强激光作用下单晶硅的热畸变特性研究

高功率激光已经广泛应用于核聚变、激光加工、激光化学以及材料处理等领域.在强激光的辐照下,由于大量光子进入材料体内被吸收,局部蓄热,因而形成较大的温度场梯度.考虑到有限厚介质的表面热对流,利用格林函数方法理论计算了硅基板的三维温度分布和热变形,给出了硅基板温度分布和热变形跟基片半径和厚度的关系表示式以及关系曲线图.计算结果表明:温升不仅与介质的吸收系数密切相关,而且与对流换热系数有关.在激光照射的初始阶段,基片热变形量迅速增加;其后,随着激光照射时间的增加,热变形增加量逐步变缓.     

三维激光彩色扫描仪中物体表面色彩信息获取

研究了三维激光彩色扫描仪中获得物体表面色彩信息的方法,针对装置特点,研究了在彩色扫描图像序列中,物体表面采样点在激光入射面和相机主光轴面的成像对应关系,提出了利用采样点在相机主光轴面的像获得色彩信息的方法,有效地克服了传统结构光测距装置中由于结构光源照射带来的色彩失真和物体表面复杂而造成侧面遮挡的影响。     

基于纳飞秒双脉冲激光的蓝宝石蚀除研究

蓝宝石作为一种典型的宽带隙半导体材料具有良好的理化特性,在机械电子、航空航天、微电子等领域具有广阔的应用前景.本文提出采用纳飞秒双束激光进行蓝宝石加工的方法,利用飞秒脉冲峰值功率高的特性,通过多光子电离与碰撞电离,激发蓝宝石表面自由电子从而提高了蓝宝石对纳秒激光的吸收率,同时利用纳秒激光能量相对较大,技术成熟的优势,实现对蓝宝石材料的高质高效加工.为了揭示纳飞秒双束激光与蓝宝石材料的能量耦合机制,采用Fokker-Plank方程、Drude模型、双温模型对飞秒激光诱发的自由电子的演化过程及自由电子与入射激光之间的相互作用进行研究,并通过有限元仿真模拟了纳飞秒双激光与蓝宝石材料相互作用的能量耦合过程与蚀除过程,分析了纳飞秒双脉冲激光作用下,不同脉冲延时下等离子浓度的时空演化规律及其对入射激光吸收系数及反射率等表面光学特性的影响规律,揭示了纳飞秒双激光高效高质加工蓝宝石材料的机理.该研究对实现蓝宝石等宽带隙半导体等脆硬材料的高质高效加工具有重要意义.     

钨极惰性气体保护焊熔池三维自由表面特征参数的激光视觉测量

摘要： 针对现有的钨极惰性气体保护焊熔池三维自由表面测量方法难以应用于强弧光、高温辐射、液态金属表面镜面反射等问题,提出一种激光视觉测量法. 利用小功率点或线阵模式结构激光照射覆盖整个熔池表面,采用高速摄像机实时采集经熔池液态金属表面反射畸变的激光图像.设计图像处理算法提取成像激光点位置坐标,建立与投射激光点位置坐标的空间转换数学模型,离线获得熔池三维自由表面的几何特征参数值,对比实测凝固熔池表面对应参数值发现,所提取的几何特征参数值与实测值吻合较好,熔宽、长度和凸度误差分别为0.8%、0.6%和4.7%,证明激光视觉法能够实现熔池自由表面三维信息的动态测量,为采用几何特征参数调整熔池自由表面形貌变化控制焊缝成形及缺陷提供一种新方法.     

激光切割表面三维形貌的分形特征

利用白光干涉仪测量激光切割碳素钢表面轮廓数据,应用分形几何学分析激光切割表面的三维形貌特征.采用盒计数法计算激光切割表面的三维分形维数.结果表明：不存在一个超越尺度范围普适的分形维数,只有当尺度r小于轮廓最大高度Ry,才表现出分形特征.对同一激光切割表面进行表征时,同尺度的Ra沿厚度方向变化波动较大,分形维数Db能够对整体表面形貌的复杂程度有着较稳定的表征.分析激光切割表面的三维形貌特征,分形维数表征激光切割表面微观结构的复杂程度,表面粗糙度可对激光切割表面轮廓高度特性进行辅助评价.     

