针对体硅的加工应用, 开展皮秒紫外激光三维刻蚀单晶硅工艺研究。通过工艺实验, 得出在激光脉冲能量6 μJ, 固定XY点间距4 μm, 在单晶硅上刻蚀600 μm×600 μm方槽, 单次去除的深度在1 μm, 单次加工用时0.5 s, 加工的侧壁在14°, 可以获得较好的200 μm深度的三维结构。 皮秒紫外激光体硅加工在工艺流程上更为简洁, 加工效率高, 对环境污染小, 设备成本小。

利用脉冲光纤激光对金属表面放射性物质去污工艺进行了实验研究, 分析了去污工艺实验中若干关键因素对去污深度及粗糙度的影响。研究发现, 激光脉冲宽度与单次去除深度及底纹粗糙度成正比, 扫描路径主要影响去除效率和底纹的粗糙度, 氮气作为辅助气体不能有效加深去污深度和改善底纹粗糙度, 在多次扫描去污时, 去污深度与扫描次数和去污区域大小有关, 在去污区域为5 mm×5 mm时, 去污深度与扫描次数成指数增长, 在去污区域为50 mm×50 mm时, 去污深度与扫描次数近似成倍数增长。

以激光引信小型化背景为基础, 对脉冲激光电磁辐射干扰问题进行了研究。结果表明, 通过研究小型化脉冲激光电磁辐射的接收模块、脉冲激光引信发射的工作机理, 从而得到其辐射、传导和在此过程中所产生的干扰机制原理。对于脉冲激光电磁辐射的发射和接收模块中, 由于会受到干扰的影响, 因而采用重屏蔽措施保证信号不受到影响, 通过研究分析显示, 当使用厚度为1.55×10-3 m的钢板材料作为屏蔽材料的时候, 可以得到较为理想的屏蔽状态。针对于小型化的脉冲激光电磁辐射发射模块负载变化波动加大、接受模块的电源电压电流变化剧烈从而导致传导干扰的产生和共差模干扰的产生, 同时还可以增加线性阻抗缓冲网络、稳定网络和共差模合成的扼流圈滤波器的方式来降低干扰的影响。仿真分析发射系统屏蔽前后电磁辐射, 结果表明, 使用前后, 缓冲网络实测MOS管控制端电压, 在缓冲网络加入后, 下降沿为110.3 ns, 上升沿为90.1 ns, 和仿真结果较好符合, 引信系统中具有较好的抗干扰效果, 传导干扰得到控制。

对高层建筑用316L不锈钢表面激光辐照SiC颗粒进行激光辐照, 并展开相关的实验测试分析。研究结果表明: 经过激光辐照处理后, 试样的粒径发生了显著增大的现象, 部分颗粒产生团聚。随着激光能量密度上升至 8 kJ/cm2之后, 在块状表面形成了放射状的能量分布状态, 同时在原位形成了众多颗粒。6~8 kJ/cm2的激光能量密度时SiC 颗粒表面形成了众多细线状产物。随着激光能量密度到达4 kJ/cm2时试样形成了非晶结构, 组织粒径尺寸约为10 nm。当激光能量 密度达到6 kJ/cm2与8 kJ/cm2时形成了许多纳米线, 粒径介于 5~10 nm之间。经过激光辐照处理后, 试样内形成了 α-SiC以及部分 C 元素。

将GALIL运动控制卡应用于高速精密激光切割控制系统中, 并对其在陶瓷切割中的应用进行了研究, 结果表明, 高精密激光控制系统误差主要来源包括拐角速度规划误差、直线替代曲线插补弓高误差、控制系统自身误差。控制系统主要通过弓高误差对加工精度进行衡量, 速度规划和直线代替曲线插补引入两类误差的合成就是实际加工误差。圆上出现波浪形是因引入拐角速度规划造成的。在圆的直径大于1 mm时, 其多数相对误差低于0.5%, 因而可将精度量级推算出, 为10 mm。圆的直径与其拐弯时间具有正相关关系, 即当改变圆的直径时, 拐弯时间也会随着圆直径的增大而增大, 而不断的增加圆的直径, 波浪也就越明显。而当插补步长的值为定值的时候, 曲率半径越小弓高误差较大。与大圆弓高误差相比, 小圆弓高误差要比较明显。

