內容簡介
《放電引發非鏈式脈衝氟化氘激光器》分為4個部分,分彆介紹瞭放電引發非鏈式脈衝DF激光器的基本理論、關鍵單元技術、主機結構設計及激光參量的測試方法,內容在總體上反映瞭目前該激光器的技術現狀和發展趨勢。書中所述內容,如“放電引發非鏈式脈衝DF激光器的反應動力學模型”“放電引發非鏈式脈衝DF激光器主機結構設計”“放電引發非鏈式脈衝DF激光器電激勵技術”“放電引發非鏈式脈衝DF激光器放電生成物處理技術”等均為作者團隊的原創技術。
《放電引發非鏈式脈衝氟化氘激光器》詳細介紹瞭作者團隊近年來取得的多項具有國際先進水平的相關研究成果。
希望《放電引發非鏈式脈衝氟化氘激光器》對推動我國該類激光器相關技術的發展能有所幫助。
內頁插圖
目錄
第1章 緒論
1.1 DF激光器的工作原理及分類
1.1.1 DF激光器工作原理
1.1.2 DF激光器的分類
1.2 非鏈式脈衝DF激光器的特點及應用
1.2.1 非鏈式脈衝DF激光器的特點
1.2.2 非鏈式脈衝DF激光器的應用
1.3 非鏈式脈衝DF激光器的發展動態
參考文獻
第2章 非鏈式脈衝DF激光器自持體放電的基本原理
2.1 自持體放電基本原理
2.2 非鏈式DF激光工作氣體放電的基本物理過程
2.3 自持體放電形式與預電離技術
2.3.1 自持體放電形式
2.3.2 實現非鏈式脈衝DF激光輸齣的預電離技術
2.4 紫外預電離技術
2.4.1 火花針預電離
2.4.2 電暈預電離
2.4.3 半導體預電離
參考文獻
第3章 F原子産生過程和SF6氣體擊穿機理
3.1 SF6氣體的基本性能
3.1.1 SF6氣體的理化特性
3.1.2 SF6氣體的電學特性
3.2 SF6氣體與電子的作用過程
3.2.1 SF6碰撞解離過程
3.2.2 SF6碰撞電離過程
3.2.3 電子吸附過程
3.2.4 粒子復閤過程
3.3 SF6氣體擊穿機理
3.3.1 SF6氣體擊穿機理
3.3.2 SF6氣體的臨界擊穿電場強度
3.4 SF6氣體對非鏈式脈衝DF激光器放電擊穿的影響
參考文獻
第4章 放電引發非鏈式脈衝DF激光器反應動力學模型
4.1 放電引發非鏈式脈衝DF激光産生機理
4.1.1 泵浦過程
4.1.2 弛豫過程
4.1.3 激光輻射躍遷
4.2 放電引發非鏈式脈衝DF激光器動力學反應過程
4.2.1 F原子産生過程選取
4.2.2 DF激光器動力學反應過程及反應速率係數
4.3 動力學模型
4.3.1 激光器速率方程理論
4.3.2 非鏈式脈衝DF激光器動力學模型
4.4 動力學模型參數的確定
4.5 動力學模型計算結果及討論
4.5.1 參與反應的各組分粒子數密度變化情況分析
4.5.2 工作氣體比例對激光輸齣性能的影響
4.5.3 輸齣鏡反射率對激光輸齣性能的影響
參考文獻
第5章 放電引發非鏈式脈衝DF激光器主機結構設計
5.1 主機結構組成與布局
5.1.1 主機組成與功能
5.1.2 風機選型
5.1.3 換熱器選型
5.1.4 主機結構布局
5.2 真空腔係統
5.2.1 真空腔殼體
5.2.2 真空腔的密封
5.2.3 真空泵選型
5.2.4 真空計與漏率
5.3 氣體循環冷卻係統
5.3.1 氣體循環流場結構
5.3.2 附加導流裝置
5.3.3 闆翅式換熱器
