1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 东南大学成贤学院，江苏 南京 210088
利用不同阶拉盖尔-高斯（LG）模式激光具有不同光束尺寸的特性，在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差，使各阶LG模式激光的空间光路发生分离，从而实现对高阶横模的选择并产生高阶LG模式涡旋激光输出。通过对高阶LG模式激光的聚焦特性和透镜球差进行分析计算，给出了高阶LG0，±m模式涡旋激光的角向指数（m）随谐振腔参数变化的理论模型。搭建端面泵浦的1064 nm Nd∶YVO4激光器开展了实验研究，在2.06 W泵浦功率下获得了角向指数可便捷调控且m最高可达到280的超高阶LG0，±m涡旋激光输出。实验产生的超高阶涡旋激光具有良好的功率和模式稳定性，模式变化规律与理论计算结果相符。通过增加泵浦功率或优化泵浦交叠以提高激光增益，理论上可以产生任意高阶的涡旋激光输出。研究结果为超高阶LG模式涡旋激光的产生提供了参考。
激光光学 拉盖尔-高斯模式 涡旋激光 模式选择 高阶横模 球差 中国激光
2023, 50(11): 1101021
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Laser and Optoelectronics, School of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 Key Laboratory of Optoelectronic Information Science and Technology (Ministry of Education), Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics, Tianjin 300308, China
4 Tianjin Suowei Electronic Technology Co., Ltd., Tianjin 300384, China
5 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China
A multi-lens retroreflector with field curvature compensation was designed and used in an alignment-free distributed-cavity laser with a long working distance for resonant beam charging applications. The multi-lens design, which makes use of off-the-shelf components, also allows a large field of view (FoV) without requirement of large element aperture. By implementing this design, an end-pumped 1063 nm laser could deliver over 5 W continuous-wave output power over a large range of working distances (1–5 m) and with receiver FoV under an incident diode pump power of 16.6 W. The output power fluctuation was less than 10% when moving and tilting the receiver over such a large range, without requiring any realignment of the cavity.
alignment-free laser retroreflector field of view field curvature laser charging Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031407
1 武汉华工激光工程有限责任公司, 激光先进制造技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430223
2 中钢集团邢台机械轧辊有限公司, 轧辊复合材料国家重点实验室, 河北 邢台 054025
采用10 kW光纤激光进行激光熔覆铁基TiC涂层的试验研究, 探讨不同TiC含量对铁基熔覆层宏观质量的影响, 采用金相显微镜表征熔覆层的组织结构特征, 采用MM-U10G型磨损试验机测定熔覆层的耐磨性。结果表明: 不同TiC含量粉末得到的激光熔覆层表面成形平整。随着TiC质量分数的提高, 熔覆层含Ti量不断提升, 开裂倾向加大。当TiC质量分数为0时, 熔覆层显微组织主要呈现为枝晶组织, 组织较均匀。当TiC质量分数为10%时, 出现第二相。随TiC比例的提高, 第二相数量增多, 且颗粒尺寸更大, 分布更密集, 熔覆层显微硬度也呈上升趋势。当TiC质量分数为30%时, 熔覆层的硬度整体呈现为最高, 范围为920~1 400 HV。熔覆层的耐磨性也会随着TiC质量分数的提高而提升。
激光熔覆 TiC含量 显微组织 显微硬度 耐磨性 laser cladding TiC content microstructure microhardness abrasive resistance
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津
2 光电信息技术教育部重点实验室天津大学, 天津
3 天津津航技术物理研究所, 天津
基于腔内球差选模方法在端面泵浦的 Nd:YVO4激光器中实现了能够对角向指数 m进行便捷选择的高阶 LG模式激光输出, 从 LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释, 分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一 LG模式运转的关键, 而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析, 分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益, 实现了角向指数 m最高达到 ±95的超高阶 LG模式输出; 通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度, 实现了径向指数 p>0的 LG模式输出。
