YAG激光毛化技术进展

二十世纪八十年代，当比利时冶金研究中心(CRM)开发出CO_2激光毛化冷轧辊技术后，尝试用YAG激光进行轧辊毛化一直吸引着众多的研究者，这是因为YAG(1.06μm)激光波长比CO_2(10.6μm)激光波长短一个量级，材料对YAG激光有更高的吸收率，并用YAG激光可以聚焦到更小的光斑尺寸，同时使用电信号驱动的声光开关技术便于对毛化分布进行可设定控制。但是用传统声光调制的YAG激光虽然可以碇以很高的脉冲频率(>30kHz)，但单脉冲有量仅为10mJ左右，难以达到辊面毛化粗糙度的要求，因此人们认为YAG激光用于毛化的主要困难是脉冲能量太小。

同轴送粉激光成形中粉末与激光的相互作用

详细介绍了同轴送粉激光成形过程中,金属粉末与激光束相互作用时间的计算方法。在ANSYS软件平台上,建立了金属粉末穿越激光束过程中粉末温度场的计算模型。系统计算了不同颗粒大小316L不锈钢粉末与不同功率激光束相互作用后的温度。在此基础上,计算了金属粉末与激光束的能量交换及金属粉末落入激光熔池后与激光熔池的能量交换。计算结果表明,在激光束直径为3 mm条件下,316L不锈钢粉末穿过功率大于1000 W的激光束后,所有尺寸金属粉末均被熔化,即金属粉末以液态进入激光熔池。通过金属粉末与激光束及激光熔池的能量交换计算,可知在激光成形中,约有5%的激光能量用于加热和熔化粉末,而大约95%的激光能量用于激光熔池的形成及由于热传导造成的热量损失。

激光辐照下圆薄板的动态屈曲研究

对强激光辐照下薄板（铜片）的动态热失稳过程进行了分析，得出了简支圆薄板在热冲击下发生的屈曲及后屈曲过程，并给出了临界激光功率密度与薄板厚径比的关系曲线，方法计入了温度分布、惯性项和缺陷大小对于失稳过程的影响。这一工作有利于人们对强激光引起的硬目标破坏机理的认识。

柔性加工中高功率激光束空间变换研究

在国民经济中占有重要地位的汽车工业中，对于大型覆盖件模具的表面强化处理，最常见的是火焰淬火。火焰淬火对操作人员的要求高，可控性差，效果不理想，但是由于一直没有适合的方法，目前也只能继续使用。而激光表面强化技术结合柔性加工系统正是解决这类问题的新途径。传统的激光表面强化是采用把激光束离焦后进行扫描的方式，这种方法不能充分利用激光功率密度，而且往往要用转镜或振镜形成条形光斑来加快处理速度，这就需要复杂的机械结构，而且产生难以避免的重叠回火。我们提出一种新方法，利用二元光学元件来获得一种新型的周期光强分布，实现其在高功率激光系统中的应用，并设计成为集成到柔性加工系统中的组成部分，能够完成对大、中型模具表面的激光强化处理。本论文的工作主要是有关激光柔性加工系统中的光束传输及变换子系统，不仅包括理论设计、加工制作，同时还包括把该子系统有效的结合到整个系统中。本研究工作广泛涉及激光理论，光束变换和光纤传输，系统中的模块化集成应用技术，金属材料的特殊分布光强表面改性试验研究等等，是跨学科的交叉研究工作。在本论文中，重点是二元光学元件的设计方法的选择、计算机辅助设计的实现、二元光学元件的制作和在高功率激光传输中的应用，以及特殊光强分布应用于金属表面改性中的相关工作。通过把二元光学元件引入到高功率激光加工中，对出现的新现象给出一定的预测和分析，并获得了良好的强化结果，最终实现了系统的集成化，并具有实际生产所要求的可靠性和灵活性。本论文共分六章，主要包括两方面的内容。第一章为绪论，第六章为结论。第一方面内容在第二章到第四章中说明，是用于高功率激光应用中的二元光学元件的原理、设计和制作。第二方面的内容在第五章中，是关于应用前面设计制作的二元光学元件，在实际的金属材料表面处理中的实验研究，给出了相关试验结果。

激光聚焦爆炸耦合场的理论建模与跨尺度计算

针对激光聚焦爆炸的电磁-热力耦合效应,在宏观尺度上,把描述激光电磁波散射和传播的Maxwell方程和高温高压气动流场的Euler方程结合起米,利用热力学状态方程(EOS)和电离平衡方程(Saha方程)并通过理论建模和数值仿真,研究和揭示激光聚焦爆炸效应及激光支持吸收波(LSC/LSD)的产生和演化、以及相关的反冲压力和动量耦合等相互作用机制.

Photon-photon scattering in a plasma channel

The Heisenberg-Euler correction due to photon-photon scattering, a still unverified quantum electrodynamics effect, on electromagnetic wave interaction inside a plasma channel is investigated theoretically. From a signal laser beam in the relativistic overdense plasma channel, photon-photon scattering can produce a detectable output beam of different frequency and polarization. (C) 2003 American Institute of Physics.

