1 南京理工大学理学院，江苏 南京 210094
2 中国商飞上海飞机制造有限公司，上海 201324
通过测量板状材料中Lamb波的频散曲线可以反演出材料的特性参数，因而这种方法在材料表征、评价和无损检测等领域具有广阔的应用前景。基于移动激光源法测量了薄板中Lamb波的频散曲线，通过高速转镜使聚焦的激光线源在样品表面以与相应Lamb波模式匹配的速度移动，当激光移动速度与Lamb波相速度一致时，可以以较高的效率激发出此Lamb波模式。通过改变转镜的转速，即改变激光线源的移动速度，记录不同移动速度下所激发的Lamb波频谱，可以得到Lamb波的频散曲线。在此基础上，结合粒子群优化算法反演了铝板以及聚苯乙烯板中的纵波波速与横波波速。在仿真中，开展了不同模式和频厚积处频散特性对材料参数的敏感度分析，并比较了不同噪声水平下以及不同模态频散数据选取所对应的拟合效果，讨论了2500~4000 m/s相速度区间基于频散曲线的反演敏感度问题。最终基于移动激光源实验中所提取的铝板中Lamb波的频散数据进行参数反演，结果显示，纵波声速和横波声速的反演误差均小于1.5%，证明了该方案的有效性。
测量 激光超声 参数反演 移动连续激光源 粒子群优化算法
采用波长为1070 nm的连续激光对亚音速切向空气流下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）的穿孔效应进行了研究。通过实验研究了功率密度（848~1556 W/cm2）和切向气流流速（0~1个马赫数）对穿孔形貌、穿孔点温度和穿孔时间的影响。结果表明：切向气流流速为0.5个马赫数（Ma）时靶材穿孔时间随功率密度的增加而减小，最大减小了46%；功率密度为848 W/cm2时穿孔时间随气流流速的增加呈先减小后增加的规律，与无气流（0 Ma）时相比，最大仅减小8%。激光功率密度的增加加速了热解气体的产生，使得孔隙压力升高，促进了靶材的剥蚀。切向空气流对作用过程的影响主要包括：降低树脂基体热解所产生的残炭含量，进而改变靶材吸收方式；产生切向剪切力，加速靶材的力学剥蚀；加速对流换热，降低靶材表面温度。当切向气流速度较小（≤0.4 Ma）时，切向气流的作用主要是促进树脂热解，降低残炭含量，转变靶材吸收方式；当切向空气流速较大（0.8~1.0 Ma）时，气流的冷却作用表现得较为明显。
激光光学 激光损伤 连续激光 玻璃纤维增强树脂基复合材料 切向空气流 穿孔效应 中国激光
2023, 50(14): 1401002
为了研究超短激光脉冲与双液滴相互作用过程中的光学击穿和等离子体分布, 基于麦克斯韦方程组和电离速率方程, 构建了飞秒激光与双液滴的瞬态耦合模型, 使用有限元分析方法, 对飞秒激光辐照微米量级双液滴的自由电子密度和光场分布进行了计算, 得到了双液滴结构对液滴光学击穿和等离子体变化的影响。结果表明, 第2个液滴的击穿阈值约为同等条件下单液滴击穿阈值的35%; 等离子体的形态和击穿点的位置随双液滴间距发生变化, 且在聚焦区域产生纳米等离子体射流; 第2个液滴对激光能量的吸收随着双液滴间距的增加而减少; 当分别使用满足击穿阈值的光强入射, 双液滴吸收的能量约为单液滴的3%; 第2个液滴对激光能量的吸收随光强增大而增大, 能量吸收比例最终趋于0.01, 仅为单液滴的1.5%。该研究为激光诱导水击穿和激光在大气中的传输提供了一定的参考。
大气光学 双液滴 光学击穿 激光等离子体 能量损耗 atmospheric optics double droplets optical breakdown laser plasma energy losses
通过建立激光与液滴相互作用的物理模型，采用数值仿真研究了激光冲击液滴形成的速度场对液滴变形和流动的影响规律。使用流体体积法，结合层流模型，确定了变形的主要特征和流动的精确细节。结果表明，液滴变形过程和破裂时间与已报道的实验结果有很好的一致性。同时，利用Rayleigh－Taylor不稳定性分析，确定了液滴形变、破裂时间与韦伯数的依赖关系。当韦伯数低于110.7时，液滴向前推进，不会发生整体破碎；韦伯数越高，液滴形变越剧烈，且液滴破裂的碎片越小。另外，液滴破碎后，由于涡量的作用，细小液滴出现自旋、融合、破裂等有趣的现象。
激光技术 脉冲激光 液滴破碎 表面不稳定性 流体体积 极紫外光刻 中国激光
2022, 49(22): 2202008
双脉冲激光诱导等离子体在激光加工、元素检测、材料去除等领域有广阔的应用前景和发展空间，对其进行诊断具有重要意义。针对延迟双脉冲激光诱导铝等离子体的作用效果和影响机理，采用双波长干涉法对其时间演化规律展开研究。基于马赫-曾德尔干涉仪搭建了双波长干涉诊断系统，得到了双脉冲激光诱导等离子体干涉图。通过对干涉图的处理和分析，得到了等离子体电子密度随双脉冲激光延迟时间的变化规律。结果表明，随着双脉冲激光延迟时间的增加，第二束脉冲激光对等离子体电子密度的增强效果先加强后减弱。其中，双脉冲激光延迟时间为10 ns时，对等离子体电子密度的增强效果最强，在30 ns时刻，其中心区域平均电子密度可达6.49×1019 cm−3，相较于同等能量单脉冲激光诱导等离子体提升了26%。同时研究了延迟时间对第二束脉冲激光作用机制的影响。研究结果为双脉冲激光诱导等离子体的优化方向提供了参考。