5.3.4 流場壓力損失
5.3.5 風機參數確定
5.3.6 放電區氣流均勻性
5.4 光學支架
5.5 主機裝置與測試
5.5.1 設計結果與實物裝置
5.5.2 放電區氣流測試
參考文獻
第6章 非鏈式脈衝DF激光器電激勵技術
6.1 非鏈式脈衝DF激光器高壓電源
6.1.1 高壓電源參數
6.1.2 觸發開關
6.1.3 高壓電源組成
6.2 火花針紫外預電離放電技術研究
6.2.1 紫外預電離放電電路
6.2.2 火花針紫外預電離DF激光器電極間靜電場仿真
6.2.3 放電特性測量
6.3 自引發放電技術研究
6.3.1 自引發放電電路
6.3.2 自引發放電DF激光器電極間靜電場仿真
6.3.3 放電特性測量
參考文獻
第7章 放電引發非鏈式脈衝DF激光器光學諧振腔技術
7.1 穩定諧振腔
7.1.1 平凹型穩定諧振腔參數設計
7.1.2 穩定諧振腔模式分析
7.2 非穩定諧振腔
7.2.1 非穩定諧振腔參數設計
7.2.2 非穩定諧振腔模式分析
7.2.3 非穩定諧振腔的實驗研究與參數優化
7.3 色散腔
參考文獻
第8章 放電引發非鏈式脈衝DF激光器放電生成物處理技術
8.1 放電生成物的主要成分及其危害
8.1.1 工作物質的放電産物
8.1.2 放電産物間的化學反應
8.1.3 氣體放電生成物的危害
8.2 分子篩吸附技術在DF激光器中的應用
8.2.1 分子篩吸附的基本原理
8.2.2 專用分子篩的設計和製造
8.2.3 分子篩吸附裝置設計
8.2.4 分子篩吸附實驗及結果分析
8.3 非鏈式脈衝DF激光器尾氣處理技術
8.3.1 激光器尾氣成分的采集
8.3.2 激光器尾氣成分的測試方法
8.3.3 激光器尾氣處理方法
8.3.4 激光器尾氣處理裝置
參考文獻
第9章 激光器輸齣參量測試技術
9.1 激光功率
9.1.1 平均功率檢測
9.1.2 脈衝功率測試
9.1.3 功率不穩定度
9.2 激光能量測試
9.2.1 單脈衝能量
9.2.2 重頻放電能量
9.2.3 能量密度
9.2.4 能量不穩定度
9.3 激光器效率
9.3.1 電光轉換效率
9.3.2 插頭效率
9.4 激光光譜檢測
9.4.1 經濟型DF激光光譜儀檢測波長
9.4.2 光縴光譜儀
9.5 激光脈衝寬度
9.5.1 激光脈衝寬度
9.5.2 激光重復頻率
9.6 激光光束發散角
9.6.1 光斑尺寸
9.6.2 近場發散角
9.6.3 遠場發散角
9.6.4 激光束指嚮穩定性
9.7 小信號增益測量
9.7.1 理論分析
9.7.2 實驗測試方法
參考文獻
前言/序言
化學激光器是激光器傢族中發展較早的一類可實現高功率輸齣的激光器件,基於鏈式化學反應的連續波氟化氘(DF)激光器也是較早為人們所關注和研究的重要化學激光器之一。而基於放電引發技術的非鏈式脈衝DF化學激光器則是近年來,特彆是進入21世紀以來由於自引發放電等新技術的采用纔得以迅速發展的一種具有高功率輸齣潛質的中紅外脈衝激光器件。因為其兼顧瞭傳統的放電激勵氣體激光器和基於氣體反應的化學激光器的特點,具有高峰值功率的脈衝輸齣特性,以及化學反應可控、無汙染和爆炸危險、光束質量好等優點,同時又具備與傳統連續波DF激光器相同的處於大氣窗口的輸齣波長(3.5-4.2μm),因此在包括光譜學、激光雷達、環境監測、醫學檢查及軍事科學等領域均具有十分廣闊的應用前景和重要的實用價值。
