大功率半导体激光焊接2024和7075的试验研究

采用自主研制的1 000W半导体激光器,对2024和7075铝合金薄板进行了焊接。论文分析了不同工艺参数对于铝合金焊缝宏观成型和微观组织的影响。2024铝合金焊缝的沉淀析出物尺寸明显变小。试验研究表明焊接过程比较稳定,焊缝成型良好,得出大功率半导体激光器适合于薄铝板的焊接。

大功率半导体激光相变硬化U74钢轨的实验研究

使用自主研制的新型高光束质量大功率半导体激光器对U74钢轨进行相变硬化，并对硬化结果进行分析。分析结果表明，经过半导体激光处理后的表面区域晶粒结构明显细化，硬化层硬度HV10/20可以达到800～900，比基体硬度提高3～4倍，沿半导体激光器光斑的不同轴向扫描对硬化层有很大影响，沿慢轴方向扫描得到的硬化层深度要远高于快轴方向的硬化层深度，硬度沿深度方向在过渡区附近迅速下降至基体硬度。实验表明，慢轴方向的相变硬化效率约为快轴方向的4倍。

飞秒激光应用于合金材料微细加工的试验研究

利用飞秒激光对H62黄铜、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢和7075铝合金进行加工,研究了激光参数和试验条件对三种合金材料的微细加工效果的影响。试验研究内容包括脉冲扫描速率与刻蚀宽度和深度的关系、入射脉冲数量与刻蚀宽度以及刻蚀效率的关系。运用扫描电子显微镜和激光共焦扫描显微镜对试验结果进行分析,发现对于三种合金材料而言,入射的脉冲数量达到某值后,刻蚀宽度基本保持恒定;黄铜和不锈钢的通道宽度与深度会随着激光扫描速率的提高而降低;飞秒激光可以对黄铜与不锈钢实现冷加工,单个脉冲的刻蚀率分别为102.4 nm和39.83 nm,是比较理想的微加工手段。

高功率光纤激光器中自相位调制的实验研究

利用主振荡功率放大(MOPA)结构高功率皮秒脉冲全光纤激光器,对高功率皮秒脉冲放大器中自相位调制(SPM)效应进行了实验研究。激光器种子源是自行搭建的半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模光纤激光器。为了抑制非线性效应,使用一个自制重频倍增器把种子脉冲的重频增加到328 MHz后再放大。放大器部分采用三级放大结构,最终获得了中心波长为1 066.5 nm,3 dB光谱线宽约为2.5nm,平均功率为91W的稳定皮秒脉冲激光输出。实验对光脉冲在放大的过程中自相位调制引起的光谱变化进行了研究。对激光器输出光谱的分析表明,随着功率的增大,高功率光纤激光器中自相位调制效应受到入射脉冲的初始啁啾和脉冲形状的影响程度也随着变大,与此同时还受到自陡峭效应的影响。

全光纤激光器光束质量的优化

基于激光器的结构,实验研究了影响光束质量的因素。搭建了百瓦级全光纤激光器,在最大泵浦功率为436W的条件下,在1 080nm处获得的激光输出为300W,光-光转换效率为69%,光束质量M2为1.13。实验研究了谐振腔出射的激光光束在传能光纤中传输时径向功率分布的变化,结果显示:随着光束在光纤中传输距离的增加,光纤中的包层光功率呈现出先增加后保持不变的趋势,因而在传输距离上选择不同的长度对包层光进行剥除,可以获得不同的光束质量。实验还显示,在相同的泵浦条件下,与包层光剥离器设置在腔外相比,其设置在谐振腔内可获得更高的激光输出功率,但是光束质量较差。最后,采用在腔内腔外各加一个包层光剥离器的方法获得了更好的光束质量,此时M2为1.07。

纳秒声光调Q光纤激光器产生超连续谱

根据现有生成超连续谱方案的不足,搭建了一台全光纤结构的纳秒声光调Q激光器。该激光器中心波长为1 064.3nm,重复频率为20kHz,脉冲宽度为250ns；经过一级放大得到的输出功率为13.02 W。将信号光耦合进自行研制的高功率模场适配器（MFA）,得到了10.7 W的信号光输出,耦合效率高达82.2%。将MFA与光子晶体光纤（PCF）熔接,得到了平均功率为5.43 W的超连续谱输出,光谱覆盖为900～1 700nm。由于实验采用的声光调制器（AOM）脉宽较宽,导致泵浦光峰值较低,非线性效应较弱,未能使超连续谱向可见光展宽。因此,建议采用较窄脉宽的AOM作为调Q元件来实现高峰值功率输出,以改善纳秒脉冲PCF产生的超连续谱特性。