拉盖尔高斯模式 固体激光器 模式选择 球差 Laguerre-Gaussian mode solid-state laser mode selection spherical aberration
1 华工激光工程有限责任公司, 湖北 武汉 430223
2 华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉430074
目前全长热处理钢轨在使用过程中存在侧磨、压溃、剥离掉块等问题, 为了进一步提高钢轨的使用寿命, 在钢轨表面制备了4种不同深度激光的淬火层, 利用滚动接触疲劳磨损试验机对疲劳磨损性能进行了测试, 并对表面磨损形貌、断面显微组织以及磨损机理进行了分析。结果显示: 原始钢轨试样的硬度只有35 HRC, 磨损以塑性变形和疲劳剥落为主, 表面产生严重的波磨。激光淬火后表面硬度提高到62 HRC以上, 磨损机理只有表层轻微的疲劳剥落。0.7 mm淬火层试样磨损失重减少了50%, 1 mm淬火层试样磨损失重减少了71.5%, 随着淬火层深度增加, 磨损失重减少。当淬火层深度低于0.7 mm时, 淬火层边缘产生严重的接触疲劳裂纹, 只有当淬火层深度达到1 mm时, 才能完全消除宏观裂纹产生。钢轨表面的接触疲劳抗性随着淬火层深度增加而增加。
钢轨 激光淬火 深度 滚动接触疲劳 磨损 steel rail laser hardening depth rolling contact fatigue (RCF) wear
1 武汉华工激光工程有限责任公司 湖北 武汉430223
2 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北 武汉 430074
3 瑞安市激光应用工程示范中心有限公司, 浙江 瑞安 325200
本文采用6 kW光纤激光进行了铁基合金高速激光熔覆试验研究, 探讨了扫描速度和Ni含量对熔覆层宏观质量的影响, 采用金相显微镜表征了高速熔覆层的组织结构特征, 采用MM-U10G型磨损试验机和CS350型电化学工作站分别测定了熔覆层的耐磨性和耐蚀性。结果表明: 通过材料成分和工艺优化, 制备的高速激光熔覆层具有良好的宏观质量, 表面Ra小于12.5 μm, 熔覆层无气孔和裂纹等缺陷。不同扫描速度的激光熔覆层显微组织晶粒随着速度的提升而更加细小, 组织性能更优。扫描速度700 mm/s时的一次枝晶间距约为速度10 mm/s的1/10, 约为速度100 mm/s的1/5。随着Ni含量的增加, 熔覆层的硬度虽有所下降, 但均大于HV570, 耐蚀性均明显优于45钢, 在保证一定硬度的前提下, 熔覆层可达到与304不锈钢相当的耐蚀性。研究成果在泵阀、轴类零件和牌坊等产品的制造和再制造领域具有广泛的应用前景。
高速熔覆 扫描速度 Ni含量 显微组织 显微硬度 high speed laser cladding (HSLC) scanning speed Ni content microstructure microhardness
1 激光先进制造技术湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430223
2 武汉华工激光工程有限责任公司， 湖北 武汉 430223
对3 mm厚的C18000铜合金板分别进行了激光焊接和激光填丝焊接研究，重点分析了焊缝的组织、成分和力学性能。结果表明，直接采用激光焊接时，焊缝出现了晶粒长大的现象，显微硬度为90 HV，强度仅为313 MPa；采用ERNiCu-7焊丝进行激光填丝焊时，焊缝内Ni的质量分数自上而下从31%降至10%，焊缝组织为单相固溶体，显微硬度提高到130~180 HV，强度提高到391 MPa，性能优于直接激光焊接的。
激光技术 激光焊接 光纤激光填丝焊接 C18000铜合金 组织 力学性能 激光与光电子学进展
2017, 54(7): 071405
1 激光先进制造技术湖北省重点实验室, 武汉 430223
2 武汉华工激光工程有限责任公司, 武汉 430223
为了研究激光扫描焊接汽车板的工艺方法, 采用4kW光纤激光器对0.7mm镀锌板与0.8mm冷轧板SPCC两类汽车板的激光扫描焊接工艺进行了理论分析和实验验证, 得到了板间间隙、激光功率、扫描速率等对焊缝成形及强度的影响规律。结果表明, 当选取板间间隙0.1mm~0.2mm、激光功率3000W~3400W、焊接速率不小于3m/min等适当参量进行焊接时, 焊缝质量可满足电子束及激光焊接接头欠缺质量分级指南C级标准, 且强度高于母材。选取合适的工艺参量时, 激光扫描焊接在无保护气的作用下可得到高质量的焊缝。
激光技术 激光扫描焊接 汽车板 激光功率 laser technique laser scanner welding automobile panels laser power
1 武汉华工激光工程有限责任公司, 湖北 武汉 430223
2 昆山鑫昌泰模具科技有限公司, 江苏 昆山 215337
3 武汉武钢华工激光大型装备有限公司, 湖北 武汉 430223
针对软氮化层深浅、硬度低、承载能力差的问题, 采用半导体激光对30CrNiMo软氮化层表面进行激光淬火复合强化工艺研究。研究了激光功率与扫描速度对复合强化的层深、金相组织和显微硬度的影响规律。软氮化层的硬度及硬化层深明显增加, 且表面硬度和层深可由激光工艺参数来调整。当激光功率为1 100 W, 扫描速度为600 mm/min时, 复合强化工艺与软氮化处理相比表层硬度可提高300 HV左右, 硬化层深可完全覆盖软氮化层深。
软氮化 半导体激光淬火 组织 显微硬度 soft nitridesteel diode laser hardening microstructure microhardness
1 激光先进制造技术湖北省重点实验室 武汉华工激光工程有限责任公司,湖北 武汉 430223
2 华中科技大学机械科学与技术学院, 湖北 武汉 430074
研究了激光功率、焊接速度、离焦量这三个主要工艺参数对激光叠焊熔池深度和宽度的影响,通过正交试验,确定了基本工艺参数对焊缝质量影响的基本规律,得到了较宽的焊接工艺参数操作窗口,并确定了激光叠焊镀锌板的最佳工艺参数。
镀锌板 激光叠焊 工艺参数 galvanized steel laser stitch welding laser parameters
