光電子學與激光技術

異種金屬激光焊接關鍵問題研究

虞鋼，趙樹森，張永杰，等

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光電子學與激光技術

異種金屬激光焊接關鍵問題研究

虞鋼，趙樹森，張永杰，等

摘要：現代工程結構要求對異種金屬材料進行焊接。激光焊接具有密度高、焊縫深寬比大、熱影響區窄以及變形小等特點，成為異種金屬材料焊接的有效方法。異種金屬激光焊接過程包含多種效應，機制復雜。比如，材料性能差異對焊縫微觀組織與宏觀性能的影響；焊接熔池的形成、演化機制；熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應力形成等。圍繞異種金屬激光焊接過程中的關鍵問題，國內外開展了諸多研究工作，對此進行了全面闡述。在此基礎上，指出異種金屬材料激光焊接研究中的不足及發展方向。 采用CD光盤光柵作為表面等離子體共振（SPR）傳感器的耦合元件，通過檢測共振角的變化對液體濃度進行傳感測量。結果表明CD光柵耦合型SPR傳感器對葡萄糖溶液的靈敏度可達3%（質量分數），理論分辨率為1%（質量分數）。通過模擬不同光柵周期、光柵槽形和待測介質折射率對共振曲線的影響，發現縮短光柵周期、使用正弦槽形的光柵作為耦合基底，都可以進一步提高這種傳感器的靈敏度。 為了設計光刻物鏡的支撐結構，建立了支撐應力對透鏡透射波前影響的模型，研究了該模型中支撐應力與折射率的關系及支撐應力對透鏡透射波前畸變的影響。首先，根據晶體理論，建立了融石英透鏡波前畸變與支撐應力之間關系的仿真模型。然后，分析了不同支撐結構下支撐應力與融石英透鏡波前的關系。最后，分析了支撐應力造成的透射波前畸變的性質，并選擇合適的物鏡支撐結構。研究結果表明：光刻物鏡支撐結構的支撐應力對透鏡的透射波前有很大的影響：3點支撐的波前畸變PV值為3.69 nm；隨著支撐點數量的增加，支撐應力造成的透射波前畸變逐漸減少；采用大于9點的支撐結構即可滿足光刻投影物鏡的元件支撐需求。 針對在子孔徑拼接測量非球面的過程中干涉儀與待測非球面相對位置存在的對準誤差，提出了一種基于模式搜索迭代算法的調整誤差補償方法。該方法可以很好地從測量的子孔徑相位數據中消除由拼接測量位置沒有對準帶來的調整誤差，實現多個子孔徑的精確拼接。對該方法的基本原理和實現步驟進行了分析和研究，建立了子孔徑拼接測量的調整誤差補償模型。對口徑為230 mm×141 mm的離軸碳化硅非球面反射鏡進行了調整誤差補償和相位數據拼接，得到了精確的全口徑面形分布。作為驗證，對待測非球面進行了零位補償檢測，結果顯示兩種測試方法的面形PV值和RMS值的相對偏差僅為0.57%和2.74%。 綜述了現有的3類激光光束質量評價方法，即近場質量、遠場質量和傳輸質量。主要的評價參數包括近場調制度和對比度、聚焦光斑尺寸、遠場發散角、衍射極限倍數β因子、斯特列爾比、環圍能量比以及M2因子等。討論了它們各自的適用范圍、優點和局限性。提出了采用M 研制了直接檢測的光正交頻分復用（OOFDM）光纖傳輸實驗系統。實驗中產生了2 Gbit/s的正交相移鍵控（QPSK）、正交頻分復用（OFDM）光信號，并成功地在標準單模光纖中傳輸了200 km。測量得到在誤碼率為10-6時，單模光纖傳輸200 km后的功率代價小于2 dB。比較了光纖傳輸前后OFDM信號的波形、頻譜以及星座圖，發現光正交頻分復用信號能很好地抵抗光纖中的色散效應。 太赫茲通信是一個極具應用前景的技術，太赫茲波有非常寬的還沒分配的頻帶，并且具有傳輸速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等許多特性。發展太赫茲通信技術已成為各發達國家研究的熱點。該文分析了國內外太赫茲通信的研究情況；以太赫茲通信系統的整體框架，全面地介紹和分析了太赫茲通信的一些關鍵技術和最新研究成果；同時，對太赫茲的技術發展趨勢和應用前景做了展望，提出了太赫茲技術的發展戰略。 激光光束質量評價是激光光學中的一個經典問題。目前國內外研究人員已經提出多種光束質量評價因子并加以利用，但是對于激光光束質量一直沒有統一的評價標準和規范的測量方法。特別是近年來激光相干合成技術得到了迅猛發展，合成后光束質量的評價也缺乏統一的評價方案。該文對已有的各種光束質量因子進行簡單評述，并引入光束傳輸因子（BPF）作為高能激光光束質量通用評價標準。詳細介紹了BPF的物理本質與測量方法，并通過模擬計算對其用于評價單柬激光和相干合成光束的普適性進行分析。結果表明，BPF具有物理概念明晰、測量方便、通用性強等優勢，適合于評價高能激光光束質量。 采用三級主振蕩功率放大（MOPA）結構，建立了一臺平均輸出功率30 W的皮秒脈沖摻鐿光纖激光器。其輸出尾纖芯徑為30 μm，輸出激光脈寬約20 ps，重復頻率為59.8 MHz，光束質量因子M2小于1.5。將該高功率脈沖激光耦合到芯徑7 μm的國產光子晶體光纖（PCF）中，實現了近3 W的超連續譜輸出。為了增加耦合效率并避免光纖端面損傷，在皮秒激光源與光子晶體光纖之間加上一段芯徑15 μm的過渡光纖，得到的輸出超連續譜具有很好的平坦性。-10 dB譜寬超過1100 nm（其中1064 nm處殘留的激光峰除外），超出所用光譜儀600～1700 nm的觀測范圍。輸出光斑為一帶有六角形彩色包絡的白色基模光斑。 利用傳輸矩陣法計算模擬了一維光子品體（ABCBA）m的透射譜，當介電常數為實數時，光子晶體透射譜出現有規律性的共振透射鋒，具有多通道光濾波的特性；當C層介質中摻人增益特性的雜質時，透射峰出現多條合一現象，且當周期數m為奇數時，出現透射率恒為0.05 ω/ω0的透射衰減現象，當周期數m為偶數時出現高達104數量級的透射增益現象，增益的強度與重復周期數m和C層折射率的虛部大小密切相關。這些現象為光子晶體實現單通道光濾波器、多通道光濾波器和光放大器提供理論指導。 