光纤弯曲对掺镱光纤激光器光束质量的影响

通过改变F-P腔全光纤激光器中的光纤盘绕半径,对输出激光光束质量进行了研究。搭建了百瓦级全光纤激光器。最大泵浦功率为436 W的条件下,获得了300 W波长1 080 nm的激光输出。光束质量M2=1.13。光-光转换效率为69%。理论分析并计算了20/400μm大模场面积双包层光纤中的两种导波模式LP01模和LP11模沿光纤径向的功率分布和弯曲损耗;利用光纤弯曲选模方法,实验上探究了光纤弯曲半径对输出激光模式及光束质量的影响。实验发现,通过光纤弯曲方式可以有效地消除高阶模式,再经过包层光剥除可以获得更好的光束质量M2=1.06。

342W全光纤结构窄线宽连续掺铥光纤激光器

报道了一个全光纤主振荡功率放大结构的窄线宽连续掺铥光纤激光器,该激光器由窄线宽连续掺铥光纤激光种子源和两级包层抽运掺铥光纤放大器组成.自制的窄线宽掺铥光纤激光种子源经过两级高功率包层抽运掺铥光纤放大器之后,最高平均输出功率为342 W,掺铥光纤功率放大器的斜率效率为56%,输出激光的中心波长为2000.3 nm,3 d B光谱带宽仅为90 pm.在放大过程中,功率放大器的反向监测端没有观察到受激布里渊散射效应,输出功率仅受限于当前可用的793 nm半导体抽运源的功率.据我们所知,该结果为目前国际上2μm波段全光纤结构窄线宽激光器所产生的最高输出功率.

203W全光纤全保偏结构皮秒掺铥光纤激光器

利用光纤布拉格光栅作为光谱滤波器来控制锁模掺铥光纤激光器的光谱形状和脉冲宽度,以及结合纤芯抽运高掺杂双包层掺铥光纤技术,实现了2μm波段重复频率为611.5 MHz的皮秒脉冲激光输出.利用该高重复频率皮秒激光作为种子源,结合主振荡功率放大技术,研制出了百瓦量级全光纤全保偏结构皮秒脉冲掺铥光纤激光放大系统,得到了平均功率为203 W的线偏振皮秒脉冲激光输出,偏振消光比>15 d B,激光脉冲宽度为15 ps,相应的激光峰值功率为22 k W.该结果为目前国际上2μm波段全光纤结构超短脉冲激光器所产生的最高平均输出功率,为下一步2—5μm波段高功率中红外激光的产生提供了可靠的抽运源.

激光熔覆立铣刀的熔覆层微观结构和性能

采用YAG激光在 4 5号钢表面熔覆钴基自熔合金 ,利用光学显微镜和电子显微镜技术观察和分析了激光熔覆层的微观组织特征 ,用X射线衍射仪测试熔覆层的相组成 ,分析了激光熔覆钴基合金的强化原理 ,测量了熔覆层金属的显微硬度 。

半导体激光阵列“Smile”效应下快轴准直镜的装调

针对3种典型"Smile"形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题,开展"Smile"条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的"Smile"值,采用Zemax非序列模式,模拟"Smile"下LDA的快轴准直。结果表明,LDA的"Smile"大小及形态分布影响准直镜装调位置,透镜光轴需要与LDA匹配,否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路,为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。

28W高功率超连续谱光纤激光光源

报道了一个全光纤结构的高功率超连续谱激光光源。利用自行搭建的环形腔掺镱脉冲光纤激光器作为种子源，采用三级MOPA功率放大，得到了平均功率为62 W，中心波长为1065 nm，3 dB谱宽15 nm，重复频率为118 MHz的皮秒锁模脉冲输出，将其耦合进零色散波长为1040 nm的光子晶体（PCF），最终得到平均功率为28 W，谱宽覆盖范围为600~1700 nm的超连续谱激光输出，超连续谱的光-光转换效率为45%。实验解决了高功率下大芯径掺杂光纤与PCF的耦合效率低的问题。

大功率半导体激光器实用化微通道热沉

根据大功率半导体器无氧铜微通道热沉的实用化制备工艺特点,利用商用CFD软件FLUENT对微通道热沉内部微通道散热区层间折转通道宽度和热沉前端面壁厚度进行优化设计,并采用化学腐蚀结合扩散焊技术制备无氧铜微通道热沉,微通道尺寸为27 mm×11 mm×1.5 mm.利用低电光转换效率大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力测试,激光阵列宽1 cm,腔长1 000μm,条宽200μm,填充因子为50%,微通道热沉热阻0.34 K/W,能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.