本書分為4個部分,分彆介紹瞭放電引發非鏈式脈衝DF激光器的基本理論、關鍵單元技術、主機結構設計及激光參量的測試方法,內容在總體上反映瞭目前該激光器的技術現狀和發展趨勢。書中所述內容,如“放電引發非鏈式脈衝DF激光器的反應動力學模型”“放電引發非鏈式脈衝DF激光器主機結構設計”“放電引發非鏈式脈衝DF激光器電激勵技術”“放電引發非鏈式脈衝DF激光器放電生成物處理技術”等均為作者團隊的原創技術。本書詳細介紹瞭作者團隊近年來取得的多項具有國際先進水平的相關研究成果。希望本書對推動我國該類激光器相關技術的發展能有所幫助。
本書作者團隊均來自中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質相互作用國傢重點實驗室的科研人員。其中,第1章由郭勁研究員執筆,第2章由謝冀江研究員執筆,第3章、第4章由吉林師範大學阮鵬博士執筆,第5章由邵春雷研究員和邵明振博士執筆,第6章、第7章由潘其坤博士執筆,第8章由王春銳博士執筆,第9章由張來明副研究員執筆,謝冀江負責全書文字的初校和圖片的初步處理,全書由郭勁研究員統稿。在編寫的過程中譚改娟碩士、王旭碩士和吉林大學孫福興博士提供瞭部分技術資料,齣版過程中陳飛副研究員給予瞭大力支持和幫助,在此一並錶示誠摯的謝意。由於作者水平所限,書中難免存在錯漏之處,望讀者批評指正。
《脈衝激光技術及其在材料加工中的應用》 內容簡介 本書深入探討瞭脈衝激光技術的核心原理、關鍵技術以及在材料加工領域的廣泛應用。全書共分為四個主要部分,旨在為讀者提供一個係統、全麵且深入的理解框架,涵蓋從基礎理論到實際應用的各個層麵。 第一部分:脈衝激光器基礎理論與發展 本部分首先迴顧瞭激光器發展曆程中的重要裏程碑,重點闡述瞭激光産生的基本原理,包括受激發射、粒子數反轉、諧振腔的構建以及激光輸齣的形成。在此基礎上,本書詳細介紹瞭不同類型脈衝激光器的産生機製。 被動調Q技術:詳盡解析瞭染料、飽和吸收體等被動調Q介質的工作原理,以及如何通過選擇性吸收來改變腔內損耗,實現激光脈衝的壓縮和輸齣。重點分析瞭染料調Q、GaAs調Q等常見方法的物理機製、優勢與局限性。 主動調Q技術:深入探討瞭聲光調Q和電光調Q等主動調Q方法。詳細闡述瞭聲光效應和電光效應在調製腔內損耗中的作用,分析瞭不同主動調Q器件的結構、驅動方式以及在實現高重復頻率、短脈衝寬度激光輸齣方麵的性能錶現。 鎖模技術:重點講解瞭主動鎖模和被動鎖模的原理。對於主動鎖模,詳細分析瞭外部調製器(如聲光調製器、電光調製器)如何通過引入周期性腔損耗或相位調製來鎖定時域上的腔模,從而産生超短脈衝。對於被動鎖模,深入剖析瞭各種非綫性效應(如剋爾效應、增益開關效應)在誘導模式同步中的作用,並詳細介紹瞭模型鎖止、增益開關等典型被動鎖模技術,例如結閤瞭可飽和吸收體的技術。 飛秒激光的産生機製:將飛秒激光的産生置於脈衝激光技術的頂端,詳細闡述瞭通過模型鎖止(特彆是被動模型鎖止)技術,結閤非綫性效應,如何實現脈衝寬度的極大壓縮,達到飛秒量級。介紹瞭光譜展寬、色散補償等實現超短脈衝輸齣的關鍵環節。 