光电子学与激光技术

异种金属激光焊接关键问题研究

虞钢，赵树森，张永杰，等



光电子学与激光技术

异种金属激光焊接关键问题研究

虞钢，赵树森，张永杰，等

摘要：现代工程结构要求对异种金属材料进行焊接。激光焊接具有密度高、焊缝深宽比大、热影响区窄以及变形小等特点，成为异种金属材料焊接的有效方法。异种金属激光焊接过程包含多种效应，机制复杂。比如，材料性能差异对焊缝微观组织与宏观性能的影响；焊接熔池的形成、演化机制；熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成等。围绕异种金属激光焊接过程中的关键问题，国内外开展了诸多研究工作，对此进行了全面阐述。在此基础上，指出异种金属材料激光焊接研究中的不足及发展方向。 采用CD光盘光栅作为表面等离子体共振（SPR）传感器的耦合元件，通过检测共振角的变化对液体浓度进行传感测量。结果表明CD光栅耦合型SPR传感器对葡萄糖溶液的灵敏度可达3%（质量分数），理论分辨率为1%（质量分数）。通过模拟不同光栅周期、光栅槽形和待测介质折射率对共振曲线的影响，发现缩短光栅周期、使用正弦槽形的光栅作为耦合基底，都可以进一步提高这种传感器的灵敏度。 为了设计光刻物镜的支撑结构，建立了支撑应力对透镜透射波前影响的模型，研究了该模型中支撑应力与折射率的关系及支撑应力对透镜透射波前畸变的影响。首先，根据晶体理论，建立了融石英透镜波前畸变与支撑应力之间关系的仿真模型。然后，分析了不同支撑结构下支撑应力与融石英透镜波前的关系。最后，分析了支撑应力造成的透射波前畸变的性质，并选择合适的物镜支撑结构。研究结果表明：光刻物镜支撑结构的支撑应力对透镜的透射波前有很大的影响：3点支撑的波前畸变PV值为3.69 nm；随着支撑点数量的增加，支撑应力造成的透射波前畸变逐渐减少；采用大于9点的支撑结构即可满足光刻投影物镜的元件支撑需求。 针对在子孔径拼接测量非球面的过程中干涉仪与待测非球面相对位置存在的对准误差，提出了一种基于模式搜索迭代算法的调整误差补偿方法。该方法可以很好地从测量的子孔径相位数据中消除由拼接测量位置没有对准带来的调整误差，实现多个子孔径的精确拼接。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究，建立了子孔径拼接测量的调整误差补偿模型。对口径为230 mm×141 mm的离轴碳化硅非球面反射镜进行了调整误差补偿和相位数据拼接，得到了精确的全口径面形分布。作为验证，对待测非球面进行了零位补偿检测，结果显示两种测试方法的面形PV值和RMS值的相对偏差仅为0.57%和2.74%。 综述了现有的3类激光光束质量评价方法，即近场质量、远场质量和传输质量。主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数β因子、斯特列尔比、环围能量比以及M2因子等。讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性。提出了采用M 研制了直接检测的光正交频分复用（OOFDM）光纤传输实验系统。实验中产生了2 Gbit/s的正交相移键控（QPSK）、正交频分复用（OFDM）光信号，并成功地在标准单模光纤中传输了200 km。测量得到在误码率为10-6时，单模光纤传输200 km后的功率代价小于2 dB。比较了光纤传输前后OFDM信号的波形、频谱以及星座图，发现光正交频分复用信号能很好地抵抗光纤中的色散效应。 太赫兹通信是一个极具应用前景的技术，太赫兹波有非常宽的还没分配的频带，并且具有传输速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等许多特性。发展太赫兹通信技术已成为各发达国家研究的热点。该文分析了国内外太赫兹通信的研究情况；以太赫兹通信系统的整体框架，全面地介绍和分析了太赫兹通信的一些关键技术和最新研究成果；同时，对太赫兹的技术发展趋势和应用前景做了展望，提出了太赫兹技术的发展战略。 激光光束质量评价是激光光学中的一个经典问题。目前国内外研究人员已经提出多种光束质量评价因子并加以利用，但是对于激光光束质量一直没有统一的评价标准和规范的测量方法。特别是近年来激光相干合成技术得到了迅猛发展，合成后光束质量的评价也缺乏统一的评价方案。该文对已有的各种光束质量因子进行简单评述，并引入光束传输因子（BPF）作为高能激光光束质量通用评价标准。详细介绍了BPF的物理本质与测量方法，并通过模拟计算对其用于评价单柬激光和相干合成光束的普适性进行分析。结果表明，BPF具有物理概念明晰、测量方便、通用性强等优势，适合于评价高能激光光束质量。 采用三级主振荡功率放大（MOPA）结构，建立了一台平均输出功率30 W的皮秒脉冲掺镱光纤激光器。其输出尾纤芯径为30 μm，输出激光脉宽约20 ps，重复频率为59.8 MHz，光束质量因子M2小于1.5。将该高功率脉冲激光耦合到芯径7 μm的国产光子晶体光纤（PCF）中，实现了近3 W的超连续谱输出。为了增加耦合效率并避免光纤端面损伤，在皮秒激光源与光子晶体光纤之间加上一段芯径15 μm的过渡光纤，得到的输出超连续谱具有很好的平坦性。-10 dB谱宽超过1100 nm（其中1064 nm处残留的激光峰除外），超出所用光谱仪600～1700 nm的观测范围。输出光斑为一带有六角形彩色包络的白色基模光斑。 利用传输矩阵法计算模拟了一维光子品体（ABCBA）m的透射谱，当介电常数为实数时，光子晶体透射谱出现有规律性的共振透射锋，具有多通道光滤波的特性；当C层介质中掺人增益特性的杂质时，透射峰出现多条合一现象，且当周期数m为奇数时，出现透射率恒为0.05 ω/ω0的透射衰减现象，当周期数m为偶数时出现高达104数量级的透射增益现象，增益的强度与重复周期数m和C层折射率的虚部大小密切相关。这些现象为光子晶体实现单通道光滤波器、多通道光滤波器和光放大器提供理论指导。 