报道了全固态连续波488 nm蓝光激光器,蓝激光分别由Nd:YLF4(Nd:YLF)和Nd:YVO4晶体的1047和914 nm谱线非线性和频产生,实验中采用复合腔结构,利用LiB3O5(LBO)晶体I类临界相位进行腔内和频,当总注入抽运功率为32.2 W(注入到Nd:YLF晶体和Nd:YVO4晶体的抽运功率分别为13.4和18.8 W)时,获得650 mW的TEM00连续波488 nm蓝光激光输出。30 min功率不稳定度优于±2.8％。光束质量因子M2=1.3。

基于LAS-CAD软件,设计并优化出结构紧凑的激光二极管(LD)双端抽运声光调Q Nd:YVO4激光器。采用双凹折叠腔结构,808 nm光纤耦合输出LD双端面抽运Nd:YVO4激光晶体,腔长185 mm,耦合输出镜透射率为15%。在44 W抽运功率时,连续激光最高输出功率达到18.6 W,光-光转换效率为42.3%,斜率效率为47.8%,M2 因子约为1.5。在重复频率为100 kHz时,LD抽运功率为41 W,获得激光最大平均功率输出为11.3 W,光-光转换效率约为27.6%,相应单脉冲能量约为113 μJ,脉冲半峰全宽(FWHM)为25 ns,峰值功率为4.52 kW。

推导了双端抽运板条晶体内部温度场分布的解析公式,并分别对单一介质与复合介质内部温度梯度导致的波前畸变进行了数值研究。计算结果表明,单一介质与复合介质内部波前畸变的特征明显不同,单一介质内温度梯度导致的正透镜效应,增加“之”字形(zigzag)传输路径的周期可以减小波前畸变;复合介质内温度梯度可能导致正透镜效应,也可能导致负透镜效应,通过增加zigzag周期或者在特定的zigzag周期下选择合适的板条参数可以减小波前畸变。

报道了利用激光二极管(LD)端面抽运Nd:YVO4+KTP胶合晶体得到波长分别为532,537和542 nm激光输出的实验研究。通过调节晶体的角度,发现在KTP晶体中1064 nm倍频,1064与1084 nm和频,以及1084 nm倍频3个非线性频率转换过程同时存在。从非线性频率转换效率对基频光振荡的影响角度出发,讨论了1064 nm和1084 nm双波长振荡的条件,分析了激光器在不同抽运功率条件下3个输出波长功率变化的原因。

采用声光调Q 946 nm Nd:YAG固体激光器作抽运源,高掺杂单模掺镱光纤作增益介质,实现了980 nm的准连续掺镱光纤激光器。当重复频率为16 kHz时,脉冲宽度为10 ns,激光平均功率为73 mW,光谱带宽为4 nm。以此激光振荡器作为种子源,用长度为28 cm的单模掺镱光纤作为光纤放大器对种子光进行放大。获得了平均功率为167 mW的放大脉冲激光输出,峰值功率为700 W,脉冲宽度为15 ns。

提出一种偏振分离型的光纤布拉格光栅(FBG)双向滤波器,可用在光纤激光陀螺(FLG)中产生双向单纵模激光。滤波器中采用偏振分离的办法,使双向的激光在0.1 nm带宽的光纤布拉格光栅中保持偏振态相互垂直,在减少了双向能量耦合的同时,隔绝了残余的背向反射,之后导入偏振分束器(PBS)产生双向激光。经测试滤波器的插入损耗约为3 dB,背向散射损耗比大于35 dB,将滤波器接入环行腔中可得到波长1550 nm,功率一致的双向激光输出,用扫描环形腔检验两路均为单纵模,实现了双向滤波的效果。

研究了一台增益体积为2.48 L,采用pulser/sustainer放电技术激励的高功率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器采用普通平凹稳定腔输出或光栅谐振腔调谐输出。在20-40 kPa气压范围,10-50 μs放电脉冲宽度下,均获得均匀稳定的大体积辉光放电和大能量长脉冲激光输出。给出了激光器在不同脉冲宽度、不同气压下的典型放电电压、放电电流波形和详细的激光输出脉冲能量及电光转换效率数据;也给出了采用光栅谐振腔调谐输出时4条主要激光跃迁谱线的输出激光脉冲波形。工作在非调谐谐振腔和激光混合气气压30 kPa时,激光器以50.1 μs放电脉冲宽度工作,单脉冲输出激光能量11.1 J,相应脉冲功率达220 kW;以31.6 μs放电脉冲宽度150 Hz高重复频率工作输出平均功率达1.52 kW,相应平均脉冲能量10.0 J,脉冲功率超过300 kW。

