脉冲激光离散重熔热物理及组织性能研究

利用OM及FEM研究了铁基合金Nd:YAG脉冲激光熔凝区的几何形态及其变化规律、以及熔凝的热物理过程；利用OM、SEM、TEM、X-射线衍射仪及磨损实验机，研究了两种铁基热模具材料脉冲激光熔凝组织及其时效组织结构，以及熔凝区规则离散分布规律对材料抗磨损性能的影响。在10~5～10~7W/cm~2的脉冲激光平均功率密度范围内，可得到热传导型和深熔型两类强化区，当临界平均功率密度大于5 * 10~5W/cm~2，同时临界激光作用时间大于2ms时，热传导型强休区向深熔型强休区转变。熔化过程中，在熔池中形成上部以对流传热为主，底部以导热为主的传热模式，流场、温度场和压力场均随脉冲激光作用时间变化，最大流速、压力和温度梯度分别可达100m/s、数个大气压和10~(8-9) ℃C/m量级。凝固过程中，固液界面上的最大温度梯度、凝固速率和冷却速度时间和空间位置变化，分别可达10~(8-9) ℃/m量级、10~(-1)m/s量级和10~(7-8) ℃/s量级，其中冷却速度得到实验验证。亚共晶合金铸铁脉冲激光熔凝组织为δ-铁素体与M_3C的层片状共晶组织，还含有部分γ-奥氏体和少量的高碳孪晶马氏体组织，δ-铁素体和γ-奥氏体中均存在高密度位错亚结构。5CrMnMo钢脉冲激光熔凝组织由板条马氏体及少量的孪晶马氏体构成，马氏体中也存在高密度位错亚结构。上述两种组织经高温时效后，仍保持较细的晶粒，并有大量细小均匀弥散分布的碳化物析出，其中铸铁熔凝组织析出M_(23)C_6碳化物，M_(23)C_6可在M_3C/γ-奥氏体相界面或M_3C内部原位形核，亦可在δ-铁素体中弥散析出。两种材料的熔凝组织及其时效组织的显微硬度均明显高于相应的原始组织，也高于激光连续扫描熔凝的结果。脉冲激光规则离散熔凝加工在材料表面形成软硬相间的“原位”功能层，能显著降低裂纹形成的敏感性，提高材料表层的抗磨粒磨损性能，时效后仍具有较好的抗磨损性能。以熔凝强化区直径作为中心间距进行规则离散熔凝处理可使材料表面获得最佳抗磨损性能。

Vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected ionic clusters

This thesis presents structural investigations of molecular ions and ionic clusters using vibrational predissociation spectroscopy. Experimentally, a pulsed beam of the mass-selected ion is crossed by a tunable infrared laser beam generated by a Nd:YAG pumped LiNbO_3 optical parametric oscillator. The resulting fragment ion is mass-analyzed and detected, with its intensity as a function of the laser wavelength being the "action" spectrum of the parent ion. In the case of SiH_7^+, we observed a vibrational band centered at 3866 cm^(-1) with clear P, Q, R branches, which is assigned as a perturbed H_2 stretch. The absence of a second H_2 band suggests that the ion forms a symmetric complex with a structure H_2•SiH_3^+•H_2 , in contrast to the species CH_7^+, which has the structure CH_5^+•H_2. The infrared spectra of NO_2^+(H_2O)_n clusters exhibit a marked change with cluster size, indicating that an intracluster reaction occurs with sufficient solvation. Specifically, in NO_2^+(H_2O)_n clusters where n≤3, H_2O binds to a nitronium ion core; but at n=4 the NO_2^+ reacts, transforming the cluster to a new structure of H_3O^+•(H_2O)_(n_2)•HNO_3. For protonated chlorine nitrate, we have observed two distinct isomers previously predicted by ab initio calculations: NO_2^+•(HOC1), the lowest energy isomer, and (ClO)(HO)NO^+, a covalently bonded isomer about 20 kcal/mol higher in energy. Both isomers decompose to NO_2^+ and HOCl upon photo-excitation. These results for HClONO_2^+ lend strong support to the involvement of an ionic mechanism in the reaction of ClONO_2 on polar stratospheric cloud surfaces, a critical step in the dramatic springtime depletion of ozone over Antarctica. Current research activities on halide-solvent clusters and metal-ligand complexes as well as technological improvements of the apparatus are also discussed.

