研制了一种TEC制冷LD侧泵高能量、高光束质量、电光调Q全固态Nd∶YAG激光器。 在主振荡器中晶体棒的尺寸为φ7 mm×100 mm, Nd原子数比例为1.1%, LD泵浦的最大峰值功率为15 kW, 在重复频率为10 Hz时, 获得了350 mJ输出能量, 脉冲宽度为9.7 ns, 光束质量因子M2在水平和垂直方向分别为3.3和3.8。使用主振荡功率放大结构, 提高了最终的输出功率。第一级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ7.5 mm×134 mm, 在输出重复频率10 Hz、泵浦电流80 A、泵浦脉冲宽度200 μs时, 得到最大单脉冲能量700 mJ, 脉冲宽度10 ns。第二级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ8 mm×100 mm, 泵浦电流为80 A。最终我们获得了最大的单脉冲能量1 085 mJ, 脉冲宽度10 ns, 能量不稳定度小于3%, 测量的光束质量因子M2在水平和垂直方向分别为3.9和4.8, 实现了焦耳级高光束质量Nd∶YAG激光器的小型化、无水冷化。

为了研究W-Ni-Cu合金选区激光熔化技术(SLM)直接成形工艺及其热物理性能, 设计了以激光功率、扫描速度、扫描线长度、搭接率为变量的工艺实验, 研究各参数对致密度的影响, 采用SEM、热分析仪、差式扫描量热仪、热-机械分析仪研究合金的微观组织、导热率与热膨胀系数。结果表明：选择合理的优化工艺参数, W-Ni-Cu(SLM)成形致密度最高达到94.5%; 微观组织为难熔相W发生了桥接与团聚, 基体相CuNi呈网络状包裹于W相周围; 测试试样所加载热流平行于烧结成形方向时, 导热系数与热膨胀系数分别是120.314 0 W/(m·K)及7.16×10-6/K, 加载热流方向垂直于烧结成形方向时, 导热系数与热膨胀系数分别是99.257 2 W/(m·K)及7.02×10-6/K。不同方向成形测试件导热系数和热膨胀系数的差异是由难熔相W在CuNi相中的分布以及孔隙数量决定的。采用选区激光熔化成形技术可以成形性能较好的W-Ni-Cu合金。

为了获得高激光脉冲能量, 设计了高能脉冲激光放大系统。对该放大系统的输出能量、脉冲宽度、能量稳定度、输出脉冲宽度等进行了研究。首先, 进行四能级激光速率方程的分析递推出泵浦能量和储存能量、增益系数等的关系。接着, 进行了激光放大器的系统设计, 然后进行实验验证, 最后, 实验还进行了输出激光的性能测试。实验结果表明：在Nd∶YAG晶体棒尺寸为 8 mm×100 mm、Nd3+ 的掺杂浓度为1.1%、泵浦功率最大24 kW、重复频率为10 Hz、泵浦电流为80 A、泵浦脉宽为200 μs的条件下, 得到脉冲宽度10 ns、最大脉冲能量1 050 mJ的脉冲激光, 输出能量不稳定度<3%,通过刀口法测得水平和垂直方向光束质量M2分别是3.9和4.8。满足了高能量、无水冷、稳定可靠等要求。

为获得适用于电子封装的W-Cu材料,对60W-40Cu、70W-30Cu、75W-25Cu和80W-5Ni-15Cu合金进行选区激光熔化实验,研究了W含量对合金微观组织、致密度、热导率、热膨胀系数、表面粗糙度、硬度的影响。结果显示:4种W-Cu合金的成形表面均存在球化现象;当W的质量分数低于70%时,致密化机制为重排致密,W相间几乎不发生连接与团聚,热传导优先在铜相中进行;随着W的质量分数上升到75%,致密化机制主要为固态烧结,热传导路径由以W相为核心、边缘由Cu相包裹的结构单元组成;随着W含量增加,W-Cu合金的热导率和热膨胀系数与理论值的偏差增大,合金的表面粗糙度、硬度均增加。最终获得60W-40Cu、70W-30Cu、75W-25Cu、80W-5Ni-15Cu成形后的致密度分别为97.9%,94.5%,91.6%,91.9%,热导率分别为210.4,176.8,152.7,121.3 W·K ^-1·m ^-1,热膨胀系数分别为11.05×10 ^-6,9.33×10 ^-6,8.17×10 ^-6,7.02×10 ^-6 ℃ ^-1,表面粗糙度分别是9.2,13.7,15.2,15.4 μm,显微硬度分别是183,324,567,729 HV。

