为了研究铝合金激光焊接过程中镁元素的蒸发烧损, 采用特殊设计的实验装置采集了激光深熔焊接5052铝合金过程中孔内等离子体的光谱信号, 并用电子探针显微分析仪检测了焊缝中的镁元素。发现激光焊接工艺参量对工件表面的镁元素等离子体信号强度的影响很大, 小孔中各位置的光谱强度是变化的, 在小孔的径向方向MgⅠ的相对强度逐渐减小, 而在小孔的深度方向先增加后降低; 焊缝区镁元素含量的变化趋势与光谱强度的变化趋势相反。结果表明, 采用光谱仪能够监测激光焊接铝合金过程中镁元素的烧损; 小孔中不同位置处镁元素的烧损主要由各位置吸收的激光能量决定, 材料吸收的激光能量越高, 镁元素的烧损越大。

为了改进激光熔覆沸腾式送粉器的性能, 对送粉器的送粉过程运用FLUENT软件进行了3维非定常的气固两相流仿真。通过对比Syamlal-O’Brien,Gidaspow,Mckeen和修正的Syamlal-O’Brien曳力模型中Ni基合金粉末输送的模拟结果, 发现Mckeen模型得到的粉末流量与实验值相符。利用Mckeen模型, 分别对不同沸腾气流量进行计算, 其平均的粉末流量也与实验值接近, 从而确定了Mckeen曳力模型适用于该类送粉器的数值模拟; 并分析了2.6L/min的沸腾气流量下的气体与粉末的流化特性。结果表明, 沸腾进气口2对送粉的影响不大, 关闭该气流入口也可得到很好的送粉结果。这为激光熔覆送粉器结构改进和优化提供了理论依据。

为了设计激光标记数字振镜控制系统, 采用数字信号处理器芯片作为数字控制板的主处理器, 使用具有高传输速率和支持热插拔的通用串行总线进行上位机与数字控制板的通信; 标记图形的数据处理算法由具有高速运算能力的数字信号处理器完成, 复杂可编程逻辑器件芯片完成控制信号的时序控制和输出, 使用传送差分信号的RS-485总线进行控制系统与数字振镜和激光器的通信, 根据理论分析和参量模拟, 得到了对数字振镜的转动角度和激光器功率的高精度控制。结果表明, 该系统可以实现实时、高速、高精度的激光标记。

为了研究中空激光参量对金属板料变形的影响, 采用数值仿真的方法, 选用不同的中空激光参量对3003铝合金板料进行了冲击成形数值模拟, 分析了板料变形的动态响应过程以及成形规律。结果表明, 中空激光加载后, 板料获得初速度, 光斑区域的速度逐渐减少, 区域外的速度逐渐增加, 带动整个板材的运动; 与实心激光冲击板料变形比较, 板料底部变形区较为平坦, 变形比较均匀, 提高了板料的成形性和成形极限。该研究通过选择不同的中空激光参量获得板料的成形规律, 为中空激光冲击成形技术提供了依据。

为了获得高功率、高重频半导体激光脉冲, 设计了一种体积小、重量轻、造价低的纳米级大功率半导体激光器驱动电源。采用改进的单稳态触发器产生窄脉冲, 经放大后驱动快速开关MOSFET获得大电流窄脉冲; 电源脉冲电流驱动能力0A~80A, 脉冲上升时间2.8ns, 下降时间3.8ns, 脉冲宽度5ns~500ns范围内可调, 最小5.2ns, 重复频率可达200kHz。用该电源实验测试了激光波长为905nm的半导体激光器, 在重复频率为10kHz时, 激光脉冲峰值功率达到70W以上。结果表明, 采用窄脉冲驱动MOSFET可以得到高重复频率10ns以内的大电流窄脉冲, 可以驱动大功率半导体激光器, 若驱动100A以上的激光器需进一步研究。

为了测量大靶面立靶坐标, 提出了一种激光光幕靶的坐标测量方法, 该方法采用4个90°扇形激光器作为发射光源, 高灵敏度的光电二极管阵列作为接收装置。4个激光器发出的光相互交叉形成一个矩形激光光幕, 当子弹穿过激光光幕时, 会分别在x方向和y方向挡住一部分激光, 促使相应的光电二极管产生信号; 经过信号的采集和分析得到弹着点坐标, 最后经过实弹试验得到子弹的坐标。结果表明, 该立靶系统具有高精度和高灵敏度的特点。