利用波长可调制的1315 nm二极管激光增益测试系统,对基于HN3反应的D2-NF3-DCl燃烧驱动全气相碘激光进行了小信号增益测试,获得了3×10-5 cm-1的小信号增益,并获得了沿流动方向的小信号增益分布情况。正增益的获得,标志着D2-NF3-DCl燃烧驱动全气相碘激光取得了实质性的进展,但就目前的增益水平来讲,进行出光演示尚有一定的困难,需要针对小信号增益进行全面的参数优化,以获得尽可能大的增益信号,而HN3的大流量供给和超音速混合流场的优化是全气相碘激光获得较大增益的关键因素。

以半解析热分析理论为基础,研究了高斯分布激光二极管(LD)端面抽运背冷式微片Nd:YAG晶体热效应。通过分析高斯分布LD端面抽运背冷式微片Nd:YAG晶体工作特点建立热模型,并考虑空气传热系数对晶体温升的影响,利用狄尼级数对第三类热传导方程新的求解方法,得出了微片Nd:YAG晶体内部温度场。研究结果表明,当抽运总功率为24.2 kW时,在微片晶体端面抽运中心处获得70.17 ℃最高温升和0.836 μm最大热形变。所得结果为LD端面抽运背冷式微片激光器的优化设计提供了依据。

在激光器阵列的相干合成技术中,并联主振荡功率放大器(MOPA)方案最关键的技术是对相干合成中的光路进行相位探测与控制。采用外差法,通过实时探测和校正光路中相位的变化,能够确保输出光束相位一致。相位调制器采用液晶相位调制器,主振荡激光器的波长为532 nm,输出功率0-6 W连续可调。外差法系统的移频量为40 MHz ,相位控制精度优于λ/7。在闭环控制过程中,液晶相位控制器较好地实现了信号光路的相位控制。

和对称式光学系统比较,含有非球面透镜的光学系统能够实现一些特殊要求的变换。采用傍轴近似,用几何光学的方法分析了锥形透镜,得到了椭圆锥透镜透射函数的解析表达式。在此基础上进一步推广,得出了圆锥透镜和柱透镜的透射函数。利用以上结论构建了双柱透镜系统,用于实现变形分数变换。分数变换的可加性使得这一光学系统成为构建变形分数系统的基本单元,利用标量衍射理论,得到了该结构输出函数的解析式,并详细分析了结构参数对实现各种分数变换所需要满足的条件。

为了探测大气气溶胶1064 nm波长后向散射系数垂直廓线和大气水平能见度,研制了一台车载式1064 nm米氏散射激光雷达系统(MMSL)。介绍了该激光雷达系统的结构和技术指标,叙述了光学机械结构的设计与装校,解决了激光雷达系统结构的稳定性、激光发射光束与接收光学单元光轴的平行以及运输过程中的防振等问题。简要叙述了相关的数据处理方法,给出了该激光雷达与美国Belfort 6230A 能见度仪探测大气能见度的对比结果,两者具有较好的一致性。与较早前研制成功并已应用于常规观测的一台532 nm米氏散射激光雷达进行了大气后向散射系数的对比验证实验,两者的探测结果具有很好的相关性。结果表明,该激光雷达具有较高可靠性和准确性。

采用抽运探测光路,实验研究发现飞秒脉冲激光和连续激光在铬膜表面抽运激发后,当激光功率达到一定程度时,在探测光的透射方向看到了明显的中心暗斑衍射现象。而在没有抽运光激发时,这种暗斑衍射现象又消失。采用二元相位板的理论对这种可逆衍射现象进行了解释,发现低能量密度的飞秒脉冲激光会比高能量密度的连续激光诱导更大的相位变化。实验结果和理论分析均有助于理解弱飞秒脉冲激光及连续激光和铬膜的相互作用的机制。