采用激光沖擊強化技術對LY2鋁合金表面進行處理，利用掃描電鏡和透射電鏡對塑性變形層深度方向的不同區域進行結構表征，測量了元素成分的變化，并對激光沖擊強化鋁合金的微觀機理進行深人的研究。結果表明，激光沖擊能夠在LY2鋁合金表面產生亞微米級的亞晶結構，深度方向的位錯結構從隨機分布位錯到位錯線，再到位錯纏結，最后到亞晶進行逐步演變，最終形成細化的晶粒。激光沖擊的超高應變率對于粗晶的細化和最小平均晶粒尺寸的大小具有至關重要的作用。 光束質量是半導體激光器應用的最大瓶頸，但是可以利用光束整形技術加以改善。隨著半導體激光合束技術的發展，半導體激光光束質量的提高，由于其在效率方面的優勢，大功率半導體激光技術得到迅速發展。采用連續輸出60 W，轉換效率達到57%的880 nm大功率半導體激光bar條，組成20層的半導體激光疊陣，輸出功率達到1183 W，通過快慢軸準直及光束整形提高激光器的光束質量，最終實現1 kW功率輸出，電一光轉換效率超過45.8%，光束質量達到79.3 mm·mrad × 81.2 mm·mrad。從而使半導體激光器可直接應用于熔覆、表面硬化等領域。 提出了一種基于光反饋半導體激光器的混沌特性產生超寬帶（UWB）信號的新方法。一個商用的通信波段半導體激光器在外腔光反饋下實現混沌振蕩，輸出連續波混沌激光，經由一個電吸收調制器后。被調制為一系列混沌脈沖信號。該混沌脈沖信號的頻譜特性可通過調節半導體激光器的偏置電流和反饋強度進行控制。實驗分別獲得了中心頻率為4.0 GHz、相對帶寬為181%和214%的混沌脈沖UWB信號。進一步數值仿真了偏置電流和反饋系數對混沌脈沖UWB信號頻譜特性的影響，實驗結果與模擬驗證相符。該方法實驗裝置簡單，UWB信號頻譜特性易控，可用作未來UWB光纖無線通信系統的光生微波信號發生裝置。 在激光雷達目標識別中，通常需要估計目標姿態，進而將點云和模型匹配以完成識別。對目標姿態與投影點云分布的關系進行了分析，提取了投影點云密度熵（PDE）特征對點云分布進行度量。依據目標姿態與PDE之間的關系，提出了一種新的目標姿態估計方法，將點云繞坐標軸旋轉，并計算旋轉后點云的PDE，以PDE最小值所對應的旋轉角作為目標姿態角。仿真了5類地面裝甲目標在不同視點下的激光雷達點云，對比分析了PDE方法和矩形擬合法及主成分分析（PCA）方法在自遮擋下和遮擋下的目標姿態估計性能，討論了參數選擇對算法性能的影響，給出了PDE方法的快速實現方式。實驗結果表明，PDE方法在自遮擋和遮擋情況下的姿態角估計性能及算法穩健性明顯優于矩形擬合法和PCA方法，特別適合嚴重遮擋下的目標姿態估計。 通過實驗研究了閾噪比（TNR）不變時信噪比（SNR）對激光雷達測距特性的影響，結果表明，信噪比遠高于閾噪比時，激光雷達測距數據的離散分布服從正態分布，且隨著信噪比的降低，測距數據離散分布逐漸偏離正態分布，呈現上升沿陡下降沿緩的形式；當信噪比接近閾噪比時，測距數據的離散分布又逐漸趨向于正態分布，但此時激光雷達的漏測率迅速增加。在此基book=39,ebook=43礎上，采用置信概率68.2% 對應置信區間的一半來衡量激光雷達的測距精度，并給出了測距精度計算方法，它能更準確地表征激光雷達測距數據的密集度，具有更好的普適性。 細胞三維定量成像為中藥飲片顯微鑒別提供了新方法。為了提高數字全息顯微成像質量，采用理論分析與實驗驗證相結合的方法，對球面參考光像面數字全息顯微術的記錄和再現過程進行了研究，提出了利用標準分辨率測試板對系統放大倍數、物距等參數進行標定的方法；并利用實驗結果對兩種常見的相位解包裹方法進行了對比。結果表明：球面參考光像面數字全息圖不僅具有較高的信息容量，而且再現過程非常簡單，還可以在記錄過程中實時觀察被記錄樣品的情況，并選擇恰當的被記錄區域。利用美國空軍分辨率測試板的強度再現像就可以對全息成像系統的放大倍數等參數進行精確標定；利用基于橫向剪切的最小二乘解包裹方法可以得到具有較大縱深細胞的準確相位；采取邊緣識別技術，可以提高細胞再現像顯示效果。 建立了一套預放大式數字全息顯微成像系統，通過對樣品進行顯微放大，實現了高分辨率的定量相位成像；并通過計算機控制相機自動曝光記錄序列的數字全息圖實現了動態相位成像。用標準樣品驗證了系統測量的準確性；以活體洋蔥表皮細胞和血紅細胞為樣品，獲得了清晰的定量相位像；以置于水環境的草履蟲為樣品，實現了動態成像。實驗結果表明建立的系統可以實現高分辨率的動態定量相位成像，可以應用于生物活體樣品的顯微研究。 以54.51Ti-37.68Ni-7.81B4C（元素前數字為質量分數值）粉末混合物為原料，利用激光熔覆技術在TA15鈦合金基材表面制得了以外加未熔B4C顆粒及快速凝固“原位”生成硼化鈦和碳化鈦為增強相，以金屬間化合物TiNi、Ti2Ni為基體的復合涂層。采用光學顯微鏡（OM）、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）等手段分析了涂層顯微組織，并測試了涂層的二體磨粒磨損性能。結果表明，激光熔覆硬質顆粒增強金屬間化合物復合涂層硬度高、組織均勻并表現出優異的抗磨粒磨損性能。高硬度、高耐磨的B4C、硼化鈦和碳化鈦陶瓷增強相與高韌性TiNi/Ti2Ni金屬間化合物基體的強韌結合是激光熔覆涂層優異耐磨性的主要原因，其磨損機理為輕微的顯微切削和塑性變形。 基于多模干涉效應的單模-多模-單模（SMS）結構光纖折射率傳感器通常需要進行包層腐蝕來提高靈敏度，而且易受環境溫度影響。為克服SMS結構的這些不足，提出了一種新型的基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器，由單模光纖—色散補償光纖—單模光纖（SMF-DCF-SMF）級聯光纖布拉格光柵（FBG）構成，長度不超過100 mm。對其靈敏度、線性范圍和溫度特性等進行了測試，實驗結果顯示在測量折射率為1.33～1.39的折射率液時，特征波長與折射率呈線性關系，靈敏度為232.8 nm，級聯的FBG具有良好的溫度校準功能。

