内容简介
《放电引发非链式脉冲氟化氘激光器》分为4个部分,分别介绍了放电引发非链式脉冲DF激光器的基本理论、关键单元技术、主机结构设计及激光参量的测试方法,内容在总体上反映了目前该激光器的技术现状和发展趋势。书中所述内容,如“放电引发非链式脉冲DF激光器的反应动力学模型”“放电引发非链式脉冲DF激光器主机结构设计”“放电引发非链式脉冲DF激光器电激励技术”“放电引发非链式脉冲DF激光器放电生成物处理技术”等均为作者团队的原创技术。
《放电引发非链式脉冲氟化氘激光器》详细介绍了作者团队近年来取得的多项具有国际先进水平的相关研究成果。
希望《放电引发非链式脉冲氟化氘激光器》对推动我国该类激光器相关技术的发展能有所帮助。
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目录
第1章 绪论
1.1 DF激光器的工作原理及分类
1.1.1 DF激光器工作原理
1.1.2 DF激光器的分类
1.2 非链式脉冲DF激光器的特点及应用
1.2.1 非链式脉冲DF激光器的特点
1.2.2 非链式脉冲DF激光器的应用
1.3 非链式脉冲DF激光器的发展动态
参考文献
第2章 非链式脉冲DF激光器自持体放电的基本原理
2.1 自持体放电基本原理
2.2 非链式DF激光工作气体放电的基本物理过程
2.3 自持体放电形式与预电离技术
2.3.1 自持体放电形式
2.3.2 实现非链式脉冲DF激光输出的预电离技术
2.4 紫外预电离技术
2.4.1 火花针预电离
2.4.2 电晕预电离
2.4.3 半导体预电离
参考文献
第3章 F原子产生过程和SF6气体击穿机理
3.1 SF6气体的基本性能
3.1.1 SF6气体的理化特性
3.1.2 SF6气体的电学特性
3.2 SF6气体与电子的作用过程
3.2.1 SF6碰撞解离过程
3.2.2 SF6碰撞电离过程
3.2.3 电子吸附过程
3.2.4 粒子复合过程
3.3 SF6气体击穿机理
3.3.1 SF6气体击穿机理
3.3.2 SF6气体的临界击穿电场强度
3.4 SF6气体对非链式脉冲DF激光器放电击穿的影响
参考文献
第4章 放电引发非链式脉冲DF激光器反应动力学模型
4.1 放电引发非链式脉冲DF激光产生机理
4.1.1 泵浦过程
4.1.2 弛豫过程
4.1.3 激光辐射跃迁
4.2 放电引发非链式脉冲DF激光器动力学反应过程
4.2.1 F原子产生过程选取
4.2.2 DF激光器动力学反应过程及反应速率系数
4.3 动力学模型
4.3.1 激光器速率方程理论
4.3.2 非链式脉冲DF激光器动力学模型
4.4 动力学模型参数的确定
4.5 动力学模型计算结果及讨论
4.5.1 参与反应的各组分粒子数密度变化情况分析
4.5.2 工作气体比例对激光输出性能的影响
4.5.3 输出镜反射率对激光输出性能的影响
参考文献
第5章 放电引发非链式脉冲DF激光器主机结构设计
5.1 主机结构组成与布局
5.1.1 主机组成与功能
5.1.2 风机选型
5.1.3 换热器选型
5.1.4 主机结构布局
5.2 真空腔系统
5.2.1 真空腔壳体
5.2.2 真空腔的密封
5.2.3 真空泵选型
5.2.4 真空计与漏率
5.3 气体循环冷却系统
5.3.1 气体循环流场结构
5.3.2 附加导流装置
5.3.3 板翅式换热器
5.3.4 流场压力损失
5.3.5 风机参数确定
5.3.6 放电区气流均匀性
5.4 光学支架
5.5 主机装置与测试
5.5.1 设计结果与实物装置
5.5.2 放电区气流测试
参考文献
第6章 非链式脉冲DF激光器电激励技术
6.1 非链式脉冲DF激光器高压电源
6.1.1 高压电源参数
6.1.2 触发开关
6.1.3 高压电源组成
6.2 火花针紫外预电离放电技术研究
6.2.1 紫外预电离放电电路
6.2.2 火花针紫外预电离DF激光器电极间静电场仿真
6.2.3 放电特性测量
6.3 自引发放电技术研究
6.3.1 自引发放电电路
6.3.2 自引发放电DF激光器电极间静电场仿真
