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中国激光 2019年第07期杂志 文档列表

中国激光杂志激光器件与激光物理

基于人工神经网络和粒子群优化的半导体激光器参数反向设计方法1-7

摘要：提出一种基于人工神经网络(ANN)和粒子群优化(PSO)的半导体激光器参数反向设计方法。利用由传统数值仿真方法计算出的激光器功率样本数据来训练ANN,并用此网络预测激光器任意一组参数对应的功率谱,均方差可低至0.5 mW,用时仅0.07 s,计算速度提高了约1800倍(与相同环境下传统数值算法耗时125.57 s相比)。将此网络与PSO算法结合,可获得目标功率谱的对应参数,即实现反向设计。经计算获得的反向设计方案不唯一,从而进一步验证了半导体激光器非线性多参数的特点。相同环境下ANN结合PSO的反向算法(均方差低于0.04 mW,用时39.45 s)与传统数值反向方法(均方差为0.89 mW,用时192 h)相比,精度提高了22.25倍,速度提高了约17500倍,说明了该方法的有效性。

980nm高功率DBR半导体激光器的设计及工艺8-12

摘要：设计并制作了非对称大光腔波导结构,利用分布布拉格反射技术,实现了980 nm波段高功率半导体激光器的稳定输出。在实验过程中,采用电子束光刻技术,结合感应耦合等离子刻蚀工艺,利用SiO2作为硬掩模,并通过减小Ar离子的束流来减弱刻蚀过程中由于物理轰击作用对SiO2硬掩模的消耗,制作出形貌良好、周期为890 nm、占空比为50%的分布布拉格反射器光栅;采用脊型波导激光器的制作工艺,成功制作出分布布拉格反射激光器,当器件注入电流15 A时,该激光器的输出功率高达10.7 W,斜率效率为0.73 W/A,器件阈值电流为0.95 A,中心波长为979.3 nm。该研究为GaAs基DBR半导体激光器的制作与研究提供了新思路。

水下高重复频率脉冲激光全选通成像雷达对比度信噪比模型13-20

摘要：为了评价高重复频率系统在每个选通切片中的成像质量,为脉冲分配策略的研究提供依据,在Jaffe-McGlamery模型的基础上,建立描述高重复频率系统信号传输过程的理论模型,分析图像退化因素,提出一种高重复频率系统成像质量评价模型。采用重复频率为4 kHz的脉冲激光器,对黑白条纹靶板目标进行成像。实验结果表明,从目标开始成像到出现饱和前的线性区间内,该理论模型的结果与实验结果相吻合,误差不超过10%。

基于钕钆双掺氟化钙晶体的调谐和双波长锁模激光器21-25

摘要：Nd,Gd:CaF2是一种无序结构晶体,具有光谱宽、热导率高、透射范围大、声子能量低等优势。利用0.5%Nd,8%Gd:CaF2晶体作为激光增益介质(百分数为原子数分数),实现了LD抽运的调谐激光输出,激光调谐波长范围为1045.7~1074.2 nm;将半导体可饱和吸收镜作为锁模元件,最终实现了双波长锁模激光输出,锁模激光器的中心波长分别位于1065.45 nm和1066.48 nm。锁模激光器的最大平均输出功率约为394 mW,最小脉冲宽度约为8.37 ps。

10 kHz,425.6 mJ声光调Q Nd:YAG激光器26-30

摘要：报道了一种高重复频率、大单脉冲能量的全固态声光调Q Nd:YAG激光器。采用主振荡-功率放大(MOPA)结构,将具有热补偿结构的双棒串接谐振腔作为种子源,两个板条增益模块作为放大器。采用熔石英为声光介质,重复频率在10~100 kHz范围内可调。种子源在10 kHz重复频率下获得平均功率为14 W的线偏振脉冲激光输出,种子光经扩束整形后注入两级板条增益模块进行功率放大。当抽运功率为22.7 kW时,可获得平均功率为4256 W的激光输出,单脉冲能量为425.6 mJ,激光脉宽为133 ns,峰值功率为3.2 MW,光束质量β为3.8倍衍射极限。此外,改变激光的重复频率时,激光输出功率和脉宽无明显变化。

基于受激布里渊散射效应的微波光子下变频系统31-36

摘要：提出一种基于受激布里渊散射效应的微波光子下变频系统。在此系统中,为了将高频率的射频信号转换成低频率的中频信号,引入一个本振信号并将其和射频信号分别通入到双平行马赫-曾德尔调制器两臂的两个子马赫-曾德尔调制器中,利用受激布里渊散射效应增益谱过滤出由射频信号与本振信号调制后产生的两个+1阶边带,之后这两个边带将会在光电探测器中拍频,得到中频信号。同时,该中频信号的相位可以通过调整双平行马赫-曾德尔调制器中母马赫-曾德尔调制器的偏置电压来改变。当下变频的射频信号频率为10.73 GHz时,最终可获得20~40 MHz范围内任意频率的信号,且其相位可在0°~360°之间线性变换。