为了使位移测量系统达到大量程、高分辨率, 采用复合光纤干涉的方法, 进行了理论分析和实验验证。利用光纤光栅作为反射镜, 构成两个干涉光路几乎共路的光纤迈克尔逊干涉仪。其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过反馈控制补偿环境干扰对测量系统的影响, 使测量系统适合在线测量; 另一个干涉仪用于完成测量工作。两个不同波长的光同时作用于完成测量的干涉仪中, 测量量程由两个波长的合成波干涉信号确定, 使测量量程大于1mm; 测量分辨率由其中一个单波长干涉信号确定, 测量分辨率小于1nm。结果表明, 这种基于复合光纤干涉仪的位移测量系统可以实现大量程、高稳定的位移在线测量。

为了研究磁控溅射方法制备的Zr膜的应力分布情况, 采用探针轮廓仪测量镀膜前后基片在1维方向上的形变, 根据镀膜前后基片曲率半径的变化和Stoney公式, 用自编应力计算软件计算出薄膜的内应力。结果表明, Zr膜中主要存在的是压应力, 且分布不均匀; 工作气压对Zr膜内应力影响不大, 但膜厚对Zr膜内应力影响较大, 且随膜厚的增加, Zr膜中压应力减小。

为了研究SiC晶体光学方面的应用, 利用飞秒激光冷加工的特点, 对SiC晶体进行精微加工, 研究了激光脉冲功率和扫描速率对光栅单元的影响, 选取适合SiC晶体飞秒加工的工作条件, 分别在晶体表面与内部加工出高质量的光栅。对加工好的光栅进行衍射通光实验, 计算其各级衍射角, 从而验证加工好的光栅周期; 并在1300℃高温下进行退火实验, 退火前后, 光栅参量无明显变化。结果表明, 该光栅适合在高温环境下使用。

为了研究环境压强对固壁面附近激光空泡溃灭射流的影响, 采用光偏转方法对固体壁面附近空泡溃灭行为进行了实验研究, 得到了不同环境压强下空泡的溃灭时间、溃灭射流冲击压强。结果表明, 相同激光能量下, 环境压强对空泡溃灭时间、射流冲击压强都有非线性的影响关系, 环境压强越大, 溃灭时间越小, 射流冲击压强越大; 在空泡溃灭的前期, 泡壁加速率较小且受环境压强的影响较小; 在溃灭的后期, 射流形成, 空泡上表面泡壁中心点速率迅速增大, 且相应阶段的加速率随着环境压强的增大而增大。这一结果对激光水下加工及空泡动力学的研究有积极的意义。

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点, 基于弹塑性力学理论, 采用有限元分析方法, 对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟, 得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明, 在脉冲激光扫描加热作用下, 金属表面发生多次熔化和凝固, 温度时间曲线呈锯齿形; 重熔区域应力场变化剧烈, 随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动; 金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力, 纵向应力达799MPa, 横向应力达700MPa。

为了获取高精密双频激光干涉测量中的干涉信号, 完成了一种新的光电探测器电路设计。该探测器利用AD645设计了精密低噪声光电转换前置放大器, 保证微弱干涉光信号的有效接收; 增益可调的主放大器设计保证输出信号足够的动态范围, 适应不同类型的干涉信号处理电路, 双二次型带通滤波器有效抑制了噪声与温漂。结果表明, 研制的光电探测器能完成微弱干涉信号的接收处理, 信噪比高、频率稳定、结构简单易实现, 可应用于高精密比相计等激光干涉仪信号处理装置。

为了实现工业用高重复频率ArF准分子激光器脉冲能量稳定, 从电源控制的角度进行了脉冲能量控制技术的基础研究。介绍了高重复频率ArF准分子激光器能量稳定闭环控制原理, 使用近似方法建立了准分子激光器脉冲能量和放电电压的函数模型, 提出一种基于实时检测脉冲能量的电压调节比例积分算法, 并结合函数模型和控制算法进行了MATLAB仿真。结果表明, 建立的脉冲能量模型是合理的, 且提出的比例积分算法在提高激光器脉冲输出能量稳定性方面是有效的。