6.3.3 放电特性测量
参考文献
第7章 放电引发非链式脉冲DF激光器光学谐振腔技术
7.1 稳定谐振腔
7.1.1 平凹型稳定谐振腔参数设计
7.1.2 稳定谐振腔模式分析
7.2 非稳定谐振腔
7.2.1 非稳定谐振腔参数设计
7.2.2 非稳定谐振腔模式分析
7.2.3 非稳定谐振腔的实验研究与参数优化
7.3 色散腔
参考文献
第8章 放电引发非链式脉冲DF激光器放电生成物处理技术
8.1 放电生成物的主要成分及其危害
8.1.1 工作物质的放电产物
8.1.2 放电产物间的化学反应
8.1.3 气体放电生成物的危害
8.2 分子筛吸附技术在DF激光器中的应用
8.2.1 分子筛吸附的基本原理
8.2.2 专用分子筛的设计和制造
8.2.3 分子筛吸附装置设计
8.2.4 分子筛吸附实验及结果分析
8.3 非链式脉冲DF激光器尾气处理技术
8.3.1 激光器尾气成分的采集
8.3.2 激光器尾气成分的测试方法
8.3.3 激光器尾气处理方法
8.3.4 激光器尾气处理装置
参考文献
第9章 激光器输出参量测试技术
9.1 激光功率
9.1.1 平均功率检测
9.1.2 脉冲功率测试
9.1.3 功率不稳定度
9.2 激光能量测试
9.2.1 单脉冲能量
9.2.2 重频放电能量
9.2.3 能量密度
9.2.4 能量不稳定度
9.3 激光器效率
9.3.1 电光转换效率
9.3.2 插头效率
9.4 激光光谱检测
9.4.1 经济型DF激光光谱仪检测波长
9.4.2 光纤光谱仪
9.5 激光脉冲宽度
9.5.1 激光脉冲宽度
9.5.2 激光重复频率
9.6 激光光束发散角
9.6.1 光斑尺寸
9.6.2 近场发散角
9.6.3 远场发散角
9.6.4 激光束指向稳定性
9.7 小信号增益测量
9.7.1 理论分析
9.7.2 实验测试方法
参考文献
前言/序言
化学激光器是激光器家族中发展较早的一类可实现高功率输出的激光器件,基于链式化学反应的连续波氟化氘(DF)激光器也是较早为人们所关注和研究的重要化学激光器之一。而基于放电引发技术的非链式脉冲DF化学激光器则是近年来,特别是进入21世纪以来由于自引发放电等新技术的采用才得以迅速发展的一种具有高功率输出潜质的中红外脉冲激光器件。因为其兼顾了传统的放电激励气体激光器和基于气体反应的化学激光器的特点,具有高峰值功率的脉冲输出特性,以及化学反应可控、无污染和爆炸危险、光束质量好等优点,同时又具备与传统连续波DF激光器相同的处于大气窗口的输出波长(3.5-4.2μm),因此在包括光谱学、激光雷达、环境监测、医学检查及军事科学等领域均具有十分广阔的应用前景和重要的实用价值。
本书分为4个部分,分别介绍了放电引发非链式脉冲DF激光器的基本理论、关键单元技术、主机结构设计及激光参量的测试方法,内容在总体上反映了目前该激光器的技术现状和发展趋势。书中所述内容,如“放电引发非链式脉冲DF激光器的反应动力学模型”“放电引发非链式脉冲DF激光器主机结构设计”“放电引发非链式脉冲DF激光器电激励技术”“放电引发非链式脉冲DF激光器放电生成物处理技术”等均为作者团队的原创技术。本书详细介绍了作者团队近年来取得的多项具有国际先进水平的相关研究成果。希望本书对推动我国该类激光器相关技术的发展能有所帮助。
本书作者团队均来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室的科研人员。其中,第1章由郭劲研究员执笔,第2章由谢冀江研究员执笔,第3章、第4章由吉林师范大学阮鹏博士执笔,第5章由邵春雷研究员和邵明振博士执笔,第6章、第7章由潘其坤博士执笔,第8章由王春锐博士执笔,第9章由张来明副研究员执笔,谢冀江负责全书文字的初校和图片的初步处理,全书由郭劲研究员统稿。在编写的过程中谭改娟硕士、王旭硕士和吉林大学孙福兴博士提供了部分技术资料,出版过程中陈飞副研究员给予了大力支持和帮助,在此一并表示诚挚的谢意。由于作者水平所限,书中难免存在错漏之处,望读者批评指正。
