对载气式激光金属直接制造中承载粉末的载气参数进行了实验研究,用316L不锈钢粉末进行了不同载气流量的薄壁零件的成型试验。实验结果表明,在送粉量一定时,随载气流量增大,薄壁零件的表面成形质量先增大后减小。通过选择适当的载气流量能够制造出薄壁零件顶端表面平整程度达到53.7μm,对于提高薄壁零件表面的成形精度具有指导意义。

针对激光制造过程中的高温金属熔池光谱特征分析,提出采用CCD光栅检测光谱技术检测其分布。检测了钨灯、钠灯、氘灯和汞灯的光谱曲线,得到了其在对应特征波长处光强随波长的分布,根据检测结果对系统进行了波长校准。结果表明,系统有比较高的波长准确度,对连续光谱、线光谱均能实现较稳定的检测。结合激光制造的实际情况,避开强激光反射的影响,该系统将能用于激光制造过程中的熔池光谱检测,为进一步分析激光熔池动态信息提供新的技术手段。

对激光熔覆涂层过程中,激光能量问题以及动态熔池的对流变化和温度场分布进行了分析,重点研究了反应放热激光熔覆的熔池特点。普通激光熔覆由于存在激光能量问题,不易得到较厚涂层。反应放热制备激光涂层时,材料在熔池中发生反应,放出大量热量,可以补充所需的能量,有利于熔化较厚的预涂层。并且,反应放热生成的增强相性能优良,是进行激光熔覆涂层的优选方法。在钛合金表面上,通过NiCrBSi和NiCrBSi+5wt.%B4C两种材料体系的激光熔覆试验,验证了反应放热制备激光涂层的优越性。

采用IPG YLR-6000光纤激光器对宝钢生产的汽车用700MPa高强钢板进行了焊接试验,并对焊接样品的焊接区和母材进行显微组织分析,结果表明焊接区域经过激光快热快冷后形成均匀细小的等轴晶,平均晶粒尺寸较母材细小。对焊接后样品进行力学性能测试,试样的断裂位置为母材,表明焊接对母材的力学性能的影响不大,可以使用光纤激光实现车用高强钢的高质量焊接。

在激光打标系统中,通过以切弧过渡的形式处理激光标刻中空行程连接,采用标刻行程间最短距离切弧过渡,保证连接段长度最短。可确保激光束能在惯量的约束下以最大加减速度来生成插补点,降低整体标刻时间,提高标刻在尖点、拐点等起始处的标刻质量。最后在激光打标系统上的应用表明,运用该算法能够改善以前存在的工艺问题,提高实际标刻图案的质量和效率。

为解决传统人工股骨植入体个体匹配性差,结构强度与生物活性难统一等问题,提出了个性化股骨植入体的优化设计及制造方法。采用解剖学建模技术设计出外形匹配,内含三维网状构架的假体模型。利用316L不锈钢粉末结合选区激光熔化快速成型技术在含氧量小于0.15%的气氛下,完成实体制造。研究结果表明,该方法能快速而精确地制造出形状复杂的个性化人工股骨植入体。提出的优化结构的设计方法能使不锈钢植入体的质量减少65.5%,符合设计需求。表面质量较好,尺寸误差在±1mm以内,未经打磨表面粗糙度达到Ra30μm,硬度达到HRC32。

研究了激光－CO₂气保复合焊的稳定性问题。首先通过平均熔滴过渡时间t和表征熔滴波动的样本方差S两个统计量界定了焊接过程稳定性。其次在此基础上标定了焊接过程稳定区,通过分析得到了光丝间距为1mm时过程稳定的焊接参数范围最大。实验表明,在焊接过程不稳定时可通过调整电压1～2V改善工艺适应性。

为了探寻准分子激光电化学刻蚀硅工艺中的热－力效应特性,采用功率密度大的248nm准分子激光聚焦照射浸在KOH溶液中的n-Si表面,实现了一种激光电化学复合刻蚀工艺。通过数值仿真与实验比较的方法,对该工艺的刻蚀速率进行了分析。研究结果表明,该复合工艺存在激光直接刻蚀、电化学刻蚀和激光与电化学耦合刻蚀等三种刻蚀作用;在耦合作用中,溶液中激光加工的热效应较小,光热效应导致的刻蚀小;而溶液中激光加工的力学效应对材料的刻蚀作用很大。通过对准分子激光与溶液中靶材相互作用过程的热－力效应分析,更深入地探讨了准分子激光电化学工艺的刻蚀机理。