L波段可切换双波长被动锁模光纤激光器37-44

摘要：报道了基于碳纳米管饱和吸收体(CNT-SA)的L波段可切换双波长被动锁模光纤激光器。通过调节抽运功率,该激光器光谱的中心波长可以在1572.9 nm和1596.6 nm之间切换,对应的3 dB光谱宽度分别为3.68 nm和2.34 nm,脉冲宽度均为1.80 ps。此外,双波长锁模光谱的中心波长为1572.3 nm和1597.1 nm,两个波长的间隔为24.8 nm。同时,对L波段可切换双波长锁模光纤激光器的形成和演化进行了数值研究。数值模拟结果与实验观察结果吻合,表明可切换双波长锁模的成因是增益光纤透射光谱的变化。

基于频域能量检测器的脉冲激光声信号检测45-53

摘要：结合实测的激光致声信号时频域特性,提出了一种基于频域能量检测器的新型水下脉冲激光声信号检测方法,并分析了不同频率激光声信号的衰减特性。针对远距离条件下高频信号衰减严重的问题,在频域能量检测器的前端添加了预补偿滤波器。蒙特卡罗仿真结果表明,带预补偿滤波器的频域能量检测器可以有效提高远距离下激光声信号的检测性能。

压缩态光场制备中的单频激光源噪声分析54-59

中国激光杂志激光制造

WC对激光熔覆热作模具的组织和磨损性能的影响60-66

摘要：以WC为强化相颗粒,在AISI H13热作模具钢表面制备了纯铁基合金熔覆层和WC质量分数为3%、6%、9%铁基合金熔覆层。在优化工艺参数的基础上,研究了熔覆层中的WC分布以及熔覆层的组织形貌、物相和磨损行为。结果表明:熔覆层与基体之间形成了良好的冶金结合,熔覆层组织主要由枝晶和共晶组成;加入WC颗粒后,其周围区域出现了组织细化现象;熔覆层因硬质相而获得了更高的硬度,且其耐磨损性能相比于基体有明显提升;当WC质量分数为3%、6%、9%时,熔覆层的硬度和耐磨性能比铁基熔覆层有较大提升;熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损,并伴有不同程度的黏着磨损;随着WC质量分数的增大,熔覆层的氧化磨损程度逐渐加深。

激光抛光H13模具钢自由表面演变的数值模拟与验证67-77

摘要：采用数值模拟与实验相结合的方法,通过建立激光抛光的二维瞬态模型,模拟了激光抛光过程中材料表面形貌的演变过程。在模拟过程中,采用移动激光束作为热源,通过对实际材料自由表面进行频谱分析,构建了相似的模拟模型表面,耦合激光抛光过程中的流动场和温度场,综合考虑毛细力和热毛细力的共同作用。结果表明:在毛细力和热毛细力的作用下,在被抛光的材料表面,波峰材料流向波谷,填补轮廓凹陷处,使得材料表面达到抛光效果。激光功率和扫描速度会显著影响抛光效果,过小的热输入会导致熔池尺寸过小,没有足够的流动体积,抛光效果差;过大的热输入则会导致熔池持续时间长,增大抛光表面的粗糙度。模拟的表面粗糙度、熔池深度与实验结果相比,误差均在8%以内,具有较高的模拟精度。

不同激光清洗方法对高强钢表面锈蚀层的去除研究78-83

摘要：采用干式/液膜辅助式激光清洗方法对高强钢表面的锈蚀层进行处理,研究了激光功率对试样表面状态的影响规律,并对两种方法的除锈机理进行了对比分析。结果表明:两种清洗方法都能有效去除试样表面的锈蚀层,且低功率下液膜辅助式激光清洗效果比干式激光清洗效果更好。优化的液膜辅助式激光除锈工艺参数为:激光功率400 W,脉冲频率10 kHz,脉宽30 ns,此时试样表面氧元素的质量分数为3.38%,试样的表面粗糙度为3.04μm。

耐候钢激光-MAG复合焊接头的低温断裂韧性84-91

摘要：为研究低温下高速列车用耐候钢激光-MAG复合焊接头的断裂行为,通过低温断裂韧性试验获得接头焊缝、热影响区和母材的断裂韧度Jm。采用Boltzmann函数进行拟合分析,得到各区的韧脆转变温度。结果表明:随着温度降低,接头各区域的断裂韧性呈降低的趋势,母材的低温韧性优于焊缝的低温韧性;焊缝区的韧脆转变温度约为-65.9℃,热影响区的韧脆转变温度约为-70.4℃,均高于母材(-81.9℃)。通过对微观组织和断口形貌的对比分析,阐明了激光-MAG复合焊接头各区域的微观断裂机理,焊缝金属较低的低温断裂韧性主要是由晶粒粗大和存在粗大的先析铁素体造成的。