《脉冲激光技术及其在材料加工中的应用》 内容简介 本书深入探讨了脉冲激光技术的核心原理、关键技术以及在材料加工领域的广泛应用。全书共分为四个主要部分,旨在为读者提供一个系统、全面且深入的理解框架,涵盖从基础理论到实际应用的各个层面。 第一部分:脉冲激光器基础理论与发展 本部分首先回顾了激光器发展历程中的重要里程碑,重点阐述了激光产生的基本原理,包括受激发射、粒子数反转、谐振腔的构建以及激光输出的形成。在此基础上,本书详细介绍了不同类型脉冲激光器的产生机制。 被动调Q技术:详尽解析了染料、饱和吸收体等被动调Q介质的工作原理,以及如何通过选择性吸收来改变腔内损耗,实现激光脉冲的压缩和输出。重点分析了染料调Q、GaAs调Q等常见方法的物理机制、优势与局限性。 主动调Q技术:深入探讨了声光调Q和电光调Q等主动调Q方法。详细阐述了声光效应和电光效应在调制腔内损耗中的作用,分析了不同主动调Q器件的结构、驱动方式以及在实现高重复频率、短脉冲宽度激光输出方面的性能表现。 锁模技术:重点讲解了主动锁模和被动锁模的原理。对于主动锁模,详细分析了外部调制器(如声光调制器、电光调制器)如何通过引入周期性腔损耗或相位调制来锁定时域上的腔模,从而产生超短脉冲。对于被动锁模,深入剖析了各种非线性效应(如克尔效应、增益开关效应)在诱导模式同步中的作用,并详细介绍了模型锁止、增益开关等典型被动锁模技术,例如结合了可饱和吸收体的技术。 飞秒激光的产生机制:将飞秒激光的产生置于脉冲激光技术的顶端,详细阐述了通过模型锁止(特别是被动模型锁止)技术,结合非线性效应,如何实现脉冲宽度的极大压缩,达到飞秒量级。介绍了光谱展宽、色散补偿等实现超短脉冲输出的关键环节。 本部分还追踪了脉冲激光技术的发展趋势,包括新型增益介质的研究、高功率超短脉冲激光器的发展、以及面向特定应用需求的定制化脉冲激光器设计等。 第二部分:脉冲激光在材料加工中的关键技术 本部分将视角转向脉冲激光在实际材料加工过程中的应用,深入分析了不同脉冲参数对材料相互作用的影响,以及由此衍生的各类精密加工技术。 激光-材料相互作用的物理机制:这是理解激光加工的核心。本书详细解析了不同激光脉冲持续时间(纳秒、皮秒、飞秒)与材料相互作用的差异。 热加工机制:对于长脉冲(如纳秒激光),详细阐述了吸收、加热、熔化、汽化等一系列热力学过程。分析了热扩散、热应力、热影响区(HAZ)的形成机理,以及这些因素如何影响加工精度和材料性能。 非热加工机制(冷加工):重点讲解了超短脉冲激光(皮秒、飞秒)的“冷加工”特性。深入分析了多光子吸收、电子加热、晶格加热分离等超快动力学过程。阐述了等离子体形成、材料的相变(如超硬材料的形成)、以及瞬时消融(等离子体喷射)等机制,解释了为何超短脉冲能实现亚微米甚至纳米级的加工精度,并显著减小热影响。 精密微纳加工技术: 激光精密切割与钻孔:结合不同脉冲激光器,分析了其在薄膜、微电子器件、精密机械零件等领域的切割与钻孔应用。重点讨论了如何优化激光参数(功率、脉冲宽度、重复频率、扫描速度)以实现高精度、无毛刺、窄切割宽度和深宽比的加工。 激光表面改性与纹理化:介绍了利用脉冲激光在材料表面形成特定微结构或纳米结构的技术,如激光诱导周期性表面结构(LIPSS)、激光烧蚀纹理化等。分析了这些表面结构对材料润湿性、摩擦学性能、光学性能等的调控作用,及其在防污、减阻、生物兼容性等领域的应用。 激光精密焊接:探讨了脉冲激光在异种材料焊接、薄壁件焊接、以及对热敏感材料焊接中的优势。分析了脉冲激光的能量集中特性如何控制熔池尺寸和热输入,减小变形和残余应力。 激光增材制造(3D打印):本书重点关注脉冲激光在粉末床熔融(PBF)类3D打印技术(如选择性激光熔融SLM、电子束熔融EBM)中的关键作用。详细阐述了脉冲激光的能量分布、扫描策略如何影响粉末的熔化、凝固过程,以及最终成品的微观组织、力学性能和表面质量。分析了不同脉冲激光器(如光纤激光器、碟片激光器)在不同材料(金属、陶瓷、聚合物)3D打印中的适用性和优劣。 第三部分:脉冲激光加工的工艺优化与控制 本部分聚焦于如何精确控制和优化脉冲激光加工过程,以实现最佳的加工效果和生产效率。 