激光层裂法定量测定薄膜界面结合强度

提出定量测定薄膜界面结合强度的激光层裂技术. 分析了激光诱发薄膜层裂的物理过程，在基于薄膜内部应力波多重反射、透射基础上，建立薄膜层裂数学模型，推导出薄膜层裂条件下的界面结合强度和相应层裂应变率的计算公式. 对Cr不锈钢/TiN, Al/EPOXY, 纯Fe/EPOXY三个体系的界面结合强度进行了测定.提出直观判别薄膜层裂的波形分析法，直接确定层裂时刻、层裂深度、层裂强度.实现了单次激光冲击，一次确定薄膜界面拉伸强度.     

355nm脉冲激光清洗溶胶-凝胶膜面颗粒污染

在强激光系统中,光学元件表面的颗粒污染极大地限制了元件的使用寿命.本文在355 nm纳秒脉冲激光入射下,采用激光等离子体冲击波光栅式扫描技术,清洗了溶胶-凝胶Si O2薄膜表面的石英颗粒污染.当瞄准距d取为0.5~1.5 mm时,膜面的清洗效率η达到90%以上.当d0.5 mm时,膜面易产生等离子体灼伤.当d接近3 mm时,清洗效果基本丧失.采用紫外-可见分光光度计、静滴接触角测量仪与原子力显微镜对样品进行测试.结果表明,冲击波清洗之后,元件透射峰能恢复到污染前的状态.由于冲击波对颗粒的碎裂作用,清洗后膜面均方根粗糙度由1.755 nm增大为2.681 nm,膜面与水的接触角由48°减为6°,其抗污染能力明显变差.     

ArF准分子激光晶化非晶硅薄膜微结构研究

利用ArF准分子激光对非晶硅薄膜的表层进行晶化后,采用拉曼光谱(Raman)、透射电镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等实验方法研究不同激光能量密度下晶化层硅薄膜微结构变化。实验结果表明:随激光能量密度的增大,薄膜结晶度增大,晶化层厚度加厚;晶粒尺寸则是先增大,直到激光能量密度增大到210 mJ/cm~2后,晶粒尺寸开始减小并且均匀性逐渐变差。最佳的激光能量密度范围为120～180 mJ/cm~2,这时薄膜表面晶化层晶粒比较均匀致密,薄膜质量较好。     

激光冲击复合强化机理及在航空发动机部件上的应用研究

针对激光冲击强化在航空发动机高温部件、薄叶片和叶片榫槽/榫齿等复杂部件(位)应用的问题,系统开展了激光冲击表面纳米化方面的研究.本文在总结多种航空发动机金属材料激光冲击表面纳米化表征、原理、热稳定性研究的基础上,提出了基于表面纳米化和残余压应力的激光冲击复合强化机理,进而提高了激光冲击强化在高温部件上使用温度,并介绍了薄壁结构、榫槽/榫齿等特殊部件(位)激光冲击强化工程应用的情况.激光冲击表面纳米化及其复合强化机理的研究工作,拓宽了激光冲击强化的研究领域和应用范围.     

掺镱激光玻璃光谱性质的优化

实验研制得到 4种高发射截面掺镱 (Yb3 )激光玻璃 .根据光谱性质计算了激光性能参数 ,并与国外一些发展中的激光玻璃进行了比较 .结果表明掺Yb3 锗碲酸盐、硅铌酸盐玻璃具有最高的发射截面、增益系数和最低的最小泵浦强度、饱和泵浦强度和激发态最小粒子数 ;硼酸盐玻璃次之 .这 3种玻璃的光谱性质和激光性能参数明显优于国外发展中的掺Yb3 激光玻璃 .掺Yb3 磷酸盐玻璃与日本HOYA公司近期开发的高发射截面磷酸盐玻璃相近 .这些光谱性质优化的玻璃有望成为高平均功率激光器和高峰值功率激光器特别是激光核聚变驱动器核心材料的候选基质 .     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.     

抗疲劳断裂的激光冲击强化技术研究

描述了激光冲击产生强应力波的机制，并用ＰＶＤＦ压电传感器对应力波进行了测量，建立了激光冲击强化效果的直观检验与控制方法。采用小型高功率调Ｑ钕玻璃激光装置进行激光冲击处理，大幅度地提高了铝合金的疲劳寿命，在９５％置信度下，激光冲埚２０２４Ｔ６２铝合金试件的中值疲劳是未冲击试件中值疲劳寿命的４．５￣９．８倍，对试件冲击前后的硬度，断口及增寿机理进行了对比研究，并分析了激光冲击强化技术的广阔的应用前景。     

颗粒污染诱导薄膜元件产生激光损伤

采用Nd:YAG单纵模调Q激光器,研究了溶胶-凝胶SiO_2薄膜表面颗粒污染对激光辐照损伤的影响.实验表明当膜面存在颗粒时,激光破坏阈值明显降低.尤其是前表面颗粒,最容易诱导损伤,损伤斑中央处基底的烧蚀很严重,且伴有环状变化.从损伤形貌来看,污染后的薄膜更容易出现场致损伤和基底破坏.为了深入研究这一现象,采用了电磁波时域有限差分(FDTD)法对减反射薄膜表面的颗粒污染进行了模拟研究.结果表明,前表面颗粒的调制强度要大得多.颗粒污染诱导的调制最强区位于基底一侧一个波长内,容易诱发损伤.在元件体内,光强呈衰减趋势,在3倍波长深度后逐渐趋于稳定.颗粒物诱导激光损伤问题的量化,可为亚表面缺陷的检测和控制提供依据.     