为掌握光纤耦合输出半导体激光模块尾纤内的光场特性,进而提高光纤激光器的抽运效率,利用光线理论分析了弯曲光纤中的光线传输特性。结合不同光纤耦合输出半导体激光器的绕纤实验发现,相同标称出纤功率的光纤耦合输出半导体激光器尾纤内部光功率模式分布差异较大,通过相同弯曲半径绕纤后功率差达总功率15%以上。针对该问题提出了利用绕纤方式甄别光纤耦合输出半导体激光器光束质量的简便方法,以提高光纤激光器抽运效率及稳定性,同时也为光纤耦合输出半导体激光器耦合效果的测量提供了新的思路。

基于全息光学成像理论,提出了一种用于光纤耦合输出多波长激光的合束方法。该方法具有结构简单、合束效率高的特点。结合编程计算,设计了离轴型全息光学元件,给出了该元件的相位分布,并通过仿真软件Zemax和衍射的角谱理论对合束光束的发散角和光束质量进行了计算。结果表明,对635,808,975 nm 3种波长的光纤耦合输出激光进行合束,光束质量因子M2由23.5增加到47.9,理论效率95%。

利用德拜矢量积分理论,推导了部分偏振高斯光束经大数值孔径透镜聚焦的光场和光强表达式,并用数值计算分析了不同偏振度下高斯光束的大数值孔径聚焦特性。研究发现大数值孔径聚焦时,部分偏振高斯光束在焦平面的总光强及各分量光强分布随偏振度变化而变化。研究还表明,焦平面上的光强分布形状还与聚焦透镜的数值孔径角取值有关。因此通过控制入射光束偏振度和聚焦透镜数值孔径角的取值,可以改变部分偏振高斯光束经大数值孔径透镜的聚焦光场分布。

实验研究了一种基于单臂马赫-曾德尔强度调制器,并在基站利用光载波抑制技术产生40 GHz光载毫米波的全双工正交频分复用光纤无线通信(OFDM-ROF)系统。在下行链路中,2.5 Gb/s的OFDM信号与20 GHz的射频正弦波信号混频后,驱动强度调制器调制中心激光载波,经标准单模光纤(SSMF)传输至基站后接收;在上行链路中,通过波长重利用调制2.5 Gb/s的开关键控信号传输至中心站。实验结果表明,下行和上行分别经过50 km SSMF传输后功率代价分别小于1和0.5 dB。

针对脉冲位置调制(PPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM),以及定长数字脉冲间隔调制(FDPIM)等方法存在的问题,提出了一种新的双脉冲间隔调制(DP-PIM)。在给出其符号结构的基础上,分析了带宽需求、传输容量和平均发射功率,推导出了弱湍流信道下的误包率模型,并与PPM,DPIM,FDPIM和开关键控(OOK)调制等方法进行了比较。结果表明,DP-PIM不仅比FDPIM和PPM显著缩短了符号长度,提高了带宽效率和传输容量,而且与DPIM,双头脉冲间隔调制(DH-PIM)和双幅度脉冲间隔调制(DAPIM)一样具有内置符号同步能力,同时通过固定符号长度,克服了缓存器可能出现的冗位或溢位等问题,因而在无线光通信系统中将具有一定的应用前景。

主要解决空间激光通信精跟踪系统光斑实时检测与跟踪的问题。针对四像限探测器的特点,使用两级增益放大、数字信号处理(DSP)、振镜等系统,完成光斑实时检测与跟踪。对系统组成原理与设计原理进行了详细论证。搭建实验系统完成了相关实验。实验表明在入射光功率为1.3 μW时,四像限探测器可实现位置分辨率1.6 μm,角度分辨率0.8 μrad,在整个光敏面内具有80细分的能力,跟踪精度在1倍方差时为2.1 μrad。系统设计时以DSP作为数据处理与控制系统核心,具有体积小、参数修改方便和便于工程化等优点。

根据榕树网络的链路函数和连接规则,得到光信号变换矩阵,将光互连网络对信号的传输与处理,等效为对输入信号阵列的矩阵运算,建立输入/输出信号间的关系;同时,将二维榕树网络矩阵运算拓展和延伸到三维空间,对自由空间三维榕树网络的交换和信号处理进行矩阵运算等效,并最终实现光信号的路由判断和节点开关控制;从理论上解决了利用光互连网络的拓扑结构性质和节点开关状态的调整,实现可控的矩阵运算操作问题;为多端口大容量高速光互连网络的信号传输与交换、运算与处理、路由与控制等提供了一种有效的方法。

