李海涛 1,2,3赵波 2,***张祥志 1,3,4,**郭智 1,3,4[ ... ]邰仁忠 1,2,3,4,*
1 中国科学院上海高等研究院 上海 201210
2 上海科技大学 上海 201210
3 中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800
4 中国科学院大学 北京 100049
同步辐射实验方法在研究材料的结构和物性上具有独特的优势，然而，要实现同步辐射原位高温条件，尤其温度高于2 000 K以上，对很多实验方法来说还是一个挑战。激光加热方法可以实现快速、微区的极端高温条件，已经成为高温物性研究的重要工具。上海同步辐射光源在极端高温研究领域，例如高熵合金、涡轮叶片、航空材料等还欠缺相关的原位高温条件，因此，研制了一种便携式连续激光加热装置，利用光谱仪获得样品的热辐射谱，并通过黑体辐射方法拟合出样品的温度梯度和温度稳定性。利用该装置成功实现真空环境中钨片的快速熔化（熔点约3 695 K），并在上海同步辐射光源表面衍射线站获得了1 608 K原位条件下的MoS2和CTAB-MoS2材料X射线衍射图谱。本工作所研制的激光加热方法拓展了上海光源在极端条件下的实验能力，为极端高温条件下的材料物性研究提供了重要手段。
激光加热 同步辐射 原位实验 X射线衍射 Laser heating Synchrotron radiation In situ experiments X-ray diffraction
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
光开关是集成光路上一个重要的元器件。提出了一种用在L和C波段基于硫系相变材料（Ge2Sb2Se4Te1）的片上2×2定向耦合器式的可重构光开关，可通过改变相态切换开关。利用仿真软件Lumerical中的Mode Solutions和FDTD Solutions模块设计器件，得到在1500～1625 nm内耦合长度为24.9 μm的Ge2Sb2Se4Te1非晶态下插入损耗（IL）＞−0.36 dB，串口对比度（CT）＜−24 dB；Ge2Sb2Se4Te1晶态下IL＞−0.44 dB，CT＜−30.46 dB。利用仿真软件COMSOL模拟532 nm波长激光加热Ge2Sb2Se4Te1，结果显示：一个25 ns、峰值功率45 mW的高斯短脉冲可以使材料由晶态转化为非晶态；施加多个峰值功率20 mW、周期1 μs且占空比0.03%的高斯脉冲阵列可重回晶态。仿真结果表明，设计的光开关在通信波段通过激光加热可以快速实现切换光路的作用。
硫系相变材料 光开关 激光加热 chalcogenide phase-change material optical switching laser heating
催化剂在化工生产中对产品生产效率起着至关重要的作用。某些催化剂在生产制造过程中需要进行焙烧加热制得，传统加热方式一般采用电阻丝进行加热。但电阻丝加热不能在较短时间内达到所需温度，并且温度和加热区域较难精确控制。因此，提出一种新型的选区激光加热方式。首先利用Zemax软件模拟对激光进行了光束整形，以达到最终出光面积为200 mm2、区域内能量密度均匀（5 W/cm2）的实际催化剂加热要求；其次设计了一套承载装置，实现了激光器、透镜加持装置、试管夹持装置的模块化拆装，便于后续更换、维修；最后提出了一套温度检测控制方案，通过Ansys模拟高斯光源加热，发现热源功率与催化剂材料受热点的最高温度呈线性相关，而后据此利用Matlab中的Simulink模拟PID算法，获得了PID控制激光功率与温度的合适参数。
选区激光加热 光束整形 温度控制 selective laser heating Zemax Zemax beam shaping temperature control
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
随着合束技术的发展以及单元芯片功率的提升,半导体激光器在激光加工领域越来越彰显自身的优势。针对激光加工领域中玻璃纤维筋材热固化的需求,采用18 W单管激光器作为单元模块,通过空间合束、偏振合束,以及光束整形技术,获得了输出功率大于2 kW、波长915 nm、光斑尺寸为700 mm×10 mm的半导体激光加热光源,满足该领域对高功率、长光斑激光加热的需求。
激光光学 半导体激光器 光束整形 玻璃纤维筋材 热固化 激光加热 光学学报
2021, 41(22): 2214001
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 038507
2 曼彻斯特大学电气与电子工程学院, 英国 曼彻斯特 M139PL
为了突破传统方法对材料表面缺陷深度检测的局限性,提出了一种基于透射式激光热成像的无损检测技术。选用激光源作为激励源,对被测材料的缺陷表面进行加热,加热点选在材料表面缺陷正下方处,激光输出功率为50 W,加热时间为1 s。在加热过程中,材料背面的温度场由于热流在材料缺陷传导过程中的影响而产生温度差异,故使用红外热像仪对加热过程中材料背面的温度场变化进行记录,并使用无缺陷处A点作为参考点,有缺陷处B点作为考察点,通过分析A、B两点的温度变化情况来对表面缺陷的深度进行特征提取。经过实验验证可知,该方法可以在一定条件下对材料表面的缺陷深度进行检测,当A点温度一定时,B点温度与缺陷深度的最优拟合呈指数关系,随着缺陷深度的增长,背面B点温度也随之降低。研究结果为后续的缺陷深度精准量化奠定了基础。
