固态双模式激光毛化装备的研制及工艺验证
发布时间：2021-07-04 14:09
激光毛化是一种表面工程技术,其具有加工质量优良、可控性高、毛化坑点一致性好且加工过程无污染的特点,并且经激光毛化的金属板具有优良的表面涂镀性能,且耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长,目前该技术在航天航空、装备制造等领域得到广泛应用。本文针对现有激光毛化装备存在输出模式单一,激光参数调节范围较小的不足,提出了一种固态双模式激光毛化装备的研制方案,并针对TC4钛合金开展激光毛化工艺实验,实验结果为TC4钛合金表面高质量可控激光毛化提供了工艺参考。基于该研制方案,采用偏振调制技术和激光放大技术实现了微秒级和纳秒级同步输出及切换输出的复合脉冲激光器。在脉冲同步输出振荡级中,微秒脉冲能量为27.18mJ,纳秒脉冲能量为25.58mJ;经过脉冲放大后,微秒脉冲能量为421mJ,纳秒脉冲能量为335mJ。在脉冲切换输出振荡级中,微秒脉冲能量为92.7mJ,纳秒脉冲能量为46.1mJ;经过脉冲放大后,微秒脉冲能量为1243mJ,纳秒脉冲能量为1107mJ。在激光器的基础上,研制了固态双模式激光毛化装备。基于自行研制的激光毛化装备,采用单因素分析法针对TC4钛合金试件开展了表面形貌、粗糙度和润湿性工艺试验。在探...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多棱镜头扫描分光装置[26]
第1章绪论3数[26]。华中科技大学的周乐等人提出了多棱镜扫描分光的CO2激光毛化技术的实现方案，提高了激光毛化效率的同时改善了毛化坑点的均匀性[27]。图1多棱镜头扫描分光装置[26]随着全固态激光器的发展和成熟，越来越多的毛化装备使用LD泵浦的全固态激光器作为激光源。沈阳航空航天大学的曹泽新等人将LD抽运声光调QNd:YAG激光器引入激光毛化装备中，研制出效率高、性能优良的激光毛化装置[28]。天津大学的杨成娟等人采用纳秒级窄脉冲Nd:YAG激光毛化加工系统，在钛合金表面分别构建了点状、线状和栅格状的微结构，构建了润湿性与表面形貌之间的相关性[29]。图2纳秒级窄脉冲激光毛化加工系统[29]与此同时，国内光纤激光毛化技术也取得了长足的发展。华中科技大学的鄢然采用光纤激光毛化装备，配合一个高效的随机数算法产生了随机频率与随机占空比的脉冲调制信号，在材料表面形成随机无序分布的毛化坑点分布，满足了表面各向同性亚光的要求，拓展了激光毛化技术中无序毛化的内容[30]。清华大学的谭向虎等人采用光纤激光器和快速扫描系统构建毛化装备，对GMW2钢板进行高速激光毛化试验，通过高速激光扫描过程中产生的驱动力形成微凸体，补充了毛化坑点成型的相关理论[31]。为改善激光毛化加工的精细度，国内在近年来也将目光聚焦于超短脉冲激光毛化方向，上海交通大学的周玉等人采用皮秒激光毛化装备针对TC4钛合金进行激光毛化研究，通过工艺试验选取了最佳的激光功率，重复频率、扫描速
第2章基本理论6表2.1速率方程相关参数激光晶体长度l(mm)激光晶体截面半径wp(mm)输出镜反射率R谐振腔损耗ΔL(cm-1@1064nm)谐振腔的光学长度lc(mm)4050.90,0.80,0.600.003200反转因子γ光速c（m/s）小信号占比ξ增益介质上能级寿命τc(μs)泵浦时间wt(μs)12.98*1081.0*10-12230100,200,300峰值泵浦功率Win(W)泵浦光波长λ(μm)泵浦光子速率vp(Hz)受激发射截面σ(cm2)调Q延时tdelay(μs)24000.8083.71*1014@808nm2.8*10-19240通过求解脉冲泵浦速率方程，获得腔内光子数密度随时间变化曲线如图2.1所示，其中图2.1a)所示为在泵浦时间wt=300μs情况下，输出镜透过率T=10%、20%、40%对应曲线，图2.1b)所示为输出镜透过率T=40%情况下，泵浦时间分别为wt=100μs、200μs、300μs对应曲线。a)b)图2.1自由运转模式腔内光子数密度随时间变化曲线a)输出镜透过率组b)泵浦时间组如图2.1a)所示通过对比输出镜透过率，发现输出镜透过率越小，腔内光子越容易起振，且脉冲前端的尖峰脉冲振荡越明显。这是由于在泵浦时间一定的情况下，输出镜透过率越小，越容易在腔内建立谐振关系。还可以发现当腔内光子稳定的情况下，输出镜透过率越小，腔内光子数密度越大，这是由于在相同泵浦能量情况下输出镜透过率越小，则输出的光子数越少，而保留在腔内的光子数越多。由图2.1b)可以发现在不同泵浦宽度情况下腔内光子数密度变化趋势一致，区别在于腔内光子数密度维持稳态时间受泵浦宽度决定，泵浦宽度越宽则腔内光子数密度维持稳态时间越长。通过求解脉冲泵浦速率方程可以得到腔内光子数密度变化过程，进而发现了在脉冲泵浦情况下自由运转模式输出为矩形脉冲。