激光二极管抽运的国产Yb:YAG陶瓷激光器

研究了国产Yb:YAG陶瓷的激光输出特性。激光器采用激光二极管(LD)纵向同轴抽运Yb:YAG陶瓷样品,样品的掺杂原子数分数为1%,一端面镀940 nm和1030 nm双增透膜,另一端面镀1030 nm增透膜,激光器在1031 nm处获得了近红外激光输出。实验中分别测试了Yb:YAG陶瓷在不同输出透射率(T=4%,8%,10%)条件下的激光输出特性。整个实验过程中,激光器维持基横模运转。当输出透射率为10%,吸收的抽运功率为9 W时,激光器获得最大的激光输出功率为1.63 W,相应的斜率效率为23.2%。

Nd：GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管（LD）抽运Nd：GGG（掺钕钆镓石榴石）激光晶体板条，从热传导基本方程出发，以废热等效于内热源模型为前提，利用有限元分析软件ANSYS对Nd：GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟，分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明：在激光发射阶段，边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度，由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0．2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却

Two- and three-photon absorption in a novel fluorene-based compound

A novel symmetrical charge transfer fluorene-based compound 2,7-bis (4-methoxystyryl)-9, 9-bis (2-ethylhexyl)-9H-fluorene (abbreviated as BMOSF) was synthesized and its nonlinear absorption was investigated using two different laser systems: a 140-fs, 800-nm Ti:sapphire laser operating at 1-kHz repetition rate and a 38-ps, 1064-nm Nd:YAG pulsed laser operating at 10-Hz repetition rate, respectively. Unique nonlinear absorption properties in this new compound were observed that rise from multiphoton absorption. The nonlinear absorption coefficients were measured to be 6.02

两种新型芴类衍生物的三光子吸收特性研究

研究了两种新型芴类衍生物9，9-二(2-乙基已基)-2，7-二咔唑-9H-芴(简记为DCZF)和9，9-二(2-乙基已基)-2，7-二(2-(4-甲氧基)苯-2，1-乙烯基)芴(简记为BMOSF)在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中的线性吸收和单光子荧光行为，并用脉冲宽度为38ps，重复频率为10Hz的1064 nm Nd：YAG脉冲激光研究了两种化合物的三光子吸收性质．结果表明：两种新材料的最大线性吸收峰分别位于330和380nm，吸收区域覆盖了270-420nm波段．两种化合物的荧光带位于蓝-紫区，中心

机载测深激光雷达千赫兹全固态激光器设计及特性研究

将千赫兹高功率全固态Nd：YAG激光器的增益介质当作厚透镜处理，使用矩阵的方法对等效热透镜腔进行分析。采用多条半导体激光列阵侧向紧凑抽运结构设计，提高了增益介质光抽运的均匀性。根据实际抽运功率，通过模拟计算，设计了平凸非稳腔。选择的凸面全反镜的最佳曲率半径有效地补偿了增益介质热透镜效应，激光器实现了动态稳腔运转，激光脉冲能量输出斜度效率大于13％，光束发散角优于1.3mrad。

激光二极管连续抽运电光调Q Nd：YVO4激光器

报道了全固态激光器连续抽运高重复率电光调Q的实验和理论分析结果。用LGS（La3Ga5SiO14）晶体作电光调Q元件，在激光二极管（LD）端面抽运Nd：YVO4激光器中实现了较高重复率的电光调Q输出。实验中在10^4Hz重复率下，抽运功率为28w时，平均功率超过5W，脉冲宽度为7ns，峰值功率为70kW，并对不同重复率时的脉冲输出进行了比较，在低重复率下，脉宽〈6．5ns，峰值功率超过100kW。在理论上，通过对连续抽运时的电光调Q速率方程进行修正，并考虑放大自发辐射（ASE）的影响，对调Q激光器的储能过

双侧面90°抽运微通道致冷Yb：YAG板条激光器

报道了采用带有微柱镜的激光二极管阵列（LDA）双侧面90°排布抽运的Yb：YAG板条激光器，实验中使用的激光晶体尺寸为6mm×10mm×1mm，掺杂原子数分数为3％。抽运光通过自行设计的聚光系统聚焦成10mm×1mm的光斑进行抽运，聚光系统的效率为75％，晶体表面功率密度达到1．9kW／cm^2，晶体内抽运光交叠区的体功率密度达到38kW／cm^3，远高于阈值的1．7kW／cm^3。当激光器采用平一凹腔结构，耦合输出为6％时激光单脉冲输出能量最高为25．5mJ，斜率效率为13％。插入声光调Q晶体后获得4．