为了提高复合材料的硬度、强度及耐磨性能, 采用高能束激光诱发自蔓延原位自生反应合成金属陶瓷颗粒增强复合材料的方法, 在过共晶Ni85Al15粉末中添加质量分数为0.01, 0.015和 0.02的钨精矿粉并压制成坯激光烧结后, 得到了烧结合金的X射线衍射和扫描电子显微硬度、磨损测试结果。未添加钨精矿粉时, 烧结合金的合成产物主要有NiAl, Ni3Al和Al2O3等相; 添加钨精矿粉后, 烧结合金产物增加了Ni4W和WO3相; 当钨精矿粉的质量分数为0.01时, 烧结合金相对密度最高为5.84g/cm3, 其孔隙率最低为0.13%, 合金硬度最高为325.2HK, 磨损率最低为0.27mg/mm2。结果表明, 钨精矿粉的加入, 能够增加材料的硬度及其耐磨性能, 当其质量分数达到0.01时, 材料的硬度和材料的耐磨性能最优。

为了在宽温环境中保证半导体激光器能够稳定地输出功率和波长, 针对半导体激光器体积小、重量轻及对温度稳定性要求高等特点, 在采用负温度系数热敏电阻作为温度传感器并对其输出信号进行处理的基础上, 设计了基于微控制单元的半导体激光器温度控制系统, 并在软件上采用了直接比例积分微分算法等方法。通过微控制单元调整输出调制信号脉宽和幅值, 从而改变半导体致冷器的驱动电流的大小和方向, 并进行了相应理论分析和实验验证, 可知半导体激光器工作温度稳定在25℃左右, 且温度稳定精度为±0.1℃。结果表明, 该高精度温度控制系统在宽温环境中控制精度高、响应速率快, 优于其它同类产品。

为了获取高质量、高取向排列规则的ZnO纳米棒, 玻璃衬底预先用脉冲激光沉积方法制备一层ZnO薄膜作为籽晶层, 应用水热法在玻璃衬底上生长ZnO纳米棒。探究了籽晶层及不同溶液浓度对ZnO纳米棒结构和发光的影响, 用扫描电子显微镜和X射线衍射仪测量样品的形貌和结构, 用组建的光致发光测试系统对样品的室温光致发光光谱进行测定。结果表明, ZnO纳米棒具有高度取向且分布致密均匀; 光致发光光谱显示ZnO的近带边发射比深能级发光略低; 随着溶液浓度的增加, 近带边发光和深能级发光相对强度的比值依次降低。

CO2激光-金属惰性气体保护焊(MIG)复合焊接作为一种高效快速的焊接方法, 其焊接铝合金较易产生气孔。为了分析中厚度铝合金CO2激光-MIG复合焊接气孔特性, 采用在10mm厚的5052铝合金上进行堆焊试验的方法进行了理论分析和实验验证, 可知热源间距和背部保护气垫块对铝合金CO2激光-MIG复合焊接气孔有较大的影响, 热源间距在2mm~3mm时气孔率最小。结果表明, 采用背部保护气垫块可以有效抑制气孔。

综述了飞秒激光直写光波导的加工过程和表征方法、可直写形成光波导的不同透明光学材料以及直写光波导应用的进展。总结了飞秒激光直写引起的折射率变化与材料有关, 同时还依赖于加工的脉冲能量、脉冲宽度、偏振以及扫描速度等。指出飞秒激光微加工在光子器件领域的有很好的应用前景。

为了研究铬原子在激光冷却场中的3维表现形式, 分析和探讨了铬原子与激光冷却场的相互作用过程, 并基于半经典理论的多普勒力和偏振梯度冷却力的3维特性, 采用4阶龙格-库塔算法模拟铬原子的3维运动轨迹, 同时得到了铬原子的3维落点分布状态, 当铬原子束经过激光冷却场后, 其发散角变小, 速率降低。结果表明, 铬原子3维仿真结果与2维情况下的铬原子分布相吻合, 并且能提供更全面和丰富的冷却信息。

