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介质微球光场调控制备多级银微纳结构及其表面增强拉曼光谱研究(特邀)

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中国激光 2024年第4期51卷 266-277页

作者：陈冰冰闫胤洲赵晨赵艳蒋毅坚北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院北京100124

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势,但在微纳结构多样化制造方面存在局限性,限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性,... 详细信息

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势,但在微纳结构多样化制造方面存在局限性,限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性,揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律,在微球底部实现了可控的光场空间分布,实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步,通过优化制备参数(前驱液浓度比、激光辐照功率及辐照时间),成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球(AgNPs/AgMRs/MS)复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构(AgNPs/AgMRs)中的光场耦合,即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离激元共振以及复合结构定向发射等,实现了10^(-14)mol/L的痕量检测,增强因子可达9.50×10^(9),为光化学还原制备高性能介质-金属复合SERS衬底提供了新思路。

关键词：光谱学表面增强拉曼光谱多级银微纳结构光化学还原介质微球

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抑制调Q不稳定性的非线性镜锁模激光器

中国激光 2024年第14期51卷 46-53页

作者：韩佳坤李国泰李帅赵静朱占达雷訇李强北京工业大学物理与光电工程学院北京100124 北京市激光应用技术工程技术研究中心北京100124 激光先进制造北京市高等学校工程研究中心北京100124 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室北京100124

为了抑制高功率非线性镜锁模激光器的调Q不稳定性,提出了一种双晶体二次倍频非线性镜结构,通过加入第二块非线性晶体将二次谐波倍频为四次谐波来产生损耗,从而实现非线性反射率的提前饱和。该结构降低了非线性镜锁模器件的饱和峰值功率... 详细信息

为了抑制高功率非线性镜锁模激光器的调Q不稳定性,提出了一种双晶体二次倍频非线性镜结构,通过加入第二块非线性晶体将二次谐波倍频为四次谐波来产生损耗,从而实现非线性反射率的提前饱和。该结构降低了非线性镜锁模器件的饱和峰值功率密度和调制深度,从而降低连续锁模阈值,得到稳定的连续锁模输出。通过理论分析这种非线性镜结构抑制调Q不稳定性的原理和表达,并使用大芯径晶体方波导作为增益介质,进一步搭建实验,验证了这一结构的可行性。最终实验获得了功率为26.5 W、重复频率为32.2 MHz、脉宽为0.95 ps的连续锁模脉冲输出。实验结果表明,这种高功率非线性镜锁模激光器结构简单、稳定可靠,并且该器件在高功率锁模激光器的发展中具有巨大潜力。

关键词：锁模晶体波导调Q 锁模连续锁模非线性镜锁模高功率

基于光谱合束的双波长输出Nd:YAG固体激光器

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红外与激光工程 2024年第1期53卷 121-126页

作者：王路达吴伟冲朱占达白振旭惠勇凌雷訇李强北京工业大学材料与制造学院激光工程研究所北京100124 跨尺度激光制造技术教育部重点实验室北京100124 北京市激光技术工程研究中心北京100124 北京市高等院校先进激光制造工程研究中心北京100124 河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401

报道了一种基于光谱合束的Nd:YAG固体激光器双波长光源。系统由两个固体Nd:YAG脉冲激光器通过光谱合束组合而成,两个固体Nd:YAG脉冲激光器可独立工作,有利于输出脉冲的波长调谐、功率调节和相对延迟调整。通过光栅的色散特性以及输出镜... 详细信息

报道了一种基于光谱合束的Nd:YAG固体激光器双波长光源。系统由两个固体Nd:YAG脉冲激光器通过光谱合束组合而成,两个固体Nd:YAG脉冲激光器可独立工作,有利于输出脉冲的波长调谐、功率调节和相对延迟调整。通过光栅的色散特性以及输出镜的共同外腔反馈将各个激光器锁定在不同波长,从而实现合束,获得的激光源中心波长锁定在1 061.5 nm和1 064.6 nm,两谱线中心间距为3.1 nm,组合光束的输出能量为173 mJ,组合光束的光束质量因子M2为2.8×2.2;两个Nd:YAG激光器独立工作的输出能量分别为94 mJ和92 mJ,在合束方向上的光束质量因子M2分别为2.7和2.1,在非合束方向上的光束质量因子M2分别为2.2和1.9;组合光束的输出能量为两个Nd:YAG激光器能量总和的93%,组合光束的光束质量因子与单个Nd:YAG激光束的光束质量因子M2基本相同。该双波长激光源满足波长间隔小、输出功率大小相近、同光轴等要求,在太赫兹波产生、测速激光雷达以及医疗仪器等应用领域具有重要作用。