高重复率紧凑型微脉冲全固态激光器

本文设计并实现了一台高重复率，紧凑型微脉冲全固态激光器。YAG晶体， Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体键合为一个单块晶体作为谐振腔。优化计算了Cr4+:YAG晶体的初始透过率，耦合输出透射率和泵浦光斑大小。对激光器的性能进行了测试，结果表明该激光器适合于空间激光测距。

千瓦级半导体抽运的固体热容板条激光器

报道了千瓦级激光二极管面阵抽运固体热容激光器的理论与实验研究, 分别采用Nd:YAG单板条和双板条串接的热容激光器, 利用热容激光器的理论计算模型计算了在一定的工作时间内激光输出特性, 并进行了实验验证。实验中采用的晶体尺寸均为59 mm×40 mm×4.5 mm, 对单板条进行抽运时平均功率大约为5.6 kW, 双板条串接时为11.2 kW, 重复频率为1 kHz, 占空比为20％。实验中观察了1 s的工作时间内脉冲能量输出的波动情况, 单板条时单脉冲能量输出最大为1.3 J, 在1 s后单脉冲能量输出

板条激光放大器中寄生振荡的研究

寄生振荡的存在使得放大器在信号光到达之前消耗了大量的反转粒子数,降低了放大器的激光增益和储能效率,严重地影响了激光放大器的性能,尤其对高功率激光放大器。在理论分析和实验研究的基础上,以Nd∶YAG晶体板条为例,用8条半导体激光阵列对晶体进行双侧抽运,研究了高功率激光放大器的寄生振荡现象,分析了板条晶体寄生振荡产生的原因,并详细比较了晶体在不同的抽运功率和表面处理下的放大效果,得到了2倍的单程放大,当输入能量为140 mJ时,获得了278 mJ的激光输出。

半导体抽运的叠片热容激光器理论和实验研究

报道了半导体抽运的Nd：YAG叠片热容激光器的理论与实验研究，并用热容激光器的理论模型计算了在一定的工作时间和介质温升内激光输出特性，用Zemax软件对其抽运结构进行了模拟计算。实验中采用的4片Nd：YAG晶体尺寸均为63．5mm×38．5mm×7mm，抽运平均功率约110W，重复频率为10Hz，占空比为0．2％，获得了最大19．1W的1064nm激光输出，光光效率约17．4％。最后对两种抽运结构的叠片激光器进行了比较，提出了下一步的改进方案。

高性能透明激光陶瓷及陶瓷激光器的最新应用进展

激光陶瓷的出现,为固体激光材料向高功率、大尺寸、多功能发展提供了全新的途径,从而为激光技术的发展提供了更加灵活广阔的设计空间。介绍了近年来国际国内透明激光陶瓷及陶瓷激光器发展的最新进展,并展望了陶瓷激光器的未来发展价值。高功率陶瓷激光器方面:中科院上海光学精密机械研究所采用超均匀侧面泵浦技术在1at.%Nd:YAG陶瓷棒中获得输出功率236W,斜率效率62%的连续激光输出。美国利弗莫尔实验室采用Sm3+包边Nd:YAG复合结构陶瓷热容激光器实现了5Hz,67kW激光输出。陶瓷激光器方面,日本World-Labo.Co实验室采用掺杂浓度为15at.%的Yb:YSAG透明陶瓷,获得脉冲宽度280fs,平均输出能量为62mW的锁模脉冲激光输出。陶瓷自调Q脉冲激光器和陶瓷光纤激光器亦有很大进展。陶瓷激光器的开发和应用不仅延伸到传统固体激光器的各个研究领域,并且能够不断突破现有固体激光技术的局限,有望推动未来固体激光工程向更广阔的空间发展。

传导冷却的全固态zigzag板条激光器

报道了激光二极管泵浦的被动传导冷却的Q开关Nd:YAG zigzag 板条激光器，谐振腔采用平平腔和非稳腔。在20Hz运转时，得到脉宽均为10ns的150 mJ，光光效率19%的多模输出和100 mJ、13%光学效率的单模输出，并进行了相关的热效应测试，结果表明该激光器具有效率高、结构紧凑、光束质量好，在空间环境应用具有很好的发展潜力。