为了实现外螺纹的高效测量, 采用理论分析与实验验证对垂直投影测量方法进行了研究。解释了垂直投影测量法在外螺纹牙形测量过程中出现的牙形失真现象, 分析了牙形失真现象的产生原因和发生条件, 分别给出了普通三角螺纹和梯形螺纹牙形失真发生条件, 证明了采用垂直测量法进行普通三角螺纹测量不会发生牙形失真现象, 而梯形螺纹会发生牙形失真。通过用工具显微镜和影像测量仪对普通三角螺纹与梯形螺纹测量数据进行了对比。结果表明, 普通三角螺纹和管螺纹可适用垂直投影测量方法测量, 而梯形螺纹采用该方法测量会有较大的测量误差。这一结果对利用垂直投影测量方法实现外螺纹高效测量是有帮助的。

微小转角的精密测量在工程应用中具有重要的意义。为了更精确地测量微小角度, 采用一种数字全息、干涉计量2次曝光法和图像处理测量微小转角的方法, 进行了理论分析和实验验证, 利用该方法测量了钢丝的杨氏模量, 取得了误差仅为1.1%的数据。结果表明, 此方法精度高、可操作性强, 具有广泛的实际应用价值。这一结果对今后设计更完善的测角仪是有帮助的。

为了研究双块磷酸氧钛钾(KTiOPO4,KTP)晶体串接倍频对于提高绿光倍频激光器的转换效率的作用, 采用长度分别为6mm, 8mm和15mm的3块KTP晶体两两串接组合进行了实验验证, 绘制了单块晶体倍频和双块晶体串接倍频时的转换效率曲线, 并对其进行了比较分析。结果表明, 基频光功率密度从520MW/cm2到750MW/cm2时, 双块KTP晶体正交串接倍频不仅比双块KTP晶体平行串接倍频的转换效率高近10%, 而且比长度是两块晶体之和的单块长KTP晶体的倍频转换效率高近30%。这一实验结果对于提高绿光倍频激光器的转换效率有一定的意义。

为了获得更高的测量解析度, 采用低同调光源和迈克尔逊干涉仪为主要结构, 结合差动放大器与高倍显微物镜测量发展了一套类比式相位差低同调光学反射系统。该系统其利用类似平衡检测的结构可获得高信噪比和高灵敏度的测量能力; 使用频宽为100MHz的差动放大器, 可得到高时间-频宽乘积的测量, 能在表面形貌和移动速率测量上达到更高的灵敏度。结果表明, 该系统使用了频宽较窄的超发光二极管与高数值孔径的显微物镜进行局域测量, 使其具有相同的局域定位效果。

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响, 基于标量光学理论, 采用数值计算对直边衍射情况下高斯激光驻波场特性进行了仿真。结果表明, 高斯激光的直边衍射效应会呈现与平面光波相似的强度振荡现象, 两者直边衍射后的第1个强度突变分别为中轴线强度的1.18倍和1.37倍; 随着束腰的增大, 高斯激光的衍射越接近平面波; 中轴线和基片表面距离会影响高斯激光截面进入直边几何阴影之外的大小; 直边衍射后入射波和其经过反射镜作用的反射波相遇叠加在光轴方向上会形成稳定的驻波; 这种驻波的强度在垂直光轴截面上呈现一定的衍射特性。该研究有利于理解直边衍射时高斯驻波场形成的实质; 并可通过适当的激光参量来调整实验激光驻波场结构。

为了探索激光冲击20CrNiMo钢表面微造型摩擦学性能, 从表层微观结构和表面宏观形貌两个角度, 研究了激光冲击强化的方法对20CrNiMo钢表面摩擦磨损性能的影响。采用激光以不同搭接率搭接冲击20CrNiMo钢, 用透射电子显微镜观察激光搭接冲击20CrNiMo钢试样表层微观组织结构, 取得了试样表层晶粒状态的照片; 采用CETR UMT摩擦磨损试验机对其进行摩擦磨损试验, 取得了试样表面摩擦系数和磨损量的数据。结果表明, 激光冲击强化作用可以导致20CrNiM