在无线光通信中,为了提高系统的性能,提出了一种新的定长双幅度数字脉冲间隔调制码分多址方式(FDAPIM-CDMA)。分析了采用光正交码时,它在多用户同步和理想异步干扰下的误码率(BER)特性,并给出了误码率上限和下限的数学表达式。研究了码长、码重、用户总数以及接收门限对系统性能的影响,并在相同情况下与开关键控码分多址(OOK-CDMA)系统的性能进行了比较。理论分析与仿真结果表明,FDAPIM-CDMA系统的误码率性能随码长的增大、用户数量的减少而提高。对于过长的码重,可通过增加接收门限值来降低误码率。当符号比特数大于等于6且门限值等于码重时,FDAPIM-CDMA的误码率上限和下限均比OOK-CDMA小,具有较强的抗多用户干扰能力。因此FDAPIM-CDMA可作为OOK-CDMA的一个有效的替代方式。

研究了IP over WDM网络中IP业务流量的突发性对底层光脉冲传输的影响。突发的IP业务流量使WDM网络中传输信号的信道数目服从泊松分布,在非线性薛定谔方程(NLSE)的基础上进行IP流量分析,通过数值计算,考查了IP业务流量对四波混频(FWM)和交叉相位调制(XPM)的综合影响,得到了不同输入光功率、不同流量负荷下的眼图。结果表明,40信道的WDM网络中,当输入信号光功率大于5 dBm时,IP流量负荷的改变将会对网络性能产生剧烈的影响。同时,通过公式计算出FWM功率、比特误码率与输入光功率、流量负荷、信道间隔的关系,突出强调了不同信道分布对探测信道FWM效应的不同影响。

利用微型机电系统(MEMS)加工工艺制备微悬臂梁,开发了一种由镀钯薄膜微悬臂梁和光纤布拉格光栅(FBG)组成的氢气敏光纤传感器,通过光栅波长的变化测量微悬臂梁吸收氢气时产生的位移,从而反映出环境中的氢浓度。应用弹性力学理论分析其工作原理,建立了传感器最大波长变化量与氢浓度关系的数学模型。结果表明,改变钯膜/硅悬臂梁厚度比可以提高传感器的灵敏度,厚度比为0.4时,传感器响应量最大。通过实验研究了传感器的氢响应特性,理论模型预测的最大波长变化量与实验结果十分吻合。

介绍了高品质因子(Q) 回音壁模式(WGM)SiO2光学微球腔和锥形光纤耦合器的制备方法。应用窄线宽(300 kHz) 单模NewFocus可调谐激光器(1520-1570 nm)作为激发光源,使用直径1.2 μm锥形光纤激发直径150 μm的SiO2微球腔的光学模式,得到了其形貌共振谱线。从微球腔的温度分布出发,结合SiO2材料的热膨胀以及热光效应折射率变化机理,分析了微球腔在高功率光激发下热效应引起的共振谱平移(2.5 GHz/℃)。实验表明,控制WGM 激发功率,可有效抑制微球腔的热效应,且易于实现稳定的高Ｑ模式。调整锥形光纤耦合激发角度,可以较好地抑制微球腔高阶模式,测得其共振谱线宽为22 MHz,对应的微球腔Q值为107。

在对白光干涉仪及白光干涉法偏振耦合(PC)测试原理进行分析的基础上,设计搭建基于白光干涉法的全保偏光纤结构的迈克耳孙(Michelson)干涉仪偏振耦合测试系统,实现对保偏光纤(PMF)偏振耦合的检测,并进行了单耦合点和多耦合点测试实验,耦合系数探测灵敏度可达70 dB,得到较好的实验结果,验证了白光光纤Michelson干涉法偏振耦合测试的可行性。最后,使用超辐射发光二极管(SLD)光源、放大自发辐射(ASE)光源和掺铒光纤放大器(EDFA)光源对小耦合系数的保偏光纤偏振的耦合系数进行测量,分别得到0.36%,1.8%和2.5%的测量误差,验证了系统的精确性。

在菲涅耳衍射区和夫琅禾费衍射区,分别利用输入面上的多个随机二元纯相位调制,获得多个输出面强度信息,在不需要输入面强度先验信息的基础上,基于迭代算法高精度重构了复杂光场的波前。讨论了菲涅耳衍射区和夫琅禾费衍射区各自特点和适用范围。