大功率半导体激光器模块散热结构的数值优化

考虑大功率半导体激光bar外延结构中GaAs衬底热阻导致p、n面散热的非对称性,利用商用有限元软件Ansys对目前常用的DPSSL侧泵浦源亚封装子模块的散热性能进行了分析和结构优化,并根据优化结构实际制备出3 bar激光线阵泵浦源,其连续输出功率超过120 W,中心波长为807.7 nm,光谱宽度(FWHM)为2.8 nm。该数值分析结果对根据实际需要设计、封装出不同结构尺寸的大功率半导体激光泵浦源模块具有现实的指导意义。

新型弹壳激光打孔机的研制

介绍了一种针对弹壳底火孔加工所用的新型高功率YAG激光打孔机。打孔机由激光器、导光聚焦系统、数控机床控制系统构成,各系统相互衔接,实现了光机电一体自动化打孔。打孔方式采用旋切式打孔,孔径大小以及两孔中心距方便可调。激光器最大功率500W,光斑聚焦直径约0.5mm。弹壳材料是3.5mm厚碳钢,孔壁影响区小于0.1mm,孔径精确度高于0.05mm。机器连续24h工作,运行稳定,解决了传统弹壳钻头打小孔存在精度、效率和质量不高,而冲压打孔又不能打小孔的问题。

基于偏振耦合的千瓦级半导体激光加工系统

根据商用大功率半导体激光堆的偏振性和慢轴远场特性,结合商用光学设计软件ZEMAX将两个600W的半导体激光堆利用Glan-Taylor棱镜进行偏振耦合并准直聚焦输出配以自制加工头获得激光加工系统。系统输出功率大于1000W,在焦距100mm处光斑大小约为1mm×6mm(能量大于95%),平均能量密度大于1.6×104W/cm2。利用该激光系统对U74钢轨的表面以1050mm/min进行扫描,获得表面相变硬化层深度约为0.25mm,表面硬度从250 HV10/20提高到800HVl0/20至900HV10/20。

体全息光栅外腔半导体激光器列阵的光谱特性

从理论上分析了强反馈外腔半导体激光器的工作原理,并采用了体全息光栅(VHG)外腔反射镜来改善大功率半导体激光器列阵(LDA)的光谱特性,这种体光栅具有很好的波长选择性,使得半导体激光器列阵的光谱线宽从2 nm减小到0.22 nm,增加了光谱亮度,而且随电流和温度变化的波长稳定性得到极大改善。

激光快速成型送粉器及其特性

针对激光快速成型送粉器进行了研究,讨论了激光快速成型技术和工艺中所要涉及到的关键问题,指出送粉器的送粉特性对激光快速成型质量会产生决定性的影响.以现有的6种送粉器为例,详细说明了送粉器的几种典型送粉原理.最后列表分析了此类送粉器在原理、特性及应用上的异同.分析结果表明:需要研制小载流气体流量（<1L/min）、能输送更小颗粒粉末（尺寸<1μm）的送粉器,例如纳米相级送粉,并对送粉原理进行进一步改进.

非球面镜准直大功率半导体激光阵列远场特性

针对目前采用非球面快慢轴准直镜准直的大功率半导体激光阵列的远场光束特性在理论上缺乏准确的描述,而常用的单一能量利用率光束发散角不能够准确地描述半导体激光器准直光束的特性,难以有效指导其后整形、聚焦等光学系统设计的问题,文章利用CCD成像结合图像处理手段对半导体激光阵列光束经过非球面快慢轴准直镜后的远场光束进行实验研究。实验结果表明,随着能量利用率选择不同快、慢轴远场发散角变化趋势有较大区别,在较高能量利用率条件下,快轴方向能量利用率的微小增加可导致光束质量的迅速劣化,对光学系统要求苛刻;而慢轴方向能量分布较为均匀,光学系统冗余量较大。

激光熔覆技术制造热轧辊的钴基合金层研究

采用 6kWCO2 激光器和同步送粉熔覆技术 ,在低合金结构钢 2 0CrMo上成功地获得大面积的钴基合金涂层。通过金相显微镜 ,X射线衍射技术对熔覆层的组织进行了分析 ,并测试了显微硬度、抗弯强度、耐蚀性能。结果表明 ,钴基合金涂层组织细密 ,是由Co过饱和固溶体 ,CrB ,M2 3 C6等相组成 ,与硬质合金热轧辊相比 ,其硬度略微提高 ,抗弯强度相当 。