采用激光冲击强化技术对LY2铝合金表面进行处理，利用扫描电镜和透射电镜对塑性变形层深度方向的不同区域进行结构表征，测量了元素成分的变化，并对激光冲击强化铝合金的微观机理进行深人的研究。结果表明，激光冲击能够在LY2铝合金表面产生亚微米级的亚晶结构，深度方向的位错结构从随机分布位错到位错线，再到位错缠结，最后到亚晶进行逐步演变，最终形成细化的晶粒。激光冲击的超高应变率对于粗晶的细化和最小平均晶粒尺寸的大小具有至关重要的作用。 光束质量是半导体激光器应用的最大瓶颈，但是可以利用光束整形技术加以改善。随着半导体激光合束技术的发展，半导体激光光束质量的提高，由于其在效率方面的优势，大功率半导体激光技术得到迅速发展。采用连续输出60 W，转换效率达到57%的880 nm大功率半导体激光bar条，组成20层的半导体激光叠阵，输出功率达到1183 W，通过快慢轴准直及光束整形提高激光器的光束质量，最终实现1 kW功率输出，电一光转换效率超过45.8%，光束质量达到79.3 mm·mrad × 81.2 mm·mrad。从而使半导体激光器可直接应用于熔覆、表面硬化等领域。 提出了一种基于光反馈半导体激光器的混沌特性产生超宽带（UWB）信号的新方法。一个商用的通信波段半导体激光器在外腔光反馈下实现混沌振荡，输出连续波混沌激光，经由一个电吸收调制器后。被调制为一系列混沌脉冲信号。该混沌脉冲信号的频谱特性可通过调节半导体激光器的偏置电流和反馈强度进行控制。实验分别获得了中心频率为4.0 GHz、相对带宽为181%和214%的混沌脉冲UWB信号。进一步数值仿真了偏置电流和反馈系数对混沌脉冲UWB信号频谱特性的影响，实验结果与模拟验证相符。该方法实验装置简单，UWB信号频谱特性易控，可用作未来UWB光纤无线通信系统的光生微波信号发生装置。 在激光雷达目标识别中，通常需要估计目标姿态，进而将点云和模型匹配以完成识别。对目标姿态与投影点云分布的关系进行了分析，提取了投影点云密度熵（PDE）特征对点云分布进行度量。依据目标姿态与PDE之间的关系，提出了一种新的目标姿态估计方法，将点云绕坐标轴旋转，并计算旋转后点云的PDE，以PDE最小值所对应的旋转角作为目标姿态角。仿真了5类地面装甲目标在不同视点下的激光雷达点云，对比分析了PDE方法和矩形拟合法及主成分分析（PCA）方法在自遮挡下和遮挡下的目标姿态估计性能，讨论了参数选择对算法性能的影响，给出了PDE方法的快速实现方式。实验结果表明，PDE方法在自遮挡和遮挡情况下的姿态角估计性能及算法稳健性明显优于矩形拟合法和PCA方法，特别适合严重遮挡下的目标姿态估计。 通过实验研究了阈噪比（TNR）不变时信噪比（SNR）对激光雷达测距特性的影响，结果表明，信噪比远高于阈噪比时，激光雷达测距数据的离散分布服从正态分布，且随着信噪比的降低，测距数据离散分布逐渐偏离正态分布，呈现上升沿陡下降沿缓的形式；当信噪比接近阈噪比时，测距数据的离散分布又逐渐趋向于正态分布，但此时激光雷达的漏测率迅速增加。在此基book=39,ebook=43础上，采用置信概率68.2% 对应置信区间的一半来衡量激光雷达的测距精度，并给出了测距精度计算方法，它能更准确地表征激光雷达测距数据的密集度，具有更好的普适性。 细胞三维定量成像为中药饮片显微鉴别提供了新方法。为了提高数字全息显微成像质量，采用理论分析与实验验证相结合的方法，对球面参考光像面数字全息显微术的记录和再现过程进行了研究，提出了利用标准分辨率测试板对系统放大倍数、物距等参数进行标定的方法；并利用实验结果对两种常见的相位解包裹方法进行了对比。结果表明：球面参考光像面数字全息图不仅具有较高的信息容量，而且再现过程非常简单，还可以在记录过程中实时观察被记录样品的情况，并选择恰当的被记录区域。利用美国空军分辨率测试板的强度再现像就可以对全息成像系统的放大倍数等参数进行精确标定；利用基于横向剪切的最小二乘解包裹方法可以得到具有较大纵深细胞的准确相位；采取边缘识别技术，可以提高细胞再现像显示效果。 建立了一套预放大式数字全息显微成像系统，通过对样品进行显微放大，实现了高分辨率的定量相位成像；并通过计算机控制相机自动曝光记录序列的数字全息图实现了动态相位成像。用标准样品验证了系统测量的准确性；以活体洋葱表皮细胞和血红细胞为样品，获得了清晰的定量相位像；以置于水环境的草履虫为样品，实现了动态成像。实验结果表明建立的系统可以实现高分辨率的动态定量相位成像，可以应用于生物活体样品的显微研究。 以54.51Ti-37.68Ni-7.81B4C（元素前数字为质量分数值）粉末混合物为原料，利用激光熔覆技术在TA15钛合金基材表面制得了以外加未熔B4C颗粒及快速凝固“原位”生成硼化钛和碳化钛为增强相，以金属间化合物TiNi、Ti2Ni为基体的复合涂层。采用光学显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等手段分析了涂层显微组织，并测试了涂层的二体磨粒磨损性能。结果表明，激光熔覆硬质颗粒增强金属间化合物复合涂层硬度高、组织均匀并表现出优异的抗磨粒磨损性能。高硬度、高耐磨的B4C、硼化钛和碳化钛陶瓷增强相与高韧性TiNi/Ti2Ni金属间化合物基体的强韧结合是激光熔覆涂层优异耐磨性的主要原因，其磨损机理为轻微的显微切削和塑性变形。 基于多模干涉效应的单模-多模-单模（SMS）结构光纤折射率传感器通常需要进行包层腐蚀来提高灵敏度，而且易受环境温度影响。为克服SMS结构的这些不足，提出了一种新型的基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器，由单模光纤—色散补偿光纤—单模光纤（SMF-DCF-SMF）级联光纤布拉格光栅（FBG）构成，长度不超过100 mm。对其灵敏度、线性范围和温度特性等进行了测试，实验结果显示在测量折射率为1.33～1.39的折射率液时，特征波长与折射率呈线性关系，灵敏度为232.8 nm，级联的FBG具有良好的温度校准功能。