提出了一种在二步相移数字全息中提取实际相移角的方法,这种方法基于两幅强度图像之间的相关系数。通过在理论相移角附近改变重建所使用的相移角,当所使用的重建角度使得由CCD记录的物光波和由数字重建出来的物光波强度之间的相关系数最大时,该角度即为实际的相移角。首先进行了计算机模拟,该方法准确地提取出了实际的相移角。然后将其应用于基于LED光源的数字全息实验中,比较了分别使用提取的实际相移角和理论相移角重建出来的物光波的质量。计算机模拟和实验结果证实了该方法的有效性。

提出一种基于系统标定的相衬显微数字全息方法。对相衬显微数字全息原理进行了理论分析,表明用两个分别位于记录面和像面的数字相位掩模,在不影响重建像放大倍率的情况下,可以消除由显微物镜引入的相位弯曲。给出了相位掩模的数学模型,并提出通过系统标定来构建所需相位掩模的方法。其基本思路是,通过预先拍摄成像物镜加入前后的两幅参考数字全息图,结合滤波还原和最小二乘拟合等数字处理方法,提取全息记录系统的参数,用于构建数字相位掩模。利用该技术对最大宽度不超过0.09 mm的小水珠进行了不同放大倍率的相衬显微成像实验,验证了该技术的有效性和方便性。

全息干涉计量和剪切干涉计量都是光学测量的重要方法,但似乎一直在独立发展。数字全息可以数字化地再现光场,而剪切干涉从原理上讲只需将光场做一定剪切后再相互干涉即可,于是将剪切干涉的原理引入到数字全息再现光场的重构中,通过将数字全息再现光场做人为平移实现剪切干涉,得到几乎没有包裹的剪切相位分布,有利于相位计算。在理论分析的基础上,给出了基于最小二乘原理的相位重构算法。通过模拟计算和实验验证,证明了该方法的可行性和有效性。结果表明,使用该方法得到的相位更接近实验值,能得到比传统方法更好的计算结果。

光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)是测量飞秒脉冲激光参数快速而准确的方法。通过实验研究了SPIDER方法在实际测量时,两复制脉冲对的不同时间延迟对还原光谱相位和重建脉冲时域波形的影响。实验表明,时间延迟在0.22-1.82 ps范围内变化时,重建的脉冲时域宽度最大相对标准偏差小于2.76%。证明了光谱相位可以在较宽的时间延迟范围内得到精确的还原结果,降低了对光谱仪分辨率的要求,也简化了寻找最佳时间延迟的实验调试过程。

提出一种基于反向摄影的光学坐标测量方法。测量系统主要由微型摄像机、测杆和液晶显示器组成。测杆的一端固定微型摄像机,另一端是一个触发测头,液晶显示器上显示的是二维正弦条纹图。测量时,将液晶显示屏置于被测物体周围,触发测头接触被测物体表面,摄像机摄取显示器上的条纹图像。通过条纹图中所携带的相位信息确定摄像机主点在世界坐标系中的空间坐标和姿态,采用最小二乘优化的方法来获得测头在摄像机坐标系内的空间坐标,由此可以得到测头与被测物体点在世界坐标系中的三维坐标。实验结果表明,该方法简单、可靠,可以准确地得到光学坐标测量结果。

针对加速度表存在受过载影响的误差项和累计误差,提出多点分层式差动激光多普勒自身测速仪(LDV),为车载导航系统提供自身的速度参数。阐述了激光多普勒测量自身速度的基本原理,设计了多点分层差动LDV,并运用跟踪滤波和数字自相关技术对多普勒信号进行处理。理论分析和实验结果表明,多点分层差动LDV解决了双光束不能进行离焦测量的难题;跟踪滤波器实时跟踪多普勒信号,去除基底信号并抑制通带外噪声,数字自相关技术去除残留噪声,提高了信噪比和系统的灵敏度。与全球定位系统(GPS)的测量结果比较,系统的相对测量精度约为2％。

相移点衍射干涉仪(PS/PDI)的绝对测量精度和重复精度都直接受干涉仪装调误差的影响,因此采用具有高灵敏度的计算机辅助装调技术进行干涉仪的高精度对准是必要的。在PS/PDI空间频域特性分析的基础上,开发了一套高灵敏度的计算机辅助装调方法来实现干涉仪的对准。在粗装调阶段,对光电传感器采集的光场分布进行离散傅里叶变换,利用频谱图中的信息调整PS/PDI;在精密装调阶段,采用干涉条纹的频域对比度作为评价函数,以得到对比度的最大值为目标微调干涉仪。装调实验结果表明,对于可见光波段PS/PDI中直径为1.5 μm的针孔,可以达到优于0.1 μm的重复对准精度。

