激光推进（共5篇）
激光推进 篇1
引言
教学与科研是高校教师的两大核心任务。早在1809年, 德国教育家、思想家洪堡在指导建立柏林大学的过程中, 就首先提出“通过研究进行教学”的思想和“教学与研究统一”的原则, 明确指出大学中教学和研究之间是辩证统一、相辅相成、互相促进的关系, 即教学是科研的基础, 科研是教学的发展与提高。但到底如何才能把科研成果转化为教学内容, 更好地为高校教学服务, 从而促进学员创新能力的提升是一个尚需探讨的问题。本文就科研辅助更新教学内容, 促进学员创新能力提升的一些具体方法与各位同行进行探讨。
一、科研对培养学员创新能力的意义和价值
美国教育界早在20世纪70年代就明确提出培养具有创新精神人才的教育目标。英国大学的核心办学思想也多为“探测、挖掘和开发学生的潜在能力, 激励个人的创新精神”。德国高等教育也非常注重对学生发现问题、解决问题的能力和创造性、独立性的培养。2007年, 我国教育部也明确指出“高等教育肩负着培养数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命”。
创新人才培养的必要条件之一是师资水平的高低。“大学之大, 非大厦之大, 而是大师之大。”一所大学的教学质量很大程度上取决于教师的学术水平、创新能力、治学态度和师德风范。由于教师直接面对学生, 是学生知识的直接传授者, 更是学生行为的影响者, 所以, 师资队伍水平是教学质量的关键。古