关键词：双波长 Nd:YAG激光器光谱合束输出能量光束质量

超声振动对激光修复镍基高温合金晶粒特征及其缺陷的影响

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表面技术 2024年第13期53卷 33-43页

作者：姚喆赫丁成桦迟一鸣王振刘云峰金朝龙姚建华浙江工业大学激光先进制造研究院杭州310023 浙江工业大学机械工程学院杭州310023 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室杭州310023 苏州天弘激光股份有限公司江苏苏州215100

目的研究超声振动对激光修复镍基高温合金梯形槽修复区显微组织及力学性能的影响,为实现高温合金的高质量激光增材修复提供参考。方法以镍基高温合金为基体和修复材料,并将超声振动引入激光增材修复过程中。采用光学显微镜,对比分析有... 详细信息

目的研究超声振动对激光修复镍基高温合金梯形槽修复区显微组织及力学性能的影响,为实现高温合金的高质量激光增材修复提供参考。方法以镍基高温合金为基体和修复材料,并将超声振动引入激光增材修复过程中。采用光学显微镜,对比分析有无超声振动时梯形槽修复区的显微组织结构;采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等设备,表征不同超声功率下梯形槽修复区的晶粒取向、析出相分布和元素组成;结合试验研究与机理分析,揭示超声振动对修复区晶粒特征和缺陷的影响规律。结果超声振动减少了梯形槽修复区底角的缺陷,修复区一次枝晶间距平均值由6.74μm减至3.38μm,晶粒平均尺寸由58.4μm降至50.2μm,等轴晶占比由46.6%增至63.4%,Laves相析出含量减少。当超声功率为4000 W时,梯形槽修复区的平均显微硬度为256.2HV0.2,相较于无超声振动时提高了17.7HV0.2。结论在超声振动作用下,梯形槽底角的熔合不良缺陷得到抑制,一次枝晶间距减小,长条状Laves相转变为颗粒状Laves相,且随着超声功率的增大,梯形槽修复区的平均显微硬度逐渐增大。

关键词：超声振动激光修复镍基高温合金微观组织 Laves相显微硬度

高功率激光对不同模式熔化极气体保护焊熔滴过渡与焊缝成形的影响

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中国激光 2024年第12期51卷 59-71页

作者：郑亚风王贺超张毫杰张群莉王梁张华夏吴让大姚建华浙江工业大学激光先进制造研究院浙江杭州310023 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室浙江杭州310023 浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310023 奔腾激光(浙江)股份有限公司浙江温州325000

通过对10 mm厚Q345钢进行高功率激光-电弧复合焊接实验,对比研究了7.5 kW激光对不同模式电弧焊接熔滴过渡与焊缝成形的影响。结果表明:高功率激光的加入对标准熔化极活性气体保护电弧焊(MAG)、冷金属过渡弧焊(CMT)和脉冲电弧焊接过程中... 详细信息

通过对10 mm厚Q345钢进行高功率激光-电弧复合焊接实验,对比研究了7.5 kW激光对不同模式电弧焊接熔滴过渡与焊缝成形的影响。结果表明:高功率激光的加入对标准熔化极活性气体保护电弧焊(MAG)、冷金属过渡弧焊(CMT)和脉冲电弧焊接过程中的熔滴过渡有显著影响。在标准MAG焊接过程中,激光会吸引和压缩电弧,导致电弧长度显著缩短,同时匙孔喷出的金属蒸气与等离子体会降低熔滴过渡频率;在CMT焊接过程中,激光会延长单次短路过渡周期,同时引起的熔池振荡会降低短路过渡的稳定性;在脉冲电弧焊接时,激光的加入提高了熔滴过渡频率,同时匙孔处的气流对熔滴过渡起阻碍作用,使熔滴向熔池侧面过渡,造成飞溅的产生。与单一电弧焊接相比,激光-标准MAG与激光-脉冲电弧复合焊接中的焊缝熔宽增加,而激光-CMT焊接中的焊缝熔宽的变化不明显;受熔滴直径和过渡频率的影响,激光-标准MAG与激光-CMT焊接中的焊缝余高减小,而激光-脉冲电弧焊接中的焊缝余高略有增加。三种电弧模式下激光与电弧相互作用的熔化能增量值(ψ)不同,其中,激光-脉冲电弧复合焊接的ψ值最高(36%),其次为激光-标准MAG复合焊接(19%),激光-CMT复合焊接的ψ值最小(-12%)。

关键词：激光技术高功率激光-电弧复合焊接电弧模式熔滴过渡焊缝成形

纳秒脉冲激光清洗DC04冷轧带钢表面油污的数值模拟与实验研究

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 302-310页

作者：郝佳帆秦文斌刘友强姜梦华曹银花王智勇北京工业大学材料与制造学部北京市激光应用技术工程技术研究中心北京100124 北京工业大学跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室北京100124 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院北京100124