关键词：激光焊接；异种金属；熔凝机制；焊接缺陷 传感器；光栅传感器；传感器技术；表面等离子体共振；共振角 光学设计；光刻投影物镜；波前畸变；应力双折射；融石英；元件支撑 子孔径拼接干涉术；非球面；调整误差；模式搜索算法；非共路误差 激光技术；光束质量；M2因子；β因子 光纤通信；光调制；正交频分复用；光正交频分复用 太赫兹波；太赫兹通信系统；高速短距离无线互联通信；太赫兹空间通信 高能激光；光束质量；评价标准；相干合成 激光器；光纤光学；放大器；皮秒脉冲；高功率；超连续谱；光子晶体光纤 光子晶体；复介电常量；透射增益 激光技术；激光冲击强化；塑性变形；晶粒细化；超高应变率 激光器；激光二极管；光束整形；高功率 激光器；半导体激光器；混沌激光；光纤无线通信；超宽带信号 信号处理；激光雷达；目标识别；姿态估计 激光技术；激光雷达；测距精度；置信概率；置信区间；信噪比 数字全息术；像面数字全息术；球面参考光；中药饮片；相位测量 全息；数字全息；数字全息显微；定量相位成像；活体生物样品 激光技术；涂层；复合材料；激光熔覆；金属间化合物；磨损 光纤光学；光纤传感器；折射率传感器；色散补偿光纤