激光参数优化:系统性地阐述了影响激光加工效果的主要参数,包括: 脉冲能量与峰值功率:分析了能量密度、功率密度如何影响材料的吸收、熔化、汽化,以及加工的深度和宽度。 脉冲宽度:详细解释了不同脉冲宽度(纳秒、皮秒、飞秒)对热影响、加工精度、以及非热效应的影响。 重复频率:分析了重复频率对单位时间内的材料去除率、热积累效应的影响。 光斑尺寸与聚焦特性:讨论了焦距、光斑直径、以及焦点位置对能量分布的影响。 扫描速度与扫描策略:阐述了激光束在材料表面的移动速度和路径对加工效果的决定性作用,包括单道加工、多道叠加、交叉扫描等。 辅助技术: 辅助气体:详细介绍不同种类的辅助气体(如氧气、氮气、惰性气体)在激光切割、焊接过程中的作用,如助燃、保护、吹扫等,以及其对加工质量的影响。 冷却与加热:探讨了在某些精密加工中,如何通过局部冷却或预加热来控制材料的温度梯度,减少热应力,提高加工精度。 等离子体控制:特别是在超短脉冲加工中,等离子体的形成是不可避免的。本部分将分析等离子体的特性,以及如何通过控制激光参数或采用辅助手段来减小等离子体对激光吸收的影响,提高能量利用率。 在线监测与闭环控制: 过程监测技术:介绍了多种在线监测手段,包括: 光学监测:利用高斯计、功率计、光谱仪、高速相机等对激光输出参数、加工区域的光信号、温度信号进行实时测量。 声学监测:通过麦克风或声学传感器监测加工过程中产生的声发射信号,分析其与材料去除、裂纹生成等过程的关系。 电信号监测:在某些特定工艺中,监测加工过程中产生的电信号,以判断材料的穿透或加工状态。 闭环反馈控制:讲解了如何将在线监测获得的实时数据反馈给激光控制系统,自动调整激光参数(如功率、脉冲宽度、扫描速度),从而实现对加工过程的精确闭环控制,确保加工质量的稳定性和一致性。 第四部分:脉冲激光在特定领域的应用实例与未来展望 本部分将理论与实践相结合,通过具体的应用案例展示脉冲激光技术在各个领域的价值,并对未来的发展趋势进行展望。 电子信息产业: 半导体制造:详细介绍脉冲激光在晶圆切割、划片、微纳结构加工、表面清洗、光刻掩模修版等方面的应用。重点分析飞秒激光在实现无应力、无缺陷加工中的独特优势。 显示技术:阐述了脉冲激光在OLED/Micro-LED制造中的应用,如精密切割、图案化、薄膜沉积等。 PCB/FPC制造:展示了脉冲激光在精密线路刻蚀、钻孔、覆盖膜加工等方面的能力。 生物医学工程: 激光医疗器械制造:介绍了脉冲激光在制造精密医疗导管、植入物、微创手术器械等方面的应用,以及如何实现对生物相容性材料的高精度加工。 生物打印与组织工程:探讨了脉冲激光在细胞打印、生物支架构建等方面的潜力,特别是超快激光在减少细胞损伤方面的优势。 航空航天与汽车制造: 精密零部件加工:展示了脉冲激光在航空发动机叶片、涡轮盘、轻量化车身结构件等复杂零部件的高精度加工、表面强化、焊缝处理等方面的应用。 轻量化材料加工:分析了脉冲激光在碳纤维复合材料、铝合金、镁合金等新型轻质材料加工中的技术挑战与解决方案。 新能源领域: 电池制造:介绍了脉冲激光在锂电池极片切割、焊接、表面处理等工艺中的应用,以及如何提高电池的性能和安全性。 太阳能电池制造:阐述了脉冲激光在硅片切割、薄膜电池制造、钙钛矿太阳能电池图案化等方面的作用。 未来展望: 更高功率、更短脉冲:预测未来脉冲激光器将继续向更高的功率密度和更短的脉冲宽度发展,以实现更精密的加工和探索新的物理效应。 智能激光加工系统:展望了人工智能(AI)与大数据技术在激光加工中的深度融合,实现加工过程的智能化、自动化和自主优化。 多场耦合与新型加工机理:探讨了将激光与其他能量场(如电场、磁场、超声场)耦合,以及探索更深层次的材料相互作用机理,以开发全新的加工模式。 绿色制造与可持续发展:强调了脉冲激光技术在减少材料浪费、降低能耗、实现清洁生产方面的潜力,以及在推动制造业向绿色化、可持续化转型中的重要作用。 本书力求以严谨的学术态度和清晰的逻辑结构,为读者构建一个关于脉冲激光技术及其材料加工应用的完整图景。本书适合从事激光技术、材料科学、精密制造、机械工程、电子工程等领域的研究人员、工程师、以及相关专业的学生阅读。