Space-frequency coupling, conical waves, and small-scale filamentation in water

Numerical simulations of fs laser propagation in water have been made to explain the small-scale filaments in water we have observed by a nonlinear fluorescence technique. Some analytical descriptions combined with numerical simulations show that a space-frequency coupling mainly from the interplay among self-phase modulation, dispersion and phase mismatching will reshape the laser beam into a conical wave which plays a major role of energy redistribution and can prevent laser beam from self-guiding over a long distance. An effective group velocity dispersion is introduced to explain the pulse broadening and compression in the filamentation. (c) 2005 American Institute of Physics.

变形镜对千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光频谱相位补偿

尝试用光谱展宽的方法从频谱相位(而非时域相位)的角度利用变形反射镜来补偿1kHz飞秒激光系统输出光路的频谱相位畸变，从而提高飞秒激光脉冲的时域强度衬比度，改善其光束质量。频谱相位补偿实验是在一台1kHz掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出光路中，针对超短脉冲光束通过传输介质后的频谱相位畸变，引入变形反射镜进行补偿。应用频谱相位干涉直接电场重构(SPIDER)方法和仪器作为测量手段，建立了一套相位测量补偿系统。实验结果表明用变形反射镜可使激光脉冲的相位畸变得到较好的补偿，脉冲的光束质量得到改善。这种方法的主要思想就是

飞秒激光脉冲在正色散固体材料中的自压缩

实验研究了正色散固体介质中的激光脉冲自压缩现象，证明了无需任何外加色散补偿情况下，固体透明介质中的自聚焦传输过程可使高功率飞秒激光脉冲实现时域脉冲压缩，并详细研究了输出脉冲的时域和频域特性随入射脉冲强度的演化规律．实验结果表明脉冲自压缩量随入射脉冲强度的增加呈递增趋势，然而当入射光强增大到足以引起超连续谱及锥形辐射产生时，脉冲时域形状会发生分裂．此外还发现发散光束入射情况下同样可以观察到脉冲自压缩现象．

利用块状介质进行飞秒强激光脉冲的腔外压缩

高强度飞秒激光脉冲的腔外压缩是获得高次谐波阿秒脉冲驱动源的必要手段。实验研究了超强超短飞秒激光脉冲在经过块状介质后的光谱展宽和色散补偿压缩现象。单脉冲能量0．26mJ，脉宽50fs的激光脉冲经透镜在空气中聚焦后再入射到块状材料上，出射脉冲光谱被展宽到接近40nm。由于在块状材料中的自聚焦效应，出射光束质量变好并保持较小的空间啁啾。利用熔融石英棱镜对补偿带有正色散的出射脉冲，最后得到〉0．1mJ，19fs的压缩脉冲。利用SPIDER装置测量了出射脉冲的脉宽和光谱相位。整个系统的能量效率大约为35％，压缩后的

混浊介质中光子传播路径的蒙特卡罗模拟研究

发展了一种新的蒙特卡罗方法用于研究超短激光脉冲进入混浊介质后的光子传播路径。这种方法可以获得任一时刻的光子最可几传播路径，研究了混浊介质的光学参数如何影响光子的最可几传播路径，发现吸收系数不影响光子的最可几传播路径。

激光光束实时监测与自动准直系统设计

设计了一个激光光斑实时监测与光路自动准直装置,能够实时监测激光光斑并自动准直激光输出方向。基于透镜成像原理,使用CCD探测器获得光斑的二维成像,并根据两点确定一条直线原理和使用压电陶瓷电动调整架实现光路自动准直;监测控制程序采用虚拟仪器开发软件Lab View编写,可以实时监测激光光斑模式与光斑位置抖动情况,并进行反馈控制。经测试,设计装置的调整精度达0.5μrad,反馈控制频率约1 Hz,完全可降低或消除抖动周期在1 s以上的光斑飘移。

Femtosecond filamentation and supercontinuum generation in silver-nanoparticle-doped water

The authors report the investigation of filament and supercontinuum generation by focusing a femtosecond laser beam into water doped with silver nanoparticles. The silver nanoparticles enhance the nonlinear optical response of water, leading to broadening of supercontinuum spectra in self-focused femtosecond filaments. During the propagation of the supercontinuum light in the filament, the silver nanoparticles preferentially scatter the short-wavelength light near the plasmon resonant wavelength peak, followed by the scattering of the long-wavelength light. Thus, a side view of the filament shows a full-color spectrum in the visible range, which is herein called "rainbow filament." (c) 2007 American Institute of Physics.

Generation of 5 fs, 0.7 mJ pulses at 1 kHz through cascade filamentation

Two-cycle optical pulses with duration of 5 fs and energy of 0.7 mJ have been generated at 1 kHz by compressing the 38 fs laser pulses from a carrier-envelope phase (CEP) controlled Ti:sapphire laser system through a cascade filamentation compression technique. A simple and effective method is developed to suppress multiple filament formation and stabilize a single filament by inserting a soft aperture with an appropriate diameter into the driving laser beam prior to focusing, resulting in an excellent compressed beam quality. The good beam quality and potentially higher peak power make this ultrashort laser pulse source a significant tool for high-field physics applications. (C) 2007 Optical Society of America.

Spectral technique for measuring hyperfine structure of atoms

A new spectral technique for measuring the hyperfine structure of atoms is reported. A divergent atomic beam and a divergent laser beam are crossed. Because of the Doppler effect, the hyperfine structure of atomic levels will be directly displayed in the interaction region in the form of spatially resolved fluorescence arc bands. By measuring the spatial-fluorescence intensity distribution, it is possible to obtain the hyperfine splittings of atomic levels. Basic principles and experimental results are given.