一种新型零相位因子LEO/MEO双层卫星光网络

相对于微波卫星通信,卫星光通信具有容量大、速率高、高保密性和抗干扰性等优点.利用星间激光链路连接高中低轨道卫星形成空间信息高速公路将在通信、导航、军事侦察、遥感遥测以及深空探测中发挥巨大作用.文中利用覆盖带法,设计了全球连续覆盖低轨道(LEO)/中轨道(MEO)双层卫星光网络结构.LEO层是一个零相位因子walker-δ星座,系统具有准静态的Mesh逻辑结构,MEO层由赤道和极地轨道两个轨道组成,可以有效地覆盖LEO层.覆盖性能结果表明,该网络上升轨道卫星对全球提供99.9%的平均覆盖,对我国提供100%的覆盖.系统可为我国提供单星可见21°的最小仰角,双星可见16°的最小仰角.链路空间位置性能仿真表明,零相位因子星座相邻节点星间链路性能在仰角、方位角和距离上优于非零相位因子星座,非常适合激光链路.激光链路通信性能仿真表明,当卫星光通信在几个GBit/s的较低通信速率时,短波长和长波长波段误码性能相差很小,随着高达100GBit/s通信速率的出现,1550nm波段是一个明智的选择.     

激光与新材料

激光技术的发展在很大程度上得益于相关新材料的问世和应用。本文就激光研究中几个最主要参数指标的进展。综述介绍了材料科学所起的关键作用。从一个方面说明了学科交叉与合作对于科学技术进步所起的重要作用。     

飞秒激光辐射材料的Coulomb爆炸烧蚀理论模型研究

摒弃了离子静止假设和飞秒时间尺度内电子、离子的温度概念,以及基于电子、离子温度概念的双温模型,采用动力论的Vlasov方程描述电子、离子在飞秒时间尺度下非平衡态输运过程,建立了飞秒激光辐射材料的Coulomb爆炸微观烧蚀理论模型,并对其进行了数值模拟分析,在此基础上,定量分析了自洽电场导致的材料表面层Coulomb爆炸的机理及飞秒激光参数对材料表面烧蚀的影响,理论模型计算的烧蚀深度与实验吻合的较好,结果表明在绝缘体材料表面层产生的静电自洽电场强度远大于金属材料与半导体材料,绝缘体材料表层更易发生Coulomb爆炸烧蚀现象．     

激光共聚焦显微镜研究填料在涂料中的分布I：正交分析方法研究填料在涂料中的纵向分布以及对耐候性能的影响

设计制备了2种不同TiO2填料填充的环氧树脂涂料,用激光共聚焦显微镜（LSCM）对填料TiO2在这2种涂料中的横向和纵向分布分别进行了研究.结果表明,在这2种涂料中TiO2填料的纵向分布差别较大.TiO2在Disp样品中的纵向分布比较均匀,而TiO2在Non-disp样品的纵向分布中存在1.1μm的一个填料缺失层（gap）,这个填料缺失层严重影响耐候过程中涂料的表面光学性质.根据LSCM的测试结果,提出了填料在涂料中的分布模型,并且根据该模型预测了耐候过程中涂料表面性质的变化：涂料的表面光学性质出现一个先降低再提高的过程.此理论预测结果与实际耐候过程中表面光学性质的变化情况一致,说明该模型的正确性与科学性.     

微重力下环境压力和辐射再吸收对火焰沿薄燃料表面传播的影响

当环境气体不具备辐射特性时(例如环境气体为O2-N2), 在较小的环境压力下, 火焰向燃料表面的热传导是火焰传播的主要驱动力. 但随着环境压力的增大, 火焰传播速度越来越大, 火焰对燃料表面的热辐射逐渐成为火焰传播的主要驱动力之一. 当环境气体具有较强的辐射特性时(例如环境气体为O2-CO2), 在较小的环境压力下, 火焰前沿环境气体的辐射再吸收将强化火焰对燃料表面的传热、热辐射和热传导在火焰传播机理中均起重要作用. 随着环境压力的增大, 氧气向火焰的扩散加强, 燃烧反应加剧, 火焰传播加速. 当环境压力大于一定值时, 进一步增大环境压力, 环境气体的辐射再吸收使火焰对燃料表面的热辐射减弱. 因此, 火焰传播速度反而随着环境压力的增大而减小, 火焰向燃料表面的热传导逐渐成为火焰传播的主要驱动力.     