【参考文献】：
期刊论文
[1]3A21铝合金表面激光毛化坑点形貌演变规律[J]. 陈爔,王菲,吴琼,底才翔,田明,崔庆新. 激光与光电子学进展. 2019(24)
[2]长短脉冲复合激光对铝材的损伤机制[J]. 王秋实,庞博,张亦卓,胡文华,李忠建. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[3]基于COMSOL的皮秒激光单脉冲烧蚀铜片[J]. 纪利平,宋梓钰,孙亚萍,王兴盛,李成玉. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[4]45#钢光纤激光毛化数值模拟及实验研究[J]. 符永宏,李进,符昊,张航成,潘彩云. 激光技术. 2017(06)
[5]脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌演变规律的研究[J]. 叶云霞,贾子扬,符昊,符永宏. 激光与光电子学进展. 2016(03)
[6]纳秒激光对铝合金和不锈钢的烧蚀特性研究[J]. 韩丰明,徐世珍,宋文亮,向霞,刘春明,苗心向,袁晓东. 中国激光. 2016(02)
[7]一种随机频率、随机能量的轧辊光纤激光无序毛化方法[J]. 鄢然,张李超,张宜生,赵祖烨. 中国激光. 2015(09)
[8]面向碳纤维增强树脂基复合材料/钢异质结构连接的汽车钢板高速激光毛化工艺研究[J]. 谭向虎,单际国,唐磊,陈武柱. 中国激光. 2015(03)
[9]轧辊激光毛化技术的应用及发展[J]. 雷泽红. 应用激光. 2013(05)
[10]长脉冲与连续激光联合辐照铝合金的温度场仿真[J]. 肖婧,何衡湘,夏惠军,贾静. 中国激光. 2012(11)
硕士论文
[1]准连续LD泵浦电光调Q Nd:YAG激光器的研究[D]. 李楚钟.长春理工大学 2018
[2]光纤激光复合织构形貌的数值模拟与试验研究[D]. 李进.江苏大学 2017
[3]LD抽运单频Nd:YAG激光器频率调谐技术研究[D]. 刘柳.西安理工大学 2016
本文编号：3264934
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多棱镜头扫描分光装置[26]
第1章绪论3数[26]。华中科技大学的周乐等人提出了多棱镜扫描分光的CO2激光毛化技术的实现方案，提高了激光毛化效率的同时改善了毛化坑点的均匀性[27]。图1多棱镜头扫描分光装置[26]随着全固态激光器的发展和成熟，越来越多的毛化装备使用LD泵浦的全固态激光器作为激光源。沈阳航空航天大学的曹泽新等人将LD抽运声光调QNd:YAG激光器引入激光毛化装备中，研制出效率高、性能优良的激光毛化装置[28]。天津大学的杨成娟等人采用纳秒级窄脉冲Nd:YAG激光毛化加工系统，在钛合金表面分别构建了点状、线状和栅格状的微结构，构建了润湿性与表面形貌之间的相关性[29]。图2纳秒级窄脉冲激光毛化加工系统[29]与此同时，国内光纤激光毛化技术也取得了长足的发展。华中科技大学的鄢然采用光纤激光毛化装备，配合一个高效的随机数算法产生了随机频率与随机占空比的脉冲调制信号，在材料表面形成随机无序分布的毛化坑点分布，满足了表面各向同性亚光的要求，拓展了激光毛化技术中无序毛化的内容[30]。清华大学的谭向虎等人采用光纤激光器和快速扫描系统构建毛化装备，对GMW2钢板进行高速激光毛化试验，通过高速激光扫描过程中产生的驱动力形成微凸体，补充了毛化坑点成型的相关理论[31]。为改善激光毛化加工的精细度，国内在近年来也将目光聚焦于超短脉冲激光毛化方向，上海交通大学的周玉等人采用皮秒激光毛化装备针对TC4钛合金进行激光毛化研究，通过工艺试验选取了最佳的激光功率，重复频率、扫描速