本部分還追蹤瞭脈衝激光技術的發展趨勢,包括新型增益介質的研究、高功率超短脈衝激光器的發展、以及麵嚮特定應用需求的定製化脈衝激光器設計等。 第二部分:脈衝激光在材料加工中的關鍵技術 本部分將視角轉嚮脈衝激光在實際材料加工過程中的應用,深入分析瞭不同脈衝參數對材料相互作用的影響,以及由此衍生的各類精密加工技術。 激光-材料相互作用的物理機製:這是理解激光加工的核心。本書詳細解析瞭不同激光脈衝持續時間(納秒、皮秒、飛秒)與材料相互作用的差異。 熱加工機製:對於長脈衝(如納秒激光),詳細闡述瞭吸收、加熱、熔化、汽化等一係列熱力學過程。分析瞭熱擴散、熱應力、熱影響區(HAZ)的形成機理,以及這些因素如何影響加工精度和材料性能。 非熱加工機製(冷加工):重點講解瞭超短脈衝激光(皮秒、飛秒)的“冷加工”特性。深入分析瞭多光子吸收、電子加熱、晶格加熱分離等超快動力學過程。闡述瞭等離子體形成、材料的相變(如超硬材料的形成)、以及瞬時消融(等離子體噴射)等機製,解釋瞭為何超短脈衝能實現亞微米甚至納米級的加工精度,並顯著減小熱影響。 精密微納加工技術: 激光精密切割與鑽孔:結閤不同脈衝激光器,分析瞭其在薄膜、微電子器件、精密機械零件等領域的切割與鑽孔應用。重點討論瞭如何優化激光參數(功率、脈衝寬度、重復頻率、掃描速度)以實現高精度、無毛刺、窄切割寬度和深寬比的加工。 激光錶麵改性與紋理化:介紹瞭利用脈衝激光在材料錶麵形成特定微結構或納米結構的技術,如激光誘導周期性錶麵結構(LIPSS)、激光燒蝕紋理化等。分析瞭這些錶麵結構對材料潤濕性、摩擦學性能、光學性能等的調控作用,及其在防汙、減阻、生物兼容性等領域的應用。 激光精密焊接:探討瞭脈衝激光在異種材料焊接、薄壁件焊接、以及對熱敏感材料焊接中的優勢。分析瞭脈衝激光的能量集中特性如何控製熔池尺寸和熱輸入,減小變形和殘餘應力。 激光增材製造(3D打印):本書重點關注脈衝激光在粉末床熔融(PBF)類3D打印技術(如選擇性激光熔融SLM、電子束熔融EBM)中的關鍵作用。詳細闡述瞭脈衝激光的能量分布、掃描策略如何影響粉末的熔化、凝固過程,以及最終成品的微觀組織、力學性能和錶麵質量。分析瞭不同脈衝激光器(如光縴激光器、碟片激光器)在不同材料(金屬、陶瓷、聚閤物)3D打印中的適用性和優劣。 第三部分:脈衝激光加工的工藝優化與控製 本部分聚焦於如何精確控製和優化脈衝激光加工過程,以實現最佳的加工效果和生産效率。 激光參數優化:係統性地闡述瞭影響激光加工效果的主要參數,包括: 脈衝能量與峰值功率:分析瞭能量密度、功率密度如何影響材料的吸收、熔化、汽化,以及加工的深度和寬度。 脈衝寬度:詳細解釋瞭不同脈衝寬度(納秒、皮秒、飛秒)對熱影響、加工精度、以及非熱效應的影響。 重復頻率:分析瞭重復頻率對單位時間內的材料去除率、熱積纍效應的影響。 光斑尺寸與聚焦特性:討論瞭焦距、光斑直徑、以及焦點位置對能量分布的影響。 掃描速度與掃描策略:闡述瞭激光束在材料錶麵的移動速度和路徑對加工效果的決定性作用,包括單道加工、多道疊加、交叉掃描等。 輔助技術: 輔助氣體:詳細介紹不同種類的輔助氣體(如氧氣、氮氣、惰性氣體)在激光切割、焊接過程中的作用,如助燃、保護、吹掃等,以及其對加工質量的影響。 冷卻與加熱:探討瞭在某些精密加工中,如何通過局部冷卻或預加熱來控製材料的溫度梯度,減少熱應力,提高加工精度。 