静态磁光记录温度场的模拟

讨论磁光静态记录过程中单层膜与多层膜在激光照射微区内温度场的分布,导出多层膜在激光照射下温度变化的解析表达式。由此模拟出局域瞬态温度场,在理论上确定了TbFeCo记录材料的成畴大小和形状。这对磁光薄膜宽温化、表面温度特性和磁光记录畴表面形貌分析等具有重要的实际意义。     

飞秒激光在对氨基偶氮苯薄膜表面上制备微偏振元件

用400 nm和800 nm线偏振飞秒激光垂直聚焦于对氨基偶氮苯薄膜表面上,以形成纳米微结构.实验观察到400 nm和800 nm线偏光照射样品表面分别得到周期为210 nm和500 nm的干涉条纹,条纹周期均随激光能流密度的增强而增大.通常认为这种周期结构是由入射激光与材料表面的散射光相干涉所形成的：光的干涉引起材料表面温度呈现梯度变化,从而引起表面张力呈现梯度变化,诱导周期条纹的产生.制备偶氮聚合物的厚膜,用400 nm飞秒激光照射样品表面,同样也得到周期性纳米微结构.     

激光焊接中金属表面对CO_2激光的吸收特性

利用激光焊接中反射光和散射光的采集接收 ,得到金属表面在激光照射不同阶段的吸收特性曲线 .研究激光功率对吸收曲线的影响 ,得出激光焊接中激光束极限移动速度的估算方法     

激光焊接中金属表面对CO2激光的吸收特性

利用激光焊接中反射光和散射光的采集接民,得到金属表面在激光照射不同阶段的吸收特性曲线,研究激光功率对吸收曲线的影响,得出激光焊接中激光束极限移动速度的估算方法。     

一种基于LED和线激光的钢轨表面缺陷检测系统

提出了一种二维视觉和三维视觉相结合的钢轨表面缺陷检测方法。钢轨踏面分别在LED板光源和激光线光源的照射下,由两台面阵相机单独采集图像。扫描钢轨表面并把图像传送回主机,通过特征提取和图像处理,分别获取表面缺陷的大小和形状,以及缺陷的深度信息。实现了视频和激光检测的融合与互补。实验表明,与单独使用可见光图像识别,或者单独使用线激光检测相比,系统检测效果更好。     

航空钛合金的激光冲击研究

介绍了用激光冲击处理航空材料钛合金TC4提高其力学性能的技术.当利用强激光冲击钛合金表面时,涂层表面形成高幅值冲击波.在冲击波的高压作用下,钛合金表面发生微塑性变形,形成高幅值残余压应力层.激光冲击后,表面压应力层厚度达1 mm以上,压应力达200 MPa以上.随着激光能量的增加,冲击区域的残余应力有增大的趋势,在功率密度由1 GW/cm2增加到5 GW/cm2过程中,其冲击波峰值处的压力线性增加,表面最大残余压应力也相应线性增加;在功率密度为2 GW/cm2时,残余压应力随着次数增加而升高,而且表面硬度也大大提高,从而有效地改善了材料的机械性能,大幅度提高航空材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能.     

Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟

利用有限元方法,对Fe-Mn-Si记忆合金平板激光对接焊的温度场和应力场进行三维数值模拟。根据激光焊接特点,建立表面高斯热源和锥形体热源结合的复合热源模型,并编制APDL子程序实现焊接热源的加载和移动。结合材料非线性、相变潜热、边界换热条件等因素,通过模拟计算得到焊接过程中瞬态温度场分布和熔池尺寸,并分析整体温度场分布、焊接热循环特性。焊缝熔合线和尺寸的模拟结果与实际结果吻合良好,验证了模型的正确性。在温度场计算结果基础上,利用间接耦合法,对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊的动态应力场和残余应力进行模拟计算,得到焊后最大残余应力为247 MPa,接近其屈服强度。     

厚铝管中激光激发温度场和瑞利波的模拟

利用有限元方法数值模拟了脉冲激光作用于厚铝管时产生的温升以及由此温升而产生的表面瑞利波的情况。给出了温度随角向的分布曲线,比较了物理参数随温度变化和不随温度变化两种情况下温度场的区别,并进一步得到了近场区域表面波的时域波形。数值结果表明：在考虑材料物理参数随温度变化基础上得到的近场区域的表面声波中显著的波为掠面纵波和瑞利波,与平板中的类似。为热弹条件下管状材料的激光超声无损检测提供了参考。     

磁光静态记录温度场的分布及计算

讨论了磁光静态记录过程中单层膜与多层膜在激光照射微区内温度场的分布，导出多层膜在激光照射下温度变化的解析表达式，由此模拟出局域瞬态温度场，在理论上确定了ＴｂＦｅＣｏ记录材料的成畴大小和形状，这对磁光薄膜宽温化、表面温度特性和磁光记录畴表面形貌分析等具有实际意义     

