技术在绿色制造中的优势及其未来发展的潜力。
激光技术 激光光学 光学制造 激光清洗 laser technique laser optics optical fabrication laser cleaning
1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 电子科技大学 基础与前沿研究院, 成都 610054
为了研究基于近红外纳秒脉冲激光的高反射率金属薄膜的加工可行性以及加工效果, 采用纳秒脉冲激光对高反射率铝膜进行激光加工, 分别测量了在不同激光光斑尺寸和不同激光能量的条件下, 铝膜表面所发生的烧蚀形态变化。结果表明, 即使铝膜表面反射率高达96%, 依然能对铝膜进行激光加工; 使用较高功率激光对铝膜表面进行离焦加工(能量密度约小于1000J/mm2)的烧蚀图样比使用较低功率激光对铝膜表面进行对焦加工(能量密度约大于2000J/mm2)的烧蚀图样更加规则。相关实验结果对激光加工高反射率材料时激光参量的选择可起到一定的指导作用。
激光技术 激光加工 纳秒脉冲 高反射率 金属铝膜 laser technique laser processing nanosecond pulse high reflectivity Al film
1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
为了获得高重频窄脉冲高光束质量激光输出, 采用LD抽运Nd∶YVO4晶体声光调Q方案, 进行了相关理论分析和实验验证, 振荡级获得了重频25kHz、单脉冲能量22.4μJ、脉冲宽度2.19ns、光束质量因子M2<1.2的种子激光, 光光转换效率为24.3%; 放大级获得了重频25kHz、单脉冲能量585μJ、脉冲宽度2.26ns、光束质量因子M2<1.7的激光输出, 提取效率为15.6%。结果表明, 采用LD抽运Nd∶YVO4晶体声光调Q方案能够获得高重频、窄脉冲、高光束质量激光输出, 其实验现象与理论计算结果较为符合。
激光器 高重频 窄脉冲 声光调Q lasers high repetition short pulse acousto-optically Q-switched
为了获得目标区域的高精度3-D距离图像, 采用自研带读出电路的雪崩光电二极管(APD)面阵探测器组件, 研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域, APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号, 经信息处理获得目标区域3-D距离图像, 对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明, 所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像, 成像距离达1.2km, 距离分辨率为0.45m, 成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。
成像系统 非扫描激光成像雷达 雪崩光电二极管面阵探测器 3维距离图像 imaging system non-scanning imaging lidar avalanche photodiode planar array detector 3-D range image
为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果，从湍流换热理论出发，定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数: 面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件，建立喷流冷却的物理模型，对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置，并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明，喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响，仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。
薄片激光器 喷流冷却 对流换热系数 湍流仿真 disk laser jet cooling heat transfer coefficient turbulence simulation 强激光与粒子束
2014, 26(1): 011003
1 西南技术物理研究所， 成都 610041
2 四川大学 电子信息学院， 成都 610064
为了分析CTH∶YAG激光器在受激跃迁时的温度特性，从速率方程中腔内光子数密度出发，考虑CTH∶YAG的准三能级特性以及Tm-Ho准热平衡体系的影响，定义了相对振荡效能参量。采用数值模拟的方法，分析了相对振荡效能的温度特性，得到了其温度变化曲线。结果表明，CTH∶YAG的相对振荡效能是温度的非线性减函数，且存在截止温度使腔内振荡无法产生；截止温度与Tm-Ho准热平衡体系的储能成正比，相对振荡效能也随Tm-Ho准热平衡体系的储能的增大而增大。这一结果为CTH∶YAG激光器受激跃迁的温度特性提供了理论依据，对改善其工作特性和优化输出结果具有指导性意义。
激光器 温度 数值模拟 速率方程 准三能级 Tm-Ho准热平衡体系 temperature numerical simulation CTH∶YAG CTH∶YAG rate equation quasi-three-level Tm-Ho quasi-thermal equilibrium system