以有限元分析软件ABAQUS为平台,利用用户子程序编制了单面和双面激光喷丸时冲击波压力的加载程序,建立了小孔试样双面激光喷丸过程诱导残余应力的有限元分析模型。分析了小孔对激光喷丸强化效果的影响,研究了单面和双面激光喷丸下ZK60镁合金小孔试样的三维残余应力场分布。结果表明,采用双面激光喷丸工艺时,在试样上下表面均产生有益的残余压应力分布,下表面残余压应力的幅值是单面激光喷丸时的2倍左右。将典型实验与模拟结果进行对比,其一致性较好。

激光焊接过程复杂,影响因素众多,许多参数难以量化。基于归一化的径向基函数神经网络,采用非参数统计方法,建立了激光焊接熔池在时间和空间上的光强分布模型。该神经网络采用高斯函数作为径向基函数。提出了定量评价该模型预测光强分布质量的方法,并根据该评价方法,对影响光强分布模型的重要参数进行优化选择。根据优化选择结果,对两幅光强分布图形进行预测。通过预测图像与实测图像的对比证明,该神经网络可有效预测激光焊接熔池的光强分布。

采用大型有限元分析软件SYSWELD建立了三维有限元模型,对轧辊搭接激光熔凝过程进行了数值模拟,考察了搭接激光熔凝的热循环和温度变化率,分析了不同搭接量对材料熔凝层的相变和残余应力的影响。结果表明,轧辊经过搭接激光熔凝后,搭接区经历两次激光扫描成为二次重熔区,搭接区边界带发生了回火;随着搭接量增大,熔凝层的宽度变窄,但对熔凝-相变区马氏体组织含量的影响不大,其马氏体体积分数都超过了90%;熔凝-相变区获得较大的压应力,热影响区为拉应力。改变搭接量不能消除拉应力,但是选择合适的搭接量,能使拉应力幅值减小。在该实验条件下,选择3 mm的搭接量,能获得较理想的应力分布,并与工艺试验结果进行了比较,轧辊表面轴向残余应力计算结果和实验测量值基本吻合。

将双目立体视觉系统引入到激光修复再制造机器人中,可以实现机器人对修复物体缺陷的自动识别,给出最佳修复路径和工艺参数。标定问题是视觉系统基本且关键的工作。将两个摄像机安装在机器人末端,随机器人一起移动,对二维平面靶标进行标定实验。通过机器人示教盒改变摄像机的位置,用左右摄像机各采集不同位置的靶标图片,采用OpenCV编程,求得摄像机的内外部参数,再用Matlab完成了机器人手眼标定。借助机器人示教盒显示的数据,检测了摄像机标定精度。结果表明,最大相对误差1.08%,满足激光修复再制造要求。

针对钨极氩弧焊(TIG)电弧高频引弧存在易破坏其周围设备、危害人体健康等问题,提出了采用激光等离子体引燃TIG电弧的新方法。以峰值时间为10 ms的CO2脉冲激光进行TIG电弧的引弧试验,并采用高速摄像观察了激光等离子体引燃TIG电弧过程中的等离子体形态。试验结果表明,激光等离子体的形态和大小是引弧成功与否的关键因数之一,只有当激光等离子体接触到钨极导致电极与工件之间的间隙被导通产生电子发射并形成自持放电时才能引燃电弧。在此基础上,进一步研究了保护气体成分、工件材料、激光束离焦量以及保护气体流量等因数对激光等离子体引弧性能的影响规律。

为提高快速制造金属零件的效率,同时保证零件具有良好精度及一定的力学性能,提出一种基于选区激光熔化技术的变密度快速制造工艺:将零件分为壳体区及内部填充区两个成型区域,壳体区采用致密态工艺成型,内部填充区采用非致密态工艺成型。分析了非致密态组织与致密态组织之间的过渡工艺条件:通过调整工艺参数控制对固体基础的熔化量,可实现非致密态组织与致密态组织的切换。采用316 L不锈钢粉进行的成型实验表明,采用变密度制造工艺,相对于仅采用致密态成型工艺,成型效率大幅提高,成型件重量大大减轻,且合理设置壳体厚度后,成型件可获得足够硬度;对尺寸较大的零件,还能明显改善成型精度。

