光学前沿——2008'激光技术论坛

利用CO2激光对火焰喷涂制备的Ni-WC复合涂层进行了重熔实验,通过扫描电镜(SEM)观察了其重熔后表面形貌,测试了含有不同WC体积分数样品重熔前后的涂层显微硬度,并分析了WC含量对涂层组织及耐磨性的影响。实验结果表明,火焰喷涂制备的涂层气孔随着WC颗粒含量增大而增多,经激光重熔后气孔明显减少;激光重熔后的涂层显微硬度比火焰喷涂的涂层显微硬度提高约20%,WC体积分数为6%时涂层显微硬度达到最大值;激光重熔处理后的涂层耐磨性随着WC含量的增加而增大,WC体积分数为6%时,其耐磨性达到最佳值。

设计了一种应用于KrF准分子激光波面整形的二元光学元件(BOE),实现了将波面整形变换为巴特沃斯(Butternorth)分布。采用盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton,GS)算法实现优化设计,使用MATLAB软件模拟入射和出射光场。通过对比迭代次数分别为10、100和1000次的模拟结果,研究盖师贝格-撒克斯通算法中迭代次数对整形效果的影响。模拟出迭代次数为106次的整形结果,并且得到二元光学元件的相位分布。模拟结果表明,出射光场呈巴特沃斯分布,实现了波面整形,矩形光斑能量占总能量的75.62%,能量的利用率较高,其均匀性的均方根(RMS)误差为0.1394%。

农业用的塑料微喷灌管上要加工0.3～1 mm的小孔,传统的机械冲孔方式不能很好地满足质量要求。用激光在微喷灌管材上打孔,有对材料适应性好,加工效率高,孔口无毛刺等优点, 提高了产品质量和产品种类。实验采取连续光纤激光和脉冲光纤激光对聚乙烯(Polyethylene,PE)管进行打孔,得到了激光功率与加工孔径之间的关系和能量通量与加工孔径之间的关系。最后,用连续光纤激光和脉冲光纤激光均能够加工出符合要求的孔。

为了获得满足2 μm相干多普勒激光雷达使用的激光光源,进行了注入锁定固体激光器的实验研究。种子激光器采用双端镀腔膜的Tm,Ho:YLF微片晶体,在低温液氮环境下,获得单纵模稳频激光输出。从激光器采用有利于单纵模运转的环形腔结构,并利用熔融石英声光调Q获得脉冲输出。通过注入锁定,实验获得激光输出波长为2.067 μm,在重复频率大于20 Hz时,激光器的最终单脉冲输出能量2 mJ,脉冲宽度为146 ns。实验论证了注入锁定系统激光器作为雷达光源的可行性,并理论分析了种子注入时环形腔内的初始光场分布。

采用含有一定量纳米铝粉的钴基合金粉末作为涂层原材料,在结晶器用Cu-Cr合金表面利用激光搭接原位反应制备陶瓷相颗粒增强钴基合金涂层。通过金相显微镜、X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜和显微硬度实验等分析手段对实验制备样品涂层的结构和形成机制进行了研究。结果表明,在优化了的激光制备工艺参数(电流175 A,频率15 Hz,脉宽3 ms,速度4.0 mm/s)及搭接率在20%～25%时,在Cu-Cr合金表面制备出了陶瓷相颗粒增强钴基合金涂层。Co基合金涂层和基体间形成了界面的冶金结合。涂层中原位生成了陶瓷相颗粒,最大颗粒的粒径在3 μm左右,多数为细小且呈弥散分布的近似球形颗粒,起到了增强基体的作用。Co基合金的主要结晶方式是以原位生成的陶瓷相为中心,带动周围Co基合金液体结晶,反过来结晶后的合金对陶瓷相进行包裹,控制了陶瓷相的聚合,并使其弥散分布、颗粒细小化。Cu-Cr合金表面涂层的平均显微硬度由基体表面的94HV增到了300HV。

针对实际数据资料中往往因地表杂波等各种干扰而出现小幅值风速和奇异点,在进行速度方位显示(VAD)数据反演之前,提出了对数据资料进行质量控制的预处理方法,即剔除小幅度数据和奇异点,然后分别进行了全方位采样和非全方位采样的反演,反演精度大幅度提高,仿真结果与实际结果相吻合。模拟两种线性风场,即含有0,1阶谐波和含有0,1,2阶谐波的线性风场。利用这两种风场比较研究了全方位采样和非全方位采样的速度方位显示方法。仿真结果表明,全方位采样速度方位显示方法对这两种线性风场反演结果准确度都高,而非全方位采样速度方位显示方法对不含2阶谐波的线性风场具有很小的有效采样范围,同时,2阶谐波对其具有一定的影响。

气缸盖激光热负荷试验采用整形激光束作为热源模拟实际工况下气缸盖承受的热负荷。为了使整形光束实际作用效果与模拟计算结果一致，需对激光加载下气缸盖有限元模型的相关参数进行校核。针对火力面结构采用不同光斑尺寸的激光束进行加载测温试验。建立了三维有限元分析模型，通过在合理范围内调整模型密度、比热、热导率和吸收率等参数取值，最终使模拟计算温度结果与实测结果相吻合、两者温度值误差与测温试验误差相当。此结果既为后续的热负荷试验奠定模型计算基础，也为其它零部件激光热负荷试验中模型参数的选择和校核提供参考。

介绍了激光微推进技术的靶特性研究情况，探讨了激光微推进技术中的靶特性对力学性能的影响。从靶材结构和靶材掺杂两个方面的特性进行了研究。结果表明，在约束条件下，冲量耦合系数存在一个最优值，烧蚀靶厚度越小，最优冲量耦合系数越大，对应的激光注入能量越小，比冲也越高；掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收，使得单位质量产生推力的效率提高，同时也会增强其他能量耗散机制，使得冲量耦合系数降低。

随着脉冲激光焊接技术在精密制造领域的应用越来越广泛，研究脉冲激光精密焊接过程中的焊接变形规律，对于提高焊接质量具有重要意义。采用ANSYS的壳单元建立三维有限元模型，模拟厚度为0.5 mm Hastelloy C-276超薄板的脉冲激光焊接过程。通过实验测量焊接变形的分布情况，获得的实验结果与模拟结果一致，验证了有限元模型的合理性。利用建立的模型，进一步研究激光单脉冲能量输入对横向收缩变形和失稳变形分布规律的影响。结果表明，激光的脉冲作用引起瞬时变形周期性振荡；随着激光单脉冲能量输入的增加，焊接件的横向收缩变形和失稳变形变大。