针对激光在中性盐溶液中对靶材的力学效应问题,基于压电加速度传感器测振原理,通过对悬臂梁不锈钢靶材振动测试与分析,得到毫秒级可见波长532nm、红外波长1064nm脉冲激光在中性盐溶液中对不锈钢靶材的冲击力。结果表明:中性盐溶液中的不锈钢靶材在激光作用下受到的冲击力达到10MPa数量级;红外激光对靶材的作用力随溶液中激光传输距离的增大而减小,而绿光激光对靶材的作用力在传输距离20mm内基本不变。

在不锈钢表面采用直接堆粉预置涂层方法制备激光熔覆层,得到消除了宏观裂纹和孔洞的熔覆层,熔覆层和基体呈冶金结合。其显微组织主要由Fe-Ni合金、WC及Fe2C所组成,由于WC颗粒的存在使显微硬度相对基体有显著提高。

在激光超声的研究中,基于得到的温度场分布,把温度场作为新的加载,用有限元结构分析法数值模拟了金属圆管中脉冲激光线源产生的热应力场情况,得到了铝管中周向不同时刻的瞬态应力场,分别给出了在激光作用过程中温度上升阶段和温度下降阶段的周向正应力的等值图分布情况。数值结果表明:周向拉应力最大值处在激光作用区域边缘处,压应力在材料表面激光作用区域中心最大。

采用YAG激光作为焊接热源,对3mm厚的奥氏体不锈钢板和直径6mm、壁厚0.4mm的不锈钢管单面激光焊接工艺进行了研究。实验结果表明:对焊面的打磨、抛光和紧密接触对防止焊缝中产生过多的气孔和提高焊缝的机械性能有重要作用;激光功率密度、焊接速度、脉冲宽度和脉冲频率四个参数是实现脉冲激光焊接的关键因素。经理论推导,确定了在脉冲激光最大平均输出功率300W、单脉冲能量60J、脉冲频率5Hz、焊接速度0.75mm/s的限定条件下,最佳工艺参数组合为脉冲宽度8ms和峰值功率7.5kW。与经钎焊所得焊缝质量相比,其抗剪切强度有明显提高。

用一维模型,计算了脉宽为5ns、5ps两种情形的脉冲激光作用下铝和不锈钢靶材中的强瞬态热传导问题。对每种情况,分别基于经典傅立叶热传导理论和非傅立叶热波理论来计算温度场的分布及变化,并将得到的数值结果进行比较。发现当激光脉宽为ns量级时,经典傅立叶热传导和非傅立叶热波两种理论所得的结果基本一致,热波效应可以忽略;当激光脉宽为ps量级时,非傅立叶理论计算结果与傅立叶热传导的结果分离,显示出明显的热波效应。

根据热传导方程,对侧面泵浦复合薄片新结构的热效应进行了分析,求解出侧面泵浦薄片晶体内的温度、应力以及等效热焦距,模拟分析了晶体厚度,边界条件等对晶体热效应的影响。对比分析了同等条件下非复合晶体和复合晶体的温度、应力及热焦距。计算和数值模拟表明:同等条件下复合后晶体中心到边缘的温差、应力和非复合时相比减少了近25％,等效热焦距增大到非复合时的2倍左右,为进一步优化激光器设计,补偿热效应提供了依据,为提高激光输出的稳定性奠定了理论基础。

为了解决半导体激光器侧面泵浦Nd:GdVO₄板条激光器热透镜效应问题,用解析分析的方法研究Nd:GdVO₄板条侧泵时产生的温升以及热形变分布情况。通过半导体激光器出射泵浦光光强、激光板条镀膜结构以及工作状态的分析,建立了侧泵板条热分析模型,依据侧泵板条内热功率分布特点,推导出一种新的各向异性热传导方程求解方法,得到了侧泵Nd:GdVO₄板条温度场以及热形变场的一般解析计算表达式。并就不同泵浦光斑对Nd:GdVO₄板条热效应的影响进行了定量分析。结果表明:当使用输出功率为80W的半导体激光器侧泵掺Nd3+浓度1.2atm.%的Nd:GdVO₄晶体时,泵浦面的最高温升为695.2 ℃,泵浦面与通光端面的最大热形变量分别为1.38μm和0.63μm。研究结果对于减小板条激光器热透镜效应影响、提高腔内振荡光的增益效率具有理论指导作用。