为满足实际工程、生产应用中专业及非专业人员对故障光纤激光器快速修理、修复的需要, 研究了一种能够实现快速故障模式及故障原因分析系统。首先, 采集实际使用与实验中损坏激光器的故障模式与故障原因记录为数据样本。接着, 利用故障树与故障模式影响及危害性分析模型建立光纤激光器扩展故障树, 即构建起故障模式与故障原因的对应关系。然后, 利用贝叶斯网络分析并得出各故障模式与故障原因的先验概率与后验概率计算方法, 再使用Python语言编写交互式窗口, 并完成对数据库数据的调用与相应概率计算。最后, 通过交互式界面输出当前故障对应的可能故障原因及发生概率, 从而实现对光纤激光器故障的快速分析。程序模拟耗时小于1 s, 模拟结果与统计结果相吻合, 基本满足指导相关人员对故障快速排查并修理的要求。

为了压缩MOPA全光纤调Q激光器脉冲宽度, 对谐振腔基本参数进行了研究。首先, 根据速率方程理论推导出脉冲宽度的表达式, 通过数值解建立表达式参数与脉冲宽度的关系。然后, 分析增益光纤长度、腔镜输出透过率、Q开关性能等谐振腔基本参数对全光纤调Q种子源输出脉冲宽度的影响并通过实验来逐一验证结果。最后, 通过优化的参数搭建全光纤调Q激光器, 在重复频率为20 kHz时, 得到脉冲宽度为54 ns、平均功率为0.86 W的种子激光输出。在重复频率为100 kHz时, 对脉宽142 ns、平均功率为1.66 W的种子光进行预放大和功率主放大, 最终得到平均功率120 W、脉宽180 ns、光谱宽度为0.67 nm的稳定脉冲激光输出。通过提升AOM性能、减小增益光纤长度等参数优化方式构建调Q光纤激光器, 能有效压缩谐振腔内脉冲宽度。

针对K640钴基合金粉末进行选区激光熔化(SLM)成形工艺优化实验, 以期获得高致密度K640合金的工艺参数。在固定层厚条件下, 研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描线长度对致密度的影响,分析优化参数下成形件的显微组织, 探讨激光线能量密度与成形件粗糙度以及维氏硬度的关系。研究结果表明, 成形件致密度随着激光线能量密度的增加呈先增大后减小趋势, 随着扫描间距和扫描线长度的增加, 致密度不断减小, 最终在激光功率190 W、扫描速度800 mm/s、扫描间距0.08 mm、扫描线长度0.08 mm下获得98.2%高致密度试样; 成形件上表面和侧面粗糙度结果相差较大, 上表面粗糙度随着激光线能量密度的增加而缓慢减小, 而激光线能量密度对侧面粗糙度并无明显影响; 选区激光熔化成形的K640合金平均硬度达到500 HV, 高于传统铸造K640合金硬度。

为获得高精度、高致密度W-Cu复合材料零部件，试验选用了两种不同形状、粒度的W 粉与同种Cu粉按照不同质量比混合进行选区激光熔化(SLM)。研究了试样的尺寸精度、表面形貌与显微组织。采用D₅₀=5 μm、形状不规则W 粉的W-Cu混合粉末，铺粉过程不均匀，烧结中飞溅严重，随着W 的质量分数从60%增加至75%，成形试样高度方向收缩量从70 μm增加至220 μm，长度、宽度方向膨胀量分别从50 μm增长至150 μm、从70 μm增长至150 μm，成形试样表面从较多黏着物演变为球化明显，金相中存在气孔，W相发生团聚。采用D₅₀=20 μm、形状规则W粉的W-Cu混合粉末，铺粉过程均匀，烧结中无明显飞溅，随着W 的质量分数从60%增加至75%，成形试样高度方向收缩量从20 μm 增加至60 μm，宽度、长度方向膨胀量从20 μm 增长至50 μm，成形试样表面从平整向熔道断续发展，W 相发生颗粒重排。₅₀=20 μm、形状规则的W 粉更适宜选区激光熔化制作W-Cu复合材料。

为解决商用选区激光熔化设备制作散热器生产效率低的问题并使之保持良好的散热特性与机械性能，采用纯Ni粉末进行不同层厚选区激光熔化成形获得了高效制作、性能良好的样品。从致密度、金相显微组织、热特性、机械性能等方面展开研究，一定范围内增加层厚能够提高成形效率并且保证成形样品的热特性与机械性能。超过激光可烧结的层厚阈值时，烧结轨迹为球化线。在可烧结层厚范围内，改变工艺参数能使成形体均接近完全致密。层厚由20 μm 增加至40 μm，初始枝晶间距由305 nm 增至639 nm。热导率由20 μm 时的99.28 W/ K·m 降低至40 μm 成形时的92.48 W/ K·m。25 ℃~100 ℃时，40 μm 层厚成形体热膨胀系数由11.02×10^-6 m/(m·℃)升至12.9×10^-6 m/(m·℃)，低于对应温度区间内20 μm层厚成形体热膨胀系数由11.42×10^-6 m/(m·℃)升至13.4×10^-6 m/(m·℃)。20 μm 层厚与40 μm层厚成形试样的拉伸强度均远高于国标锻压件。应用选区激光熔化技术成形散热器，采用40 μm层厚成形的生产效率比20 μm 层厚成形提高34.6%。