针对DC04冷轧带钢表面冷轧油的清洗需求,利用COMSOL Multiphysics软件对纳秒脉冲激光清洗DC04冷轧带钢表面油污的温度场分布及油污去除过程建立模型,结果表明,当光斑半径为80μm、激光能量密度达到3.48 J/cm^(2)时,油污基本上可以被去... 详细信息

针对DC04冷轧带钢表面冷轧油的清洗需求,利用COMSOL Multiphysics软件对纳秒脉冲激光清洗DC04冷轧带钢表面油污的温度场分布及油污去除过程建立模型,结果表明,当光斑半径为80μm、激光能量密度达到3.48 J/cm^(2)时,油污基本上可以被去除。然后,利用纳秒脉冲激光对冷轧带钢表面的冷轧油进行了激光清洗实验研究。结果表明,当激光能量密度达到3.48 J/cm^(2)、激光光斑搭接率为50%时,油污基本上被去除,符合模拟仿真结果。另外,还对激光光斑搭接率对激光清洗效果的影响进行了研究,结果表明,当激光光斑搭接率降低至37.5%时,激光能量密度需增大至4.47 J/cm^(2)。因此,利用纳秒脉冲激光可以有效清洗DC04冷轧带钢表面的冷轧油,并且不会对带钢表面造成明显损伤,为纳秒脉冲激光清洗其他种类材料表面油污的工艺参数确定提供了参考。

关键词：激光清洗纳秒脉冲激光 DC04冷轧带钢油污有限元模拟

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脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

表面技术 2024年第13期53卷 1-12,32页

作者：郑敏黄婷肖荣诗北京工业大学智能光子制造研究中心北京100124

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光... 详细信息

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势。针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理。最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望。

关键词：激光增材制造脉冲激光冲击组织成形缺陷残余应力

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柔性电子制造领域的超快激光技术:机制、特征功用及挑战(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第1期61卷 207-222页

作者：季凌飞孙伟高林真源周博昊程维温亚楠王冠强北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院北京100124 北京工业大学跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室北京100124 北京市激光应用技术工程技术研究中心北京100124

随着智能化时代的到来,柔性电子由于其极强的共形能力和优异的器件性能,在进一步推动现代化产业发展中取得越来越重要的地位。超快激光技术以其优异的高精制造能力在柔性电子高分辨无损制备上展示出独特的优势和应用前景。本文从超快激... 详细信息

随着智能化时代的到来,柔性电子由于其极强的共形能力和优异的器件性能,在进一步推动现代化产业发展中取得越来越重要的地位。超快激光技术以其优异的高精制造能力在柔性电子高分辨无损制备上展示出独特的优势和应用前景。本文从超快激光与物质相互作用基本机制入手,着重介绍了当前超快激光在柔性电子领域的四种典型特征功用及其研究现状,并据此总结该领域超快激光应用所面临的挑战和未来发展趋势。

关键词：超快激光柔性电子微纳加工

高效率高稳定性LD角侧泵浦Nd:YAG电光调Q激光器

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激光与光电子学进展 2024年

作者：郭嘉祥朱占达王路达雷訇李强北京市激光应用技术工程研究中心跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室北京工业大学物理与光电工程学院激光先进制造北京市高等学校工程研究中心

设计并通过实验验证了一种激光二极管（LD）角侧泵浦Nd:YAG电光调Q激光器，实现了高效率、高稳定性的1.06μm脉冲激光输出。通过采用低掺杂的Nd:YAG晶体作为增益介质及在其两侧键合Sm:YAG晶体来抑制放大自发辐射（ASE）和寄生振荡；采... 详细信息

设计并通过实验验证了一种激光二极管（LD）角侧泵浦Nd:YAG电光调Q激光器，实现了高效率、高稳定性的1.06μm脉冲激光输出。通过采用低掺杂的Nd:YAG晶体作为增益介质及在其两侧键合Sm:YAG晶体来抑制放大自发辐射（ASE）和寄生振荡；采用角泵浦直接抽运的方式，增加泵浦吸收光程来增加增益晶体的泵浦吸收效率，采用zig-zag结构形式改善热效应。在泵浦脉冲能量383 mJ、重复频率20 Hz、泵浦脉冲宽度230μs的条件下，获得了单脉冲能量97.5 mJ、脉冲宽度为7 ns的激光输出，输出能量的动静比为95.3%，光-光转换效率25.43%，两个方向的光束质量因子M2x=4.31,M2y=4.67，持续工作140s内调Q输出能量变化小于2%，连续三个工作循环的能量不稳定度同样均小于2%；每次输出能量衰减分别为1.59%、2.11%，输出能量总衰减为3.67%。

关键词：激光器电光调Q Zig-zag 高效率高稳定性