基于流体固体耦合理论,采用有限元方法,建立流固界面激光产生超声波的有限元数值模型。数值模拟研究激光热弹激励流固界面超声波的激发和传播,分析了泄露瑞利波,Scholte波,侧面波(Lateral波)的传播特征,得到了全波场数值解。进而分析不同流体介质对于界面波形的影响。计算结果表明,激光在流固界面同时激发出多种模态波形,且流体的材料参数对波形有重要影响。数值模拟建立了激光参数、材料参数以及相应的波形之间的定量关系。

为实现微小零件高精度低成本快速制作,构建了新型面曝光快速成形试验系统。该系统由视图发生器、精密升降工作台及控制系统构成。利用视图发生器生成的零件截面图形作为动态掩模,对光敏树脂整层曝光固化,实现微小三维零件的制作。对视图平面紫外光强分布进行了研究,建立了光强分布关于被测点位置及视图灰度的关系模型,利用该模型,实现了视图平面紫外光强分布的均匀化,紫外光强的最大与最小值之差达到0.4 μW/cm2。利用该快速成形系统,制作了具有复杂微小特征的三维零件。测试件的测量和分析结果表明,误差在±0.06 mm范围内尺寸数量占所有测量尺寸的72.2%。与扫描式光固化激光快速成形系统相比,该系统成本低,制作时间短。

为了实现某镍基高温合金涡轮叶片榫槽结构复杂部位的激光冲击强化(LSP),进行了不同激光脉冲能量下某涡轮叶片材料K417的激光冲击强化试验,分析了强化参数对材料表面粗糙度、显微硬度和微观组织的变化规律,确定了该材料激光冲击强化工艺参数;并通过振动疲劳对比试验研究了激光冲击强化对材料模拟试件疲劳性能的影响。结果表明,激光冲击强化对材料表面粗糙度影响不大,能提高表层材料显微硬度,影响深度达0.7 mm以上;强化后表层材料的X射线衍射峰宽化明显,位错密度增加,激光冲击强化提高榫槽模拟试件疲劳寿命达67%。

采用激光熔覆技术在Q235钢表面制备了Fe-Ti-V-B-C合金系的陶瓷相颗粒增强涂层,利用X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计及磨损试验机等测试与分析方法,研究了不同硼铁加入量对熔覆层组织与性能的影响。结果表明,熔覆层成形好,表面无夹渣,且与母材呈良好冶金结合。硼的加入,细化了涂层中均匀分布的陶瓷相颗粒,同时使基体组织由针状铁素体组织转变为珠光体和高碳马氏体组织。随着硼铁加入量的增加,涂层显微硬度随之提高,当硼铁加入质量分数达到25%时,涂层出现纵向裂纹。通过耐磨损性能测试,硼铁加入质量分数为20%涂层的磨损量仅约为母材的1/10。

通过试验研究了在Nd:YAG激光+脉冲金属熔化极气体保护焊电弧(P-GMA)复合热源焊接过程中激光对熔滴脉冲过渡频率和脉冲电流的影响。研究结果表明,对于熔滴脉冲过渡,电流较小时,将激光能量加入到脉冲金属熔化极气体保护焊(P-GMAW)中,将会有助于提高熔滴过渡频率和焊接过程的稳定性;而在电流较大时,激光能量的加入将会不同程度地降低熔滴过渡频率;而激光能量的加入,对P-GMAW电流具有一定的减小作用,但其影响很弱。分析认为,激光通过材料蒸发反冲作用力和激光致等离子体与电弧等离子体的相互作用两种途径来影响熔滴过渡频率,而仅通过两种等离子体之间的相互作用来影响P-GMAW电流。

激光透射连接工艺在生物医学植入体及其封装中具有良好的应用前景。使用半导体连续激光器进行了0.1 mm厚医用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜与0.1 mm厚薄钛板之间的激光透射连接实验,分别采用单工艺参数和双工艺参数进行全面实验对连接接头质量进行分析,并使用光学显微镜对不同工艺参数情况下的接头形貌进行观测。在实验基础上,通过单工艺参数分析得到了PET薄膜与薄钛板激光透射连接的工艺参数,这可为激光透射连接时提供合理的工艺参数范围;通过双工艺参数分析得到了主要工艺参数对连接接头质量的影响,这可为激光透射连接时选取适当的工艺参数以提高加工效率。