为了找出LD端面泵浦连续671nm激光器的最佳晶体组合方式,对激光晶体Nd:YVO4和Nd:GdVO₄,及倍频晶体LBO和BIBO的物理光学特性进行了理论分析,并在相同的直腔条件下,分别用这些激光晶体和倍频晶体进行不同的组合实验,实现连续红光输出,分析对比了它们的激光特性。结果表明使用Nd:YVO4和I类临界相位匹配LBO组合可获得更高的红光输出功率及更好的光束质量。

对940nm半导体激光器泵浦的掺镱双包层光纤激光器进行了实验研究。在双端泵浦下,采用两种不同的腔结构对光纤激光器的输出特性进行研究。以光纤两端面构成平-平(F-P)腔获得了总功率为10.1W的连续激光输出,斜效率达40.5％,输出激光的光谱范围为1092~1103nm;以二色镜和光纤反馈端面构成平-平腔,获得单端输出功率为6.42W的连续激光输出,输出激光的光谱范围为1091～1105nm,在此输出功率下测得功率不稳定度为1.6％(RMS)。

在高功率横流CO₂激光器上设计了一种新型激光谐振腔(平-锥腔),实验研究了其输出光束特性,并与平-凹腔的输出特性进行了比较。结果表明:在腔长3m,输出镜光阑直径φ30mm时,平-锥腔的输出光束模式为TEM30模,平－凹腔与平－锥腔的输出光束发散角分别为2.6mrad、2.1mrad,当输出镜失调1.4′时,光斑缺失率分别为16％、8％,当反射镜失调1.4′时,光斑缺失率分别为20％、5％,因此平－锥腔具有较高的抗失调稳定性,而且锥面全反镜的抗失调性能优于凹面全反镜。

针对传统纯硬件电路或单片机系统中参数适应性差和运算能力不够等问题,提出设计基于DSP的半导体激光器驱动系统,采用电路设计和程序算法设计相结合,对半导体激光器的工作状态进行实时监测,快速响应,提高了半导体激光器工作的稳定性和可靠性。系统集成度高、功耗小,具备防浪涌冲击和断电过流保护措施,输出电流在0～3A之间连续可调,电流稳定度达到10^-3级。

目的:观察强脉冲光短接触光动力疗法的临床疗效及安全性。方法: 选取12例轻中度痤疮患者进行临床观察,在应用氨基乙酰丙酸30分钟后应用强脉冲光治疗,观察治疗过程中及治疗结束后的副反应及疗效。结果: 经四次治疗后患者炎性皮疹明显减少,治疗区皮脂分泌量下降,皮肤含水量无明显改变,治疗中及治疗后未发生色沉等严重副反应。结论: 强脉冲光短接触光动力疗法是一种安全有效的痤疮治疗方案。

目的:观察应用Q开关755nm激光治疗雀斑及雀斑样痣的疗效。方法:采用Q开关755nm激光,能量密度为5~10J/cm2;频率5~10Hz;2~3mm光斑直径;Q开关532nm,能量密度2~4J/cm2;频率5~10Hz,2~3mm光斑直径激光对雀斑及雀斑样痣进行治疗,其中雀斑128例,经两次治疗,雀斑样痣32例经1~3次治疗,治疗间隔为3个月,结束治疗后随访24个月。结果:雀斑128例中2年后1例雀斑再生,术后无疤痕及色素脱失或色素沉着发生。结论:Q开关激光治疗雀斑及雀斑样痣疗效满意,是一种安全便捷的治疗方法。

目的:观察CO₂激光与Ho:YAG激光联合应用治疗头面部角化棘皮瘤的疗效。方法:对2001年1月~2007年12月收治的7例头面部角化棘皮瘤患者采用CO₂激光和Ho:YAG激光联合治疗,观察其临床效果。结果:7例患者1次治愈6例,1次治愈率85.7％;2次治愈1例,2次冶愈率14.3％;总有效率100％。术后外形恢复满意。结论:对于直径小于1.5cm的早期的头面部角化棘皮瘤患者,Ho:YAG激光与CO₂激光联合治疗术中出血少,治疗效果好。由于角化棘皮瘤迅速增长的性质及与鳞癌的不确定关系,我们认为头面部角化棘皮瘤应尽早干预,以取得良好的结果。