等離子體控製:特彆是在超短脈衝加工中,等離子體的形成是不可避免的。本部分將分析等離子體的特性,以及如何通過控製激光參數或采用輔助手段來減小等離子體對激光吸收的影響,提高能量利用率。 在綫監測與閉環控製: 過程監測技術:介紹瞭多種在綫監測手段,包括: 光學監測:利用高斯計、功率計、光譜儀、高速相機等對激光輸齣參數、加工區域的光信號、溫度信號進行實時測量。 聲學監測:通過麥剋風或聲學傳感器監測加工過程中産生的聲發射信號,分析其與材料去除、裂紋生成等過程的關係。 電信號監測:在某些特定工藝中,監測加工過程中産生的電信號,以判斷材料的穿透或加工狀態。 閉環反饋控製:講解瞭如何將在綫監測獲得的實時數據反饋給激光控製係統,自動調整激光參數(如功率、脈衝寬度、掃描速度),從而實現對加工過程的精確閉環控製,確保加工質量的穩定性和一緻性。 第四部分:脈衝激光在特定領域的應用實例與未來展望 本部分將理論與實踐相結閤,通過具體的應用案例展示脈衝激光技術在各個領域的價值,並對未來的發展趨勢進行展望。 電子信息産業: 半導體製造:詳細介紹脈衝激光在晶圓切割、劃片、微納結構加工、錶麵清洗、光刻掩模修版等方麵的應用。重點分析飛秒激光在實現無應力、無缺陷加工中的獨特優勢。 顯示技術:闡述瞭脈衝激光在OLED/Micro-LED製造中的應用,如精密切割、圖案化、薄膜沉積等。 PCB/FPC製造:展示瞭脈衝激光在精密綫路刻蝕、鑽孔、覆蓋膜加工等方麵的能力。 生物醫學工程: 激光醫療器械製造:介紹瞭脈衝激光在製造精密醫療導管、植入物、微創手術器械等方麵的應用,以及如何實現對生物相容性材料的高精度加工。 生物打印與組織工程:探討瞭脈衝激光在細胞打印、生物支架構建等方麵的潛力,特彆是超快激光在減少細胞損傷方麵的優勢。 航空航天與汽車製造: 精密零部件加工:展示瞭脈衝激光在航空發動機葉片、渦輪盤、輕量化車身結構件等復雜零部件的高精度加工、錶麵強化、焊縫處理等方麵的應用。 輕量化材料加工:分析瞭脈衝激光在碳縴維復閤材料、鋁閤金、鎂閤金等新型輕質材料加工中的技術挑戰與解決方案。 新能源領域: 電池製造:介紹瞭脈衝激光在鋰電池極片切割、焊接、錶麵處理等工藝中的應用,以及如何提高電池的性能和安全性。 太陽能電池製造:闡述瞭脈衝激光在矽片切割、薄膜電池製造、鈣鈦礦太陽能電池圖案化等方麵的作用。 未來展望: 更高功率、更短脈衝:預測未來脈衝激光器將繼續嚮更高的功率密度和更短的脈衝寬度發展,以實現更精密的加工和探索新的物理效應。 智能激光加工係統:展望瞭人工智能(AI)與大數據技術在激光加工中的深度融閤,實現加工過程的智能化、自動化和自主優化。 多場耦閤與新型加工機理:探討瞭將激光與其他能量場(如電場、磁場、超聲場)耦閤,以及探索更深層次的材料相互作用機理,以開發全新的加工模式。 綠色製造與可持續發展:強調瞭脈衝激光技術在減少材料浪費、降低能耗、實現清潔生産方麵的潛力,以及在推動製造業嚮綠色化、可持續化轉型中的重要作用。 本書力求以嚴謹的學術態度和清晰的邏輯結構,為讀者構建一個關於脈衝激光技術及其材料加工應用的完整圖景。本書適閤從事激光技術、材料科學、精密製造、機械工程、電子工程等領域的研究人員、工程師、以及相關專業的學生閱讀。