在采用线结构光模式进行非接触式测量中, 光条纹中心能否精确提取将直接影响视觉检测系统的精度。当激光条纹宽度变化、灰度分布不均匀时, 一般算法提取出的中心点波动性较大, 对此提出了一种激光条纹中心自适应提取的优化算法。该算法首先确定图像的光条纹区域, 并通过边界检测计算光条各截面宽度, 然后采用自适应宽度的二次加权灰度重心法求取光条中心, 再根据斜率阈值对提取出的中心点进行均值优化, 最终获得精确的亚像素级光条中心坐标。实验结果表明, 与传统算法相比, 该优化算法明显提高了光条中心提取的精确性和稳定性, 中心点坐标的均方差仅为0.1pixel。

研制了一款模块化便携式的激光诱导荧光的检测仪。本检测仪以光纤耦合的稳谱405 nm LD激光器作为激发光源, 以改进的共聚焦光学结构的荧光探头作为荧光的收集模块, 微型光栅光谱仪作为荧光光谱分析模块。该检测仪采用模块化结构, 具有体积小、成本低、灵敏度高 、易操作等特点。 以荧光素钠为测试样品, 对仪器进行了评估。水的拉曼S/N值为935.67, 检测仪的最低检出限为1.9×10-11 g/L; 溶液浓度在10-10到10-12 g/L的范围内, 荧光强度的线性相关系数达到0.999 8, 线性范围超过3个数量级; 重复性测试中, 荧光峰值强度的相对标准偏差为RSD=3.36%, 荧光波长相对标准偏差RSD=0.14%。结果表明该检测仪具有灵敏度高、重复性好、线性范围宽等特点, 满足现场物品的实时快速检测需求。

碳纤维复合材料(CFRP)是由碳纤维和基体组成的二相或多相结构, 具有非均质和各向异性, 且碳纤维的硬度很高, 采用传统的机械加工方式易出现如刀具磨损、复合材料分层、纤维破碎及加工后性能变差等问题。使用激光加工可以克服其技术方面所面临的各种困难, 但由于CFRP中碳纤维增强体在热膨胀系数、气化温度等热力学性能方面与基体存在相当大差异, 激光加工过程中易出现热影响区、纤维拔出、复合材料分层、纤维末端膨胀等热损伤缺陷, 严重影响CFRP的静态强度, 导致激光加工CFRP面临巨大挑战。综述了国内外降低激光加工碳纤维复合材料的研究现状, 通过采用短脉冲、短波长、重复频率高的激光光源, 以及提高加工速度、改进加工路径、一定压力的吹气等多种方法降低激光与材料的作用时间, 从而减少热效应。

现代激光焊接加工工艺具有焊接速度快、焊缝强度高等优点, 但伴随而来的各种缺陷也成为限制激光焊接进一步提高的“瓶颈”。通过综述焊缝缺陷的形成机理介绍了焊接过程中物理现象、采集信号与焊接质量之间的关系, 随后综述了不同传感技术的研究现状及发展趋势, 分析了其各自的特点。最后, 明晰了激光焊接过程质量评价方面需要进一步研究的内容。

针对当今颈椎病高发及发病年轻化的现状, 根据在中医学领域人体结构中, 颈部有很多穴位, 对不同的穴位进行针灸会有不同的效果。依据中医辩证诊疗思想, 从穴位治疗角度研究及治疗肩颈部疾病这一种公认的治疗方法。结合目前市场上出现了很多针对特定穴位激光医疗保健的产品, 对激光保健的原理、作用机理、设备参数的发展历程及研究进展进行了综述, 并展望了一种足以方便普通大众足不出户也能享受医疗保健的便携式U型多穴位立体激光颈枕结构设计。

红外预解离光谱仪用于单一气相离子性质的检测, 其相比普通的红外光谱仪灵敏度更高, 波数范围更广, 配合飞行时间质谱, 对于气相团簇离子振动信息的研究具有重要的实验价值。本文要介绍的仪器装置的主要用途是由离子源产生团簇离子, 并通过飞行时间质谱和红外预解离光谱数据对离子振动结构进行检测。团簇离子由离子源产生并经过双场加速和质量选择和单场减速得到目标离子, 经过红外预解离激光照射解离, 再由双场加速得到第二次飞行时间质谱, 通过不同波数的质谱解离信息最终得到红外预解离光谱。本论文的主要内容是对这套仪器装置中的可谐调红外激光进行介绍, 对于仪器装置中用到的激光将会从仪器的整体配置及各部分装置的目的、原理、性能、实验参数设置等方面进行详细地介绍。