青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理

为研究块石夹层路基结构的冷却作用机理, 建立了开放和封闭状态下块石夹层路基结构试验段, 获得了一个冻融循环的监测资料. 研究结果表明, 开放状态下冬半年块石层内温度场主要表现为强迫对流效应; 当风速减小时, 靠近坡脚处块石层内能产生微弱的空气对流效应; 夏半年块石层以热传导过程为主. 封闭状态下, 由于阻断了风的影响, 块石层内强迫对流效应减弱, 全年基本以热传导过程为主. 块石夹层路基结构对路基下部土体产生的冷却作用机理主要为强迫对流效应加微弱的空气自由对流效应, 其过程和冷却作用强度主要与风速和风向有关. 由于冷却作用机理的差异, 开放和封闭状态块石层对路基下部土体的冷却作用要相差2~4℃.     

先进材料与高性能零件陕速凝固激光加工研究进展

金属材料快速凝固激光表面加工与高性能金属零件快速凝固激光成形技术，是材料科学与工程及先进制造技术交叉学科前沿热点研究领域之一。本文介绍了作者所在实验室近年来在先进高温耐磨耐蚀金属间化合物多功能涂层新材料快速凝固激光熔覆合成／制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展，主要内容包括：激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术等。     

选择性激光烧结3D打印用高分子复合材料

选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)是基于粉末床的激光3D打印技术.材料对成形件的精度和物理机械性能起着决定性作用,其中高分子基粉末是应用最早,也是目前应用最多、最成功的SLS材料,但是SLS高分子仍存在可用种类少和成形件性能较低等难题.通过添加微/纳米填料或者后处理浸渗等方法制备复合材料,来提高SLS成形件的某些性能以及增加SLS材料种类,已经成为SLS领域材料研究的热点和重点.本文将介绍SLS高分子复合材料的制备方法,综述国内外的研究现状,并对其研究趋势进行展望.     

硅离子注入聚合物表面改性的研究

采用MEVVA离子注入机引出的Si离子对聚酯薄膜(PET)进行了改性研究, 原子力显微镜观察表明, 注入后的聚酯膜表面比未注入PET更光滑. 用透射电子显微镜观察了注入聚酯膜的横截面表明, 注入层结构发生了明显的变化. 红外吸收测量揭示了Si-C和C-C的形成. 说明了碳化硅和碳颗粒的形成. 这些颗粒增强了注入层表面强化效果, 改善了表面导电特性. 表面电阻率随注入量的增加而明显地下降. 当硅注入量为2×10¹⁷ cm^-2时, PET表面电阻率小于7.9 W·m. 用纳米硬度计测量显示, Si离子注入可明显地提高聚酯膜表面硬度和杨氏模量. 表面硬度和杨氏模量分别比未注入PET时大12.5和2.45倍. 硅注入表面划痕截面比未注入PET的划痕窄而浅. 说明表面抗磨损特性得到了极大的增强. 最后讨论了Si离子注入聚酯膜改善特性的机理.     

光伏电池微结构表面吸收率的温度依变性

光伏电池长时间处于太阳光照射下,自身温度随之升高,会造成电池材料的光学参数和热膨胀系数的变化,从而影响光伏电池微结构表面的吸收特性.本文从电磁场理论出发,借助时域有限差分方法(FDTD),通过对半球、圆柱、小球这三种典型光伏电池表面微结构的研究,分析温度对光伏电池表面吸收特性的影响,同时研究材料属性、结构周期对光伏电池表面吸收特性的影响.     

先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展

金属材料快速凝固激光表面加工与高性能金属零件快速凝固激光成形技术,是材料科学与工程及先进制造技术交叉学科前沿热点研究领域之一.本文介绍了作者所在实验室近年来在先进高温耐磨耐蚀金属间化合物多功能涂层新材料快速凝固激光熔覆合成/制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展,主要内容包括:激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术等.     

表面介质阻挡纳秒脉冲放电能量特性和诱导流动特性研究

聚焦于表面介质阻挡纳秒脉冲放电(NS DBD)基本问题,设计不同结构激励器,研究放电能量特性、诱导流动特性.结果表明:单位展长激励器单次放电能量随激励电压增大而非线性增大,其值在0.1~1 m J/cm量级,与激励器长度和激励频率无关;NS DBD瞬时功率可达几百千瓦,而时均功率较低,仅为瓦量级.NS DBD诱导流动的速度较低,在0.1 m/s量级上;提升激励电压对诱导速度提升不明显;随激励频率增大有所增大.NS DBD可诱导形成冲击波,其初始运动速度稍高于音速,不同结构激励器诱导冲击波在传播位置上无明显差别,主要影响诱导冲击波个数;激励电压对冲击波传播速度无明显影响;唯象学仿真表明不同沉积能量诱导冲击波速度不同,实验对应下的沉积能量诱导冲击波波速近于音速.