飞秒激光照射金纳米颗粒的分子动力学模拟

在分子动力学的基础上引入了双温度模型,对飞秒激光照射金纳米颗粒的相变传热过程进行了模拟研究。利用序参数法对传热过程中颗粒内部固液相变的发生进行了判别,并获取了纳米颗粒受飞秒激光照射的熔化特性,在此基础上研究了不同大小的激光能量对熔化过程的影响。结果表明,在飞秒激光照射金纳米颗粒的过程中,当颗粒内部相变发生时,金原子的空间分布由面心立方规则排列逐渐变为不规则无序的松散排列,纳米颗粒内部所有区域都发生了熔化现象,不存在一个明显的固液模拟界面。随着激光的不断照射,熔化比例逐渐增加。     

纳秒脉冲激光对钕铁硼材料表面清洗试验研究

利用激光清洗技术对钕铁硼材料进行清洗试验,探究不同激光功率对钕铁硼材料清洗效果的影响。通过扫描电子显微镜(scanning etectron microscope, SEM)和X射线能谱仪(energy dispersive spectroscopy, EDS)分析清洗后钕铁硼材料表面形貌及元素组成成分;利用白光干涉仪检测清洗后钕铁硼材料表面的粗糙度。结果表明,清洗后钕铁硼材料的表面粗糙度随着激光功率的增大先增大后减小随后又增大;激光功率较小时,钕铁硼材料表面存在烧蚀划痕和残留的腐蚀坑,表面C、O元素不能有效去除,清洗效果不佳;在激光功率为12 W,清洗后的材料表面光洁平整,无C、O元素,表面晶相组织完整清晰无破坏,说明此时激光清洗效果最佳;当激光功率更大时,超过材料的损伤阈值,表面出现微裂纹和细小的孔洞,说明清洗效果变差。     

激光切割的基本原理及新进展

激光切割的原理及特性。激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。     

基于激光催裂的应力断料机构结构设计

基于裂纹技术与激光催裂理论,设计了一种多用途车床应力断料机构,实现依据材料特性的不同而进行不同方式的断料——对于脆性较大的材料用刀具切制缺口,对于塑性较好的材料用CO2激光器进行切制缺口或对缺口根部进行淬硬。通过对模拟实体建立的三维模型进行运动学和动力学仿真,进而获得机构的特性参数,从而证明了设计断料机构的合理性。     

基于复杂移动热源模拟的激光自熔覆试验研究

激光自熔覆是一种利用激光进行特定材料表面强化的工艺，在激光自熔覆系统中，获取移动热源的复杂轨迹点是至关重要的.工程应用中，工件表面的激光自熔覆往往涉及复杂的三维路径，复杂路径所产生的三维坐标点不能使用通常的二维函数来简单表达.本研究通过有限元模拟激光自熔覆工艺过程，先用建模软件根据实验试样建立自熔覆轨迹复杂的三维模型，导入到有限元软件中进行分析，然后针对工业生产中常用的汽车模具材料GGG70L(德标球墨铸铁)建立逼近真实的有限元模型，提出线性插值方法并运用在移动热源子程序中，实现了复杂三维自熔覆轨迹的模拟.采用激光光斑20 mm,激光扫描速率8 mm/s,激光功率2 800 W,将有限元模拟形变量的实验与工程实验进行对比分析，结果表明两者的平均误差约为0.7%,误差范围在实际工程可接受的范围之内，说明有限元模型和模拟结果可靠，可在一定程度上代替工程实验，从而提高激光淬火实验的效率并节省成本.     

钨极惰性气体保护焊熔池表面三维恢复算法及其可视化

摘要： 针对焊接熔池具有高动态、不规则的镜面等特性,在已有的熔池表面激光点阵熔池镜面反射三维恢复算法的基础上,建立了为实现钨极惰性气体保护焊熔池表面三维恢复的数学模型.对于不同的三维凸面和三维凹面,利用新的算法来实现熔池表面的三维恢复,激光经过不同的三维面形反射后在成像屏上形成不同分布的激光点阵,并编写相应程序进行了可视化研究.结果表明：所建立的数学模型根据成像屏上形成的激光点阵分布的高低程度不同、紧密程度不一致等,反映出熔池表面高低形态的变化趋势,但要能更准确地反映动态的三维熔池表面,需添加更多的约束条件.