光动力疗法(PDT)因其创伤小, 选择性强且同时保持对肿瘤的治疗疗效, 受到了越来越广泛的社会关注, 已经成为治疗体表、消化道、泌尿道等部位浅表肿瘤的方法之一。它通过使光敏剂被选择性的吸收后, 用一定波长的可见光照射病灶部位, 引发活性氧蓄积, 从而杀灭肿瘤细胞。自噬在细胞营养缺乏或应激状况下被激活, 通过降解胞内大分子物质或细胞器, 促进细胞生存或死亡。自噬在PDT早期即被激活, 起到保护细胞或促进细胞死亡的作用, 但其确切机制并不十分清楚。本文就PDT激活自噬的途径, 以及自噬在保护或杀灭肿瘤细胞中的作用进行综述。

目的: 观察CO2点阵激光联合硅酮凝胶敷料治疗剖宫产皮肤瘢痕的临床疗效及不良反应。方法: 回顾分析2018年3月至2019年6月我院剖宫产皮肤瘢痕患者108例, 按照治疗方法分为激光组(n＝33, CO2点阵激光治疗)、硅酮组(n＝38, 硅酮凝胶敷料治疗)及联合组(n＝36, CO2点阵激光联合硅酮凝胶敷料治疗)。观察三组治疗前后温哥华瘢痕量表(VSS)评分、视觉模拟评分(VAS)、瘙痒评分, 比较三组患者满意度、治疗总显效率、治疗总有效率及不良反应发生情况。结果: ①三组治疗前VSS评分、 VAS评分、瘙痒评分无统计学差异(P＞0.05)。三组治疗后VSS评分、VAS评分瘙痒评分均有明显下降(P＜0.05), 但联合组下降幅度高于激光组和硅酮组(P＜0.05), 此外联合组患者满意度也高于激光组和硅酮组(P＜0.05)。②联合组治疗总显效率为63.9%, 高于激光组的39.4%和硅酮组的39.5%(P＜0.05); 联合组治疗总有效率为86.1%, 高于激光组的63.6%和硅酮组的65.8%(P＜0.05)。③联合组不良反应发生率显著低于激光组和硅酮组(P＜0.05)。结论: CO2点阵激光与硅酮凝胶敷料联合应用治疗剖宫产皮肤瘢痕的临床疗效优于CO2 点阵激光或硅酮凝胶敷料单用, 且不良反应较少。

镍铁合金具有耐腐蚀、耐高温等优良性能, 逐渐成为一种极具发展潜力的高温结构材料。针对镍铁合金在激光熔覆时易出现裂纹等缺陷, 研究了质量比mIN625/m304L=1∶3的镍铁合金未出现缺陷的激光熔覆工艺参数。通过光学显微镜和扫描电子显微镜对单道、横向搭接和纵向搭接的宏观形貌进行了观察。结果表明, 单道中不存在缺陷, 横向搭接中存在裂纹和熔道波动, 纵向搭接中存在熔道倾斜; 以单道、横向搭接和纵向搭接中存在的缺陷为筛选条件, 优选出了镍铁合金激光熔覆无缺陷的激光功率为0.6 kW, 扫描速度为6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s。

为解决编程繁琐性, 实现编程的自适应性, 得到较为理想的平面熔覆质量, 建立了送粉式平面激光熔覆搭接模型, 由单道熔覆线熔宽W=1.95 mm, 熔高H=0.64 mm, 计算得到了搭接轨迹中心距C=1.42 mm, 通过Simplify3D软件生成填充挤出线宽度k=100%与80%两种NC轨迹代码。采用侧向送粉方式, 进行316L金属粉末激光熔覆试验, 分析了熔覆层搭接形貌、微观组织及沿熔深方向上的显微硬度变化规律。试验表明: 填充挤出线宽度k=80%相比k=100%时平整度有所改善, 表现在凹坑的深度明显变浅、敞口宽度变窄; 熔覆层与基体为冶金结合, 无气孔产生, 熔覆层组织表现为枝晶、等轴细晶、平面晶; 熔覆层顶部到基体显微硬度大致呈现先增大后降低至基本趋于平稳的趋势, 其中最大硬度值为423.4 HV, 测量得到熔覆层组织硬度大约是基体的1.5~2.4倍。