關鍵詞：激光焊接；異種金屬；熔凝機制；焊接缺陷 傳感器；光柵傳感器；傳感器技術；表面等離子體共振；共振角 光學設計；光刻投影物鏡；波前畸變；應力雙折射；融石英；元件支撐 子孔徑拼接干涉術；非球面；調整誤差；模式搜索算法；非共路誤差 激光技術；光束質量；M2因子；β因子 光纖通信；光調制；正交頻分復用；光正交頻分復用 太赫茲波；太赫茲通信系統；高速短距離無線互聯通信；太赫茲空間通信 高能激光；光束質量；評價標準；相干合成 激光器；光纖光學；放大器；皮秒脈沖；高功率；超連續譜；光子晶體光纖 光子晶體；復介電常量；透射增益 激光技術；激光沖擊強化；塑性變形；晶粒細化；超高應變率 激光器；激光二極管；光束整形；高功率 激光器；半導體激光器；混沌激光；光纖無線通信；超寬帶信號 信號處理；激光雷達；目標識別；姿態估計 激光技術；激光雷達；測距精度；置信概率；置信區間；信噪比 數字全息術；像面數字全息術；球面參考光；中藥飲片；相位測量 全息；數字全息；數字全息顯微；定量相位成像；活體生物樣品 激光技術；涂層；復合材料；激光熔覆；金屬間化合物；磨損 光纖光學；光纖傳感器；折射率傳感器；色散補償光纖