为了解决利用传统传输矩阵法计算在各向异性材料结构中任意极化态电磁波传播遇到的困难, 设计含磁光材料缺陷层的1维光子晶体。通过把入射电磁波按左旋圆偏振和右旋圆偏振进行正交分解的方法, 推导出适合各向异性材料和任意极化态入射电磁波的传输矩阵算法。结果表明, 该算法可以确定1维层状结构透射波和反射波偏振态的变化。

为了得到一种高性能的S+C+L波段的超带宽光纤光源, 采用一种新型的混合掺杂的光纤作为传输媒质, 通过用激光二极管作为抽运源抽运掺铒光纤和掺铥光纤, 用两个3dB宽带耦合器作为光纤反射镜, 同时利用功率控制电路让光源输出光稳定, 对设计的光源进行了实验和理论验证, 得到了总功率为28mW、带宽1460nm~1610nm的S+C+L波段的超带宽光纤光源。结果表明, 光纤环形镜的使用, 不仅改善了光源的平坦度, 并且大大提高了光光转换效率。

为了实现全光逻辑的仿真运算, 基于Simulink模块可视化的特点, 根据线性光放大器交叉增益调制原理的理论模型, 采用模块搭建的方法, 实现了全光逻辑“或非”的运算。结果表明, 通过Simulink的模块搭建, 使其更好地仿真出逻辑“或非”输出结果; 适当地选择注入电流组合, 逻辑或非的运算效果越佳; 由于模块化的结构容易进行修改和扩充, 通过模块搭建用于更多的逻辑运算也是可行的。

为了研究脉冲激光辐照金属材料时温度场的变化, 采用有限元模拟软件对激光辐照材料的过程进行了模拟。得到了激光辐照过程中, 材料表层及内部的瞬态温度场的变化情况。结果表明, 在脉冲激光辐照金属材料过程中, 激光热作用时间很短,热影响区仅限于激光光斑作用区域的材料表层。

为了研究激光准直场作用下原子束的空间分布状态对纳米光栅沉积制作的影响, 基于半经典理论, 分析了1维光学粘胶对中性铬原子的作用力特性, 利用4阶龙格-库塔数值积分算法对不同激光场强度、不同激光失谐量、不同激光场范围条件下中性铬原子束的空间分布进行了仿真分析。由仿真结果可知, 随着激光场强度的增加, 原子束的分布向中心区域集中, 由于受饱和效应的影响, 该种集中的趋势随激光强度的增加而逐渐变缓; 同时, 当激光失谐量等于原子线宽的一半时, 原子束的空间分布最窄。当激光功率为40mW、且失谐量为-2.5MHz时, 铬原子束经过1维光学粘胶作用后其空间分布的半峰全宽被压缩为作用前的0.43倍, 而原子束密度分布中心值也增大为作用前的1.79倍。结果表明, 利用激光准直场的作用可实现原子束空间分布的改善, 有利于后续的原子沉积以实现纳米光栅的制作。

为了在差频过程中得到较高的转换效率, 利用铌酸锂晶体的电光效应来改变晶体的折射率, 进而在非线性过程中调整位相失配量来实现差频转换效率的调制, 模拟了外加电场对差频转换效率的影响。结果表明, 利用铌酸锂晶体的电光效应, 可以在任意给定抽运光强的情况下, 获得较高的差频转换效率。这一结果对于获得新的中红外光源是非常有益的。

为了研究在激光驱动的等离子体尾场中被加速电子的动力学, 采用数值模拟方法得到了非对称脉冲驱动的尾波场中被加速的电子的运动相图、密度分布及势能。结果表明, 非对称激光脉冲驱动尾场中电子得到很高的能量。在非对称激光脉冲驱动的激光尾场中, 为了有效地加速电子, 要选择恰当的上升激光脉冲长度和下降激光脉冲长度。

为了实现对激光制导**半实物仿真系统中能量的精确控制, 采用理论分析和工程实践相结合的方法, 设计了能量仿真系统, 对能量衰减模型及系统设计方案进行了研究, 对其中激光生成子系统和能量衰减子系统进行了优化设计, 并利用E1000激光能量计对设计的系统进行了标定。结果表明, 该系统在不同频率下生成的能量稳定在40mJ左右,可变衰减比范围优于47dB。该系统的实时性和精度均满足半实物仿真中激光能量模拟的要求, 且稳定可靠。