本研究为了提高截齿的性能, 延长截齿的使用寿命。本实验使用大功率宽带半导体激光设备, 在42CrMo基材上制备了超硬复合材料, 获得了与基材紧密结合的高硬度, 高耐磨性熔覆层。研究结果表明: 熔覆层的硬度可达到855.6 HV0.3, 将基体硬度提高了3.45倍; 在基体的热影响区, 部分基体硬度可达到550 HV0.3; 熔覆层的摩擦系数与失重量均比基体的摩擦系数与失重量小, 提高了截齿的抗磨损性能; 熔覆层厚度可以达到1 351 μm; 当功率为3 500 W时, WC开始大量的熔解, 并与其他的元素相结合, 形成树枝状、块状的共晶物, 其成分主要是由Fe、Co、Cr、W等元素组成; 熔覆层中不同梯度元素含量的变化导致熔覆层各个梯度的性能出现差异, Fe、Cr、Si、W元素的改变是影响熔覆层中硬度变化的内在因素; WC颗粒周围存在微小的树枝状晶体, 有利于防止WC颗粒的脱落, 提高熔覆层耐磨性及硬度; 铁基碳化物涂层能够增强截齿性能, 减少截齿在应用过程中损伤, 延长截齿的使用寿命。

用同步送粉的方式进行青铜母材表面激光熔覆625和1 025-40两种镍基合金粉末的试验。分别用不同激光熔覆参数和不同熔覆材料进行熔覆试验, 通过对熔覆层形貌、裂纹、显微组织、硬度的测试, 评价青铜表面不同熔覆材料和不同激光工艺参数对熔覆层性能的影响。通过熔覆层组织、硬度的测试和渗透探伤, 得到不同激光工艺参数和熔覆材料系对熔覆层组织性能的影响效果, 并对不同激光熔覆工艺参数下熔覆层的宏观和微观质量进行对比分析。获得了青铜母材表面激光熔覆625最佳激光熔覆工艺参数, 即在激光功率为2 000W, 光斑直径为38 mm, 扫描速度为550 mm/s的工艺条件下, 得到的熔覆层表面平整, 组织均匀, 显微硬度高, 稀释率小, 与母材实现良好的冶金结合。

表面织构技术作为一种能够有效改善摩擦副摩擦学性能的表面改性手段逐渐成为国内外最具潜力的研究方向之一。本文以槽状织构形貌为研究对象, 研究了运动角度对织构表面干摩擦性能的影响, 并深入分析了织构运动角度对摩擦副干摩擦性能的影响机理。研究发现, 在面积占比17%条件下, 当运动角度大于45°时表面织构具有减磨作用, 且运动角度为60°时减磨效果最佳, 织构化摩擦副中的对磨球磨损量均高于无织构摩擦副。

激光直接金属沉积(Direct Metal Deposition, DMD)作为一种典型的增材制造方式通过利用激光作为热源逐层沉积金属粉末来制造三维零件。然而成型过程中的不稳定因素较多尤其是熔池温度、冷却速率等, 这些最终将导致成形件较低的宏观尺寸精度以及不均一的微观显微组织等进而严重影响零件使用性能。通过选用薄厚特殊基板, 利用比色高温计实时监测熔池温度作为闭环反馈信号, 通过建立基于PID控制算法的在线控制系统实时调节激光功率使得沉积过程中的熔池温度控制稳定, 并利用另外两台比色高温计定点逐层监测沉积层两端热历史并计算冷却速率。开闭环实验对比表明熔池温度稳定条件下层厚标准差降低了62%, 各位置晶粒表征参数标准差均得到降低。

通过大量实验获得SUS201不锈钢高功率激光焊接完全熔透、大离焦、高速三种工况下典型接头形貌。利用GG17玻璃与SUS201不锈钢板拼合, 结合高速摄像机, 搭建了观测平台, 实现了对焊缝熔池小孔的直接观察。通过对三种工况下匙孔的动态观察, 发现熔池匙孔形态与焊缝形态高度相关。完全熔透工况下匙孔最为稳定, 为中厚板高功率激光焊接过程中较为难得的“准稳态”工况。拉伸测试表明该工况下焊缝力学性能最为优异。

基于激光穿透焊的工艺特性和热源特点, 建立了新型的高斯面热源+三维锥体热源的组合式热源模型。先采用正交试验法探索五个模型参数对焊缝熔深和熔宽的影响, 筛选出权重比较大的f1、ze、re三个参数。然后, 基于Weldox960钢激光焊接试验结果, 用模式搜索法对混合热源模型进行了反演计算, 将反演后获得的模型参数带入模型进行熔池温度场的模拟。结果表明, 计算结果与试验结果吻合度非常好, 证明高斯面热源和三维锥体热源的混合热源能够有效的模拟激光焊过程中的热流分布。另外, 还发现相比于离焦量而言, 三个模型参数和功率的关系比较明显。