基于光盤光柵的表面等離子體共振傳感器

劉暢，鄒正峰，陳淑芬，等

來源出版物：中國激光, 2012, 39(3): 0314001

入選年份：2013

支撐應力對光刻透鏡透射波前畸變的影響

王平，田偉，王汝冬，等

來源出版物：中國光學, 2013, 6(1): 57-63

入選年份：2014

子孔徑拼接檢測非球面時調整誤差的補償

王孝坤

來源出版物：中國光學, 2013, 6(1): 88-95

入選年份：2014

激光光束質量綜合評價的探討

馮國英，周壽桓

2因子矩陣以表述光束的像散特性，給出了M2因子的不變量。

來源出版物：中國激光, 2009, 36(7): 1643-1653

入選年份：2014

直接檢測的光正交頻分復用信號光纖傳輸系統實驗研究

陳林，曹子崢，董澤，等

來源出版物：中國激光, 2009, 36(3): 554-557

入選年份：2014

太赫茲通信技術的研究與展望

姚建銓，遲楠，楊鵬飛，等

來源出版物：中國激光, 2009, 36(9): 2213-2233

入選年份：2014

高能激光光束質量通用評價標準的探討

劉澤金，周樸，許曉軍

來源出版物：中國激光, 2009, 36(4): 773-778

入選年份：2014

30 W皮秒脈沖光纖激光器及高功率超連續譜的產生

陳勝平，諶鴻偉，侯靜，等

來源出版物：中國激光, 2010, 37(8): 1943-1949

入選年份：2014

含復介電常數一維光子晶體的濾波特性

蘇安，高英俊

來源出版物：中國激光, 2009, 36(6): 1535-1538

激光單次沖擊LY2鋁合金微觀強化機制研究

魯金忠，羅開玉，馮愛新，等

來源出版物：中國激光, 2010, 37(10): 2662-2666

入選年份：2014

大功率半導體激光光源光束整形技術研究

彭航宇，顧媛媛，單肖楠，等

來源出版物：中國激光, 2011, 38(2): 0202010

入選年份：2014

利用光反饋半導體激光器產生超寬帶混沌脈沖信號

張明江，劉鐵根，鄭建宇，等

來源出版物：中國激光, 2011, 38(4): 0405002

入選年份：2014

一種新的激光雷達目標姿態估計算法

郭裕蘭，魯敏，譚志國，等

來源出版物：中國激光, 2011, 38(4): 0414002

入選年份：2014

激光雷達的測距特性及其測距精度研究

姜海嬌，來建成，王春勇，等

來源出版物：中國激光, 2011, 38(5): 0514001

入選年份：2014

基于像面數字全息術的中藥飲片細胞定量成像技術研究

王華英，郭中甲，張志會，等

來源出版物：中國激光, 2012, 39(2): 0209002

入選年份：2014

數字全息顯微定量相位成像的實驗研究

馬利紅，王輝，金洪震，等

來源出版物：中國激光, 2012, 39(3): 0309002

入選年份：2014

鈦合金激光熔覆硬質顆粒增強金屬間化合物復合涂層耐磨性

馮淑容，張述泉，王華明

來源出版物：中國激光, 2012, 39(2): 0203002

入選年份：2014

基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器

孫浩，忽滿利，喬學光，等

來源出版物：中國激光, 2012, 39(2): 0205001

入選年份：2014

來源出版物：中國激光, 2009, 36(2): 261-268

入選年份：2014