激光等离子体 双脉冲激光 双波长干涉 电子密度 laser plasma double-pulse laser two-wavelength interference electron density 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210892
激光无线能量传输在为远距离设备供能方面有着潜在的应用前景，在激光无线传能的同时进行激光无线通讯，具有重要的应用价值。针对砷化镓太阳能电池，对激光传能系统在无线能量传输时激光无线通讯性能进行了测试。实验采用波长808 nm激光实现砷化镓太阳能电池的能量传输，采用波长650 nm激光作为信号的传输，分别对单能量传输、单信号传输以及能量和信号同步传输三种情况下的砷化镓太阳能电池的输出特性进行了测试。结果表明：当单能量传输时，太阳能电池的性能与激光功率密度的大小密切相关，激光功率密度在54.9~90 mW/cm2范围内光电转换效率最大值为46.6%；当单信号传输时，通过测量系统的频率响应得到砷化镓太阳能电池的3 dB带宽约为3.7 kHz，并通过设计放大电路提高系统的通信性能，优化输出波形，使得系统的通信速率从10 kbps提升至240 kbps，输出电压峰峰值达到7.2 V。最后实验测量了不同激光强度下可实现的通信速率，当激光功率密度为59.5 mW/cm2时可实现140 kbps的通信速率，使得激光充电系统在无线能量传输下可以进行信号的传输。
太阳能电池 能量传输 信号传输 频率响应 solar cell energy transmission signal transmission frequency response 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210888
红外与激光工程
2022, 51(2): 20220022
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 MIIT Key Laboratory of Semiconductor Microstructure and Quantum Sensing, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
The propagating of laser-generated ultrasonic waves in K9 glass was investigated. Many methods have been developed to detect the laser ultrasound since laser ultrasonic waves can be used to measure material parameters or characterize materials properties. In order to reduce the measuring time, a Mach–Zehnder interferometer, a full field measuring tool, was preferred in this paper. The ultrasonic wave was produced on the K9 glass surface by a -switched Nd:YAG laser absorbed in a liquid layer. The interferograms were then taken at various delay times by a CCD camera after single pulse induced laser ultrasonic waves. Ultrasonic waves in the K9 glass can be observed from interferogram images. The results provide an understanding of laser ultrasound propagation in K9 glass in the lifetime.
laser ultrasound K9 glass optical interferometry Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 021203
红外与激光工程
2020, 49(8): 20190498
为了研究1070nm光纤连续激光对三结GaAs太阳电池的热力作用，使用COMSOL软件建立物理模型进行了数值仿真，得到了不同激光功率密度激光作用下的热应力场。为了验证了热应力计算方法的正确性，利用栅线投影法测量了功率为16.7W、辐照半径为1mm、辐照时间为10s的激光作用下电池表面的形变，实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明，辐照半径为1.5cm、功率密度为16.7W/cm2的激光辐照20s时，底电池中心温度刚好超过电池使用温度;底电池中心等效应力为96.6MPa，刚好超过底电池材料的屈服极限；根据这一结果可推测电池失效与热应力导致的结构损伤有关。该数值模拟结果与实验结果为激光辐照太阳电池的热力效应研究提供了一定的理论依据。
激光技术 热应力 数值模拟 太阳电池 laser technique thermal stress numerical simulation solar cell