黄铜与不锈钢材料在物理性能以及化学成分上有较大差异, 这种异种金属的焊接存在较大难题。文中采用脉冲宽度为纳秒级的光纤激光器对黄铜与不锈钢进行搭接焊接实验。通过激光平均功率、脉冲宽度、焊接速度进行三因素三水平正交实验, 得到最大的焊接接头拉力89 N。对焊缝进行切片分析, 结果表明焊缝内部无气孔, 上层黄铜材料进入下层不锈钢材料内部, 黄铜与不锈钢材料形成了较好的混合接头, 有利于提高焊缝接头强度。

为实现10 mm厚304不锈钢板的单道焊接成型, 采用10 kW碟片激光与MIG电弧复合的方法进行焊接, 分析了焊接速度对焊接接头成型的影响。结果表明, 焊接过程中存在的主要缺陷为底部驼峰, 焊接速度过小或者过大都会产生底部驼峰, 当焊接速度为2.4 m/min时, 焊缝底部平滑且连续, 焊缝成形良好。组织分析表明焊缝组织为奥氏体基体和3%~5%的铁素体, 铁素体形态为大量板条状与少量骨架状, 熔合区较窄, 约15 μm~25 μm; 拉伸结果表明焊接接头的力学性能低于母材, 焊接头的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为711 MPa、321 MPa、54%, 达到母材的92.7%、95.8%、88.5%。

针对电池集流片与壳体焊接强度低, 焊接后有电池液渗漏的问题, 采用纳秒激光进行激光焊接实验解决这些问题。通过对激光焊接工艺参数进行优化, 分别对激光功率、脉冲宽度、频率进行以及焊接正交试验, 然后对焊接速度进行单因素实验, 当激光平均功率为50 W、脉冲宽度40 mm/s、频率为400 Hz、焊接速度120 mm/s时, 焊点拉力达到38 N。进一步盐雾实验结果表明, 焊缝背面未发生腐蚀现象, 且无电池液泄露的现象发生, 满足实际生产要求。

飞秒激光加工技术是一种新型的材料微加工技术, 该技术在航空航天、生物医疗、电子制造等领域有广泛的应用前景。飞秒激光微孔加工技术可以用于航空发动机气膜冷却孔和无痛注射微针等的加工。但是加工质量和效率是制约该技术广泛应用的主要因素。实验研究了Burst模式和单脉冲模式条件下、不同脉冲能量时的微孔加工效果, 并观察了孔的微观形貌。结果表明, 增加能量对提高孔的大小和深度有利, 但不利于提高孔的圆度; 相比单脉冲模式, Burst模式下, 增加Burst内脉冲数, 孔变小变浅, 且圆度变差; 孔内壁上有出现亚微米波纹结构, 波纹上有纳米颗粒, 而孔口边缘出现烧蚀沉积。

为探究光斑图像在飞秒激光加工过程中的实际意义, 采集等离子体光斑图像并对图像的深度进行提取及分析。本文提出了一种基于图像序列的焦点深度提取(Depth Extraction from Focus Sequence)的方法, 可以有效地解决图像的特征点提取与匹配的问题, 得到更加精确的深度信息。首先, 采用主成分分析(PCA)方法和高通滤波结合的方法对输入的序列图像进行预处理。其次, 各向异性热扩散算法来增强空间频率特征, 增加光斑图像与背景区域的灰度反差值, 得到完整的光斑图像, 并对获得的图像进行像素提取, 选择其中级别最好的像素。然后用矩形中值滤波器过滤光斑的像素图像, 得到更加平滑, 噪声更少的图像。最后, 提取图像的深度信息, 并与传统方法得到的结果进行对比分析, 证实此方法优于传统的图片深度的提取方法, 提高了光斑三维形貌精度, 光斑能级层数得到了细化, 能级层数比传统方法增加了125%。

采用波长355 nm的纳秒激光对316L不锈钢进行表面微纳加工, 研究了微米级沟槽的尺寸控制、紫外激光加工热影响及改善加工质量的方法。结果表明, 选择合理的搭接间距、通过控制搭接个数和扫描次数可以实现微槽尺寸的精确控制。紫外激光加工金属的热影响很小, 不存在明显热扩散, 近加工区组织稳定。大气中紫外激光加工存在氧化, 氧化程度随着扫描次数的增大非线性提高, 且激光光束扫描边缘区域氧化程度高于中心区域。加工表面呈典型的液化喷溅形貌, 未加工表面容易附着熔化飞溅残渣。涂料、吹氮和酸洗可以去除附着在未加工区域的氧化飞溅物, 吹氮和酸洗还能去除加工区的溅落物, 并且降低表面氧化。