第2章基本理论6表2.1速率方程相关参数激光晶体长度l(mm)激光晶体截面半径wp(mm)输出镜反射率R谐振腔损耗ΔL(cm-1@1064nm)谐振腔的光学长度lc(mm)4050.90,0.80,0.600.003200反转因子γ光速c（m/s）小信号占比ξ增益介质上能级寿命τc(μs)泵浦时间wt(μs)12.98*1081.0*10-12230100,200,300峰值泵浦功率Win(W)泵浦光波长λ(μm)泵浦光子速率vp(Hz)受激发射截面σ(cm2)调Q延时tdelay(μs)24000.8083.71*1014@808nm2.8*10-19240通过求解脉冲泵浦速率方程，获得腔内光子数密度随时间变化曲线如图2.1所示，其中图2.1a)所示为在泵浦时间wt=300μs情况下，输出镜透过率T=10%、20%、40%对应曲线，图2.1b)所示为输出镜透过率T=40%情况下，泵浦时间分别为wt=100μs、200μs、300μs对应曲线。a)b)图2.1自由运转模式腔内光子数密度随时间变化曲线a)输出镜透过率组b)泵浦时间组如图2.1a)所示通过对比输出镜透过率，发现输出镜透过率越小，腔内光子越容易起振，且脉冲前端的尖峰脉冲振荡越明显。这是由于在泵浦时间一定的情况下，输出镜透过率越小，越容易在腔内建立谐振关系。还可以发现当腔内光子稳定的情况下，输出镜透过率越小，腔内光子数密度越大，这是由于在相同泵浦能量情况下输出镜透过率越小，则输出的光子数越少，而保留在腔内的光子数越多。由图2.1b)可以发现在不同泵浦宽度情况下腔内光子数密度变化趋势一致，区别在于腔内光子数密度维持稳态时间受泵浦宽度决定，泵浦宽度越宽则腔内光子数密度维持稳态时间越长。通过求解脉冲泵浦速率方程可以得到腔内光子数密度变化过程，进而发现了在脉冲泵浦情况下自由运转模式输出为矩形脉冲。
【参考文献】：
期刊论文
[1]3A21铝合金表面激光毛化坑点形貌演变规律[J]. 陈爔,王菲,吴琼,底才翔,田明,崔庆新. 激光与光电子学进展. 2019(24)
[2]长短脉冲复合激光对铝材的损伤机制[J]. 王秋实,庞博,张亦卓,胡文华,李忠建. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[3]基于COMSOL的皮秒激光单脉冲烧蚀铜片[J]. 纪利平,宋梓钰,孙亚萍,王兴盛,李成玉. 激光与光电子学进展. 2018(10)
[4]45#钢光纤激光毛化数值模拟及实验研究[J]. 符永宏,李进,符昊,张航成,潘彩云. 激光技术. 2017(06)
[5]脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌演变规律的研究[J]. 叶云霞,贾子扬,符昊,符永宏. 激光与光电子学进展. 2016(03)
[6]纳秒激光对铝合金和不锈钢的烧蚀特性研究[J]. 韩丰明,徐世珍,宋文亮,向霞,刘春明,苗心向,袁晓东. 中国激光. 2016(02)
[7]一种随机频率、随机能量的轧辊光纤激光无序毛化方法[J]. 鄢然,张李超,张宜生,赵祖烨. 中国激光. 2015(09)
[8]面向碳纤维增强树脂基复合材料/钢异质结构连接的汽车钢板高速激光毛化工艺研究[J]. 谭向虎,单际国,唐磊,陈武柱. 中国激光. 2015(03)
[9]轧辊激光毛化技术的应用及发展[J]. 雷泽红. 应用激光. 2013(05)
[10]长脉冲与连续激光联合辐照铝合金的温度场仿真[J]. 肖婧,何衡湘,夏惠军,贾静. 中国激光. 2012(11)
硕士论文
[1]准连续LD泵浦电光调Q Nd:YAG激光器的研究[D]. 李楚钟.长春理工大学 2018
[2]光纤激光复合织构形貌的数值模拟与试验研究[D]. 李进.江苏大学 2017
[3]LD抽运单频Nd:YAG激光器频率调谐技术研究[D]. 刘柳.西安理工大学 2016
本文编号：3264934
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3264934.html