熔质流动特性对毛化凸点成形的影响92-100

摘要：具有毛化凸点的金属零部件在工程中有广泛应用,精确控制毛化点形貌对实现精准控制相关零部件性能至关重要。以45钢为研究对象,采用二维轴对称模型仿真,探究脉冲激光作用下熔池内温度场、流体流向和流速的演变规律,据此研究毛化形貌形成的微观机理和动态过程。结果表明:在加热过程中,当表面温度低于临界温度时,切向应力为负,熔质流向熔池中心;当表面温度高于临界温度时,切向应力为正,熔质向边缘流动,最终在2个异向环流交界处形成对流零点;对于同种环流,切向应力越大,对应的流速峰值越大。超过临界温度后产生新环流,若环流流速较小,则削弱形貌变形量,若环流流速较大,则会在对流零点处产生异形形貌。

碳纤维增强热塑性复合材料/铝合金激光搅拌焊接实验及仿真研究101-109

摘要：为降低碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)与铝合金进行激光焊接时,激光加热对铝合金造成的焊接缺陷,提升焊接接头的力学性能,将激光搅拌焊接方法引入到铝合金与CFRTP的焊接中。通过与传统的激光直线焊接方法进行对比后发现:在相同的激光功率和焊接速度下,激光搅拌焊接接头的连接强度为传统激光直线焊接的3.25倍;激光搅拌焊接还可以显著减少气孔缺陷,获得较好的焊缝形貌。为进一步研究CFRTP/铝合金激光搅拌焊接的机理,对CFRTP/铝合金激光搅拌焊接温度场进行仿真分析,结果表明:铝合金表面的温度场呈非等幅振荡形式变化,且出现了两个峰值,这是激光搅拌焊接能够降低焊接缺陷的主要原因之一。同时,对铝合金焊缝的熔深、熔宽进行计算,并与测量结果进行对比,仿真结果与实验结果的误差在9.87%以内。

开放环境下钛合金激光熔覆局部保护气体的质量分布110-116

摘要：针对开放大气环境下钛合金激光熔覆层极易氧化的问题,设计了一种可在熔池附近形成局部气氛的同轴保护气罩。采用FLUENT软件建立了光内送粉同轴熔覆喷嘴的三维模型,模拟分析保护气道的入口数量、角度及保护气体流量对氩气质量分布的影响。结果表明:气罩保护气体入口数量与氩气分布的对称性有关;入口角度对氩气质量分布的影响较小;增大保护气体的流量会极大地提高有效保护范围。根据保护气罩结构优化参数,选用氩气作为保护气,进行开放大气环境下Ti-6Al-4V合金的激光熔覆实验,熔道表面呈银白色,熔覆层饱满,验证了同轴保护气罩的保护效果。

正火温度对激光3D打印钛合金组织及拉伸性能的影响117-124

摘要：采用激光三维(3D)打印技术制备了TC4厚壁件,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及电子万能试验机等研究了正火温度对激光3D打印TC4钛合金显微组织、相组成、室温拉伸性能的影响规律。结果表明:当在α-Ti相单相区内正火处理时,α-Ti相再结晶生长,长、宽均增加;组织主要由α-Ti相组成,含有少量(或微量)β-Ti相;合金的室温拉伸性能一般。当在α+β两相区内正火处理时,沉积态下的细长状初生α-Ti相由于β-Ti相析出而被截断,变成短棒状初生α-Ti相;β-Ti相不仅与次生α-Ti相共存于短棒状初生α-Ti相之间,还会在短棒状初生α-Ti相内部呈网状析出。经990℃/2 h/AC处理后,合金的室温抗拉强度为960 MPa,屈服强度为835 MPa,断后伸长率为17%,达到了锻件国标要求。拉伸试样断口上均布满韧窝,均为延性断裂。

W含量对选区激光熔化W-Cu组织与热物性的影响125-135

摘要：为获得适用于电子封装的W-Cu材料,对60W-40Cu、70W-30Cu、75W-25Cu和80W-5Ni-15Cu合金进行选区激光熔化实验,研究了W含量对合金微观组织、致密度、热导率、热膨胀系数、表面粗糙度、硬度的影响。结果显示:4种W-Cu合金的成形表面均存在球化现象;当W的质量分数低于70%时,致密化机制为重排致密,W相间几乎不发生连接与团聚,热传导优先在铜相中进行;随着W的质量分数上升到75%,致密化机制主要为固态烧结,热传导路径由以W相为核心、边缘由Cu相包裹的结构单元组成;随着W含量增加,W-Cu合金的热导率和热膨胀系数与理论值的偏差增大,合金的表面粗糙度、硬度均增加。最终获得60W-40Cu、70W-30Cu、75W-25Cu、80W-5Ni-15Cu成形后的致密度分别为97.9%,94.5%,91.6%,91.9%,热导率分别为210.4,176.8,152.7,121.3 W·K^-1·m^-1,热膨胀系数分别为11.05×10^-6,9.33×10^-6,8.17×10^-6,7.02×10^-6℃^-1,表面粗糙度分别是9.2,13.7,15.2,15.4μm,显微硬度分别是183,324,567,729 HV。