成像系统 无损检测 缺陷 深度检测 激光加热 透射式 激光与光电子学进展
2021, 58(4): 0411002
在碳纤维激光石墨化的过程中,丝束截面内存在较大的温差,导致碳纤维丝束毛丝现象严重。当激光超过一定功率时,甚至会出现断丝现象,严重影响碳纤维的连续激光石墨化。利用微波与激光对碳纤维进行协同石墨化,以减小石墨化过程中丝束的温差与热应力。针对微波加热的特殊性,设计出了一种可持续高效升温的加热腔；然后建立了电磁加热--激光加热--热辐射--流动传热--固体力学多物理场模型,并对其进行了仿真模拟。结果显示,微波的引入可以改善激光石墨化过程中丝束温度场的分布,并可有效减小丝束加热过程中的热应力。
微波加热 激光加热 数值模拟 热应力 均匀性 microwave heating laser heating numerical simulation thermal stress uniformity
1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
3 中国科学技术大学信息科学技术学院, 安徽 合肥 230026
4 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
提出基于双光束二氧化碳(CO2)激光的加热方法,设计并搭建了微锥型结构的长周期光纤光栅制备系统。该系统通过精确控制CO2激光功率、加热时间、光斑大小等实现均匀加热和光纤软化,通过高精度的步进电机控制光纤微型拉锥长度和拉锥比,以产生周期性的物理形变,制备出高精度(消光比>30 dB,插入损耗<1 dB)、光谱不退化的微锥型长周期光纤光栅(MT-LPFGs)。基于级联MT-LPFGs实现了宽带全光纤滤波器。实验结果表明,设计的双级联MT-LPFGs在30 dB消光比下实现了15 nm的宽带滤波,与单个光栅相比,其滤波带宽增加7.5倍;三级联MT-LPFGs在-25 dB带阻深度下能够实现25.2 nm的宽带滤波,该滤波带宽为单个光栅的12.6倍。最后,通过弯曲实验证明了级联光栅滤波器的弯曲容限为1.183 m -1。该滤波器具有精度高、制备简单、光谱不退化等优点,在宽带滤波方面有着重要应用。
光纤光学 长周期光纤光栅 二氧化碳激光加热 光纤微加工 宽带滤波 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 190605
山东建筑大学热能工程学院, 山东 济南 250101
超快激光加热技术逐渐应用于诸多领域,其中涉及到的导热机制受到了广泛关注。传统的傅里叶传热定律不足以正确描述超快速过程的导热机制,因此结合本课题组在超快激光加热技术传热理论领域的研究成果,综述了超快激光加热技术的传热理论研究概况,对近年来受到关注的格子Boltzmann方法、蒙特卡罗方法和分子动力学方法在超快激光加热传热理论研究中的应用也进行了介绍,并展望了超快激光加热技术传热理论的研究方向。
超快光学 超快激光加热 格子Boltzmann方法 蒙特卡罗方法 分子动力学方法 激光与光电子学进展
2020, 57(1): 010005
1 中北大学 电子测试技术国家重点实验室, 太原 03005
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为了在热电偶时间常数测试中提供可靠的阶跃温度信号, 优化反馈控制效果, 进一步缩短阶跃温升信号的上升延时间, 确保热电偶时间常数测量的准确性, 采用中温黑体炉对高速辐射测温模块进行了静态温度-电压标定, 使用激光器对被校热电偶进行加热, 获取单次脉宽调制波(PWM)脉宽时间与温度之间的关系式; 理论分析了红外辐射测温模块电压与黑体温度、PWM波脉宽时间与温度之间非线性关系的原因, 对进一步优化控制效果、建立系统数学模型提供了实验验证。结果表明, 红外辐射测温模块输出电压与黑体温度呈4次方关系; 单次PWM波脉宽时间与温度呈3次方关系。该实验结果可为控制器反馈控制调节PWM波脉宽时间(占空比)提供理论依据。
传感器技术 激光技术 时间常数 激光加热 非线性 sensor technique laser technique time constant laser heating nonlinear
1 广州市昊志机电股份有限公司, 广东 广州 510000
2 绍兴文理学院机械与电气工程学院, 浙江 绍兴 312000
3 绍兴市上虞区产品质量监督检验所, 浙江 绍兴 312300
钢铝激光辅助搅拌摩擦焊的温度场直接影响焊接接头的质量。为了研究工艺参数对温度场分布的影响并且缩小试验时工艺参数的可选择范围, 首先建立了激光加热以及搅拌头摩擦生热双热源数学模型, 然后采用COMSOL软件对Q235钢和Al 6061铝合金, 在不同工艺参数的条件下进行温度场的计算, 重点分析了激光光斑半径、激光功率、搅拌头下压力、进给速度和旋转速度对温度场的影响规律, 并选取了合理的工艺参数范围。最后对比分析了激光加热辅助搅拌摩擦焊接与普通搅拌摩擦焊接温度场的不同之处。结果表明, 激光预热使搅拌摩擦焊轴肩覆盖区域的最高温度由轴肩后方部转移到轴肩中部。此外, 当搅拌头下压力过大, 焊接进给速度过小, 旋转速度过大时, 摩擦产生的热量越多, 从而温度升高越明显。
激光加热 搅拌摩擦焊 双热源 稳态温度场 工艺参数 laser heating friction stir welding dual heat source steady state temperature field process parameters