基于光盘光栅的表面等离子体共振传感器

刘畅，邹正峰，陈淑芬，等

来源出版物：中国激光, 2012, 39(3): 0314001

入选年份：2013

支撑应力对光刻透镜透射波前畸变的影响

王平，田伟，王汝冬，等

来源出版物：中国光学, 2013, 6(1): 57-63

入选年份：2014

子孔径拼接检测非球面时调整误差的补偿

王孝坤

来源出版物：中国光学, 2013, 6(1): 88-95

入选年份：2014

激光光束质量综合评价的探讨

冯国英，周寿桓

2因子矩阵以表述光束的像散特性，给出了M2因子的不变量。

来源出版物：中国激光, 2009, 36(7): 1643-1653

入选年份：2014

直接检测的光正交频分复用信号光纤传输系统实验研究

陈林，曹子峥，董泽，等

来源出版物：中国激光, 2009, 36(3): 554-557

入选年份：2014

太赫兹通信技术的研究与展望

姚建铨，迟楠，杨鹏飞，等

来源出版物：中国激光, 2009, 36(9): 2213-2233

入选年份：2014

高能激光光束质量通用评价标准的探讨

刘泽金，周朴，许晓军

来源出版物：中国激光, 2009, 36(4): 773-778

入选年份：2014

30 W皮秒脉冲光纤激光器及高功率超连续谱的产生

陈胜平，谌鸿伟，侯静，等

来源出版物：中国激光, 2010, 37(8): 1943-1949

入选年份：2014

含复介电常数一维光子晶体的滤波特性

苏安，高英俊

来源出版物：中国激光, 2009, 36(6): 1535-1538

激光单次冲击LY2铝合金微观强化机制研究

鲁金忠，罗开玉，冯爱新，等

来源出版物：中国激光, 2010, 37(10): 2662-2666

入选年份：2014

大功率半导体激光光源光束整形技术研究

彭航宇，顾媛媛，单肖楠，等

来源出版物：中国激光, 2011, 38(2): 0202010

入选年份：2014

利用光反馈半导体激光器产生超宽带混沌脉冲信号

张明江，刘铁根，郑建宇，等

来源出版物：中国激光, 2011, 38(4): 0405002

入选年份：2014

一种新的激光雷达目标姿态估计算法

郭裕兰，鲁敏，谭志国，等

来源出版物：中国激光, 2011, 38(4): 0414002

入选年份：2014

激光雷达的测距特性及其测距精度研究

姜海娇，来建成，王春勇，等

来源出版物：中国激光, 2011, 38(5): 0514001

入选年份：2014

基于像面数字全息术的中药饮片细胞定量成像技术研究

王华英，郭中甲，张志会，等

来源出版物：中国激光, 2012, 39(2): 0209002

入选年份：2014

数字全息显微定量相位成像的实验研究

马利红，王辉，金洪震，等

来源出版物：中国激光, 2012, 39(3): 0309002

入选年份：2014

钛合金激光熔覆硬质颗粒增强金属间化合物复合涂层耐磨性

冯淑容，张述泉，王华明

来源出版物：中国激光, 2012, 39(2): 0203002

入选年份：2014

基于纤芯失配多模干涉的光纤折射率传感器

孙浩，忽满利，乔学光，等

来源出版物：中国激光, 2012, 39(2): 0205001

入选年份：2014

来源出版物：中国激光, 2009, 36(2): 261-268

入选年份：2014