红外与激光工程
2023, 52(5): 20220606
中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027
提出并研究了一种气流方向Z型折叠离轴混合非稳腔，应用在小型化DF气流化学激光装置中(增益体积为30 mm×40 mm×125 mm)，实现了平均功率550 W、光束质量β值1.8(稳定腔方向β值为1.5，非稳定腔方向β值为1.9)、光谱覆盖3680～4089 nm的中红外连续激光输出。该腔在气流方向是平凹稳定腔，并且进行了Z型折叠以减小稳定腔方向上的增益尺寸；在高度方向是正支共焦非稳腔。针对稳定腔方向上远场光斑从高阶横模振荡到基横模振荡的物理过程进行了理论计算与实验研究，光腔振荡的计算结果与实验结果吻合较好。计算与实验结果表明，气流方向Z型折叠离轴非稳腔可用在小型化、紧凑型DF气流化学激光装置中，实现高功率、高光束质量中红外连续激光输出。
激光器 离轴混合非稳腔 DF气流化学激光 光束质量 中红外激光 中国激光
2022, 49(23): 2301007
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou310027, China
2 Interdisciplinary Center for Quantum Information, State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, and Zhejiang Province Key Laboratory of Quantum Technology and Device, Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou310027, China
Considering the thermodynamical fluid mechanics in the gain medium and laser kinetic processes, a three-dimensional theoretical model of an exciplex-pumped Cs vapor laser with longitudinal and transverse gas flow is established. The slope efficiency of laser calculated by the model shows good agreement with the experimental data. The comprehensive three-dimensional distribution of temperature and particle density of Cs is depicted. The influence of pump intensity, wall temperature, and fluid velocity on the laser output performance is also simulated and analyzed in detail, suggesting that a higher wall temperature can guarantee a higher output laser power while causing a more significant heat accumulation in the cell. Compared with longitudinal gas flow, the transverse flow can improve the output laser power by effectively removing the generated heat accumulation and alleviating the temperature gradient in the cell.
excimer lasers gas flow simulation theoretical model High Power Laser Science and Engineering
2021, 9(2): 02000e26
针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。
激光技术 激光熔覆 钛合金 开放环境 局部保护气氛 响应面法 光内送粉 中国激光
2020, 47(11): 1102006
中国洛阳电子装备试验中心, 河南 洛阳 471003
基于近红外H2O的吸收光谱,开发了一种同时测量高速气流温度、速度及H2O摩尔分数等参数的方法并在超声速燃烧场中开展了应用研究,分析了超声速燃烧场中存在的现象及规律。基于扫描波长调制光谱技术,利用两条H2O吸收谱线在超燃直连台隔离段和扩张段中开展了实验研究,实现了多参数的同时测量。燃烧室点火后:隔离段内无激波时,气流速度、温度、压强和H2O摩尔分数测量值与预测值基本吻合,相对偏差分别小于3.0%、7.2%、8.2%和3.9%;有激波时,气体速度、温度、H2O摩尔分数和压力都发生了明显变化,空气质量流量均值变化不明显,但波动明显增大。实验结果表明,基于波长调制光谱的传感器具有重要的工程应用价值。
光谱学 高速气流 超声速燃烧场 波长调制光谱 气体参数
南京航空航天大学 材料科学与技术学院, 江苏省能量转换材料与技术重点实验室, 南京 211100
采用磁控溅射法以石墨为靶材在玻璃衬底上沉积了类金刚石(DLC)薄膜, 用原子力显微镜表征了不同氮气流量条件下生长薄膜的形貌, 用拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪和分光光度计分析了样品的微结构、元素的价态和透光性能.结果表明：沉积的薄膜均为非晶结构.通入2 sccm氮气时, 薄膜的光学透过率大大提高, 此时DLC薄膜内的氮元素含量为5.88%,sp3键百分比为64.65%,ID/IG值为1.81; 掺氮DLC薄膜在可见光范围内光学透过率达到95.69%.随着氮气流量增加, DLC薄膜光学透过率呈现出下降的趋势.退火2 h后不掺氮DLC薄膜光学透过率呈小幅度下降, 而掺氮DLC薄膜的光学透过率几乎没有变化.
DLC薄膜 氮气流量 磁控溅射 透过率 退火 Diamond like carbon thin film Nitrogen gas flow rate Magnetron sputtering Transmittance Annealing
为了研究保护气体流量对复合焊接接头形貌及熔滴过渡的影响, 采用5mm厚的高强钢板材进行了激光电弧复合焊接试验的理论分析和实验验证, 获得了不同气流量下的焊缝形貌以及焊接过程中电弧和熔滴图像。结果表明, 随着保护气体流量的增大, 焊接熔深先增大后减小;当保护气体流量在25L/min, 焊接熔深达到最大; 且焊缝的铺展性较好, 飞溅较少; 保护气体流量通过影响熔滴过渡的形式, 对熔滴过渡频率产生影响; 随着气流量的增大, 熔滴过渡频率减小, 且在25L/min时, 熔滴过渡频率较稳定; 采用FLUENT软件对气流量进行数值模拟, 气流量越大, 保护气体流速越大, 在工件表面的作用面积减小。该研究结果为实际工程应用中选择保护气体流量制备高质量的焊缝奠定了基础。
激光技术 复合焊接 保护气体流量 接头形貌 熔滴过渡 数值模拟 laser technique hybrid welding protective gas flow joint morphology droplet transfer numerical simulation
装备学院激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
基于扫描波长调制光谱方法实现了超声速气流的温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量的测量。利用两条H2O吸收谱线的谐波信号，研究了均匀流场中超声速气流多参数同时测量的方法。基于波长调制光谱技术的测量结果能准确反映均匀流场中的气体参数，然而实际流场往往具有边界层。针对具有边界层的近似均匀流场，数值仿真研究了谱线选择和边界层厚度对流场中心流测量结果的影响。仿真结果表明，随着边界层厚度不断增大，测量结果误差逐渐增大，选择对边界层温度不灵敏的吸收谱线能够有效降低边界层的影响。对超燃直连台隔离段内的超声速气流进行实验研究，结果表明基于波长调制光谱的测量方法在强噪声和强振动的环境中具有较高的测量精度。温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量测量值与预测值的最大相对偏差分别在8.2%、7.2%、2.0%、3.1%和6.4%以内。
测量 质量流量测量 波长调制光谱方法 超声速气流
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
利用ICEM软件对简化后的准分子激光器气体流道进行二维截面网格划分。基于realizable k-ε湍流模型和多参考系(MRF)模型，利用FLUENT软件对激光器内部气体流动进行稳态流场仿真，获得了气体流动速度大小和分布。仿真结果表明,气体平均流速与风机转速大小呈线性关系，风机扭矩与风机转速的平方也呈线性关系。采用皮托管实测流速分布并与仿真结果进行对比，它们之间的一致证实了仿真结果的可靠性。
激光器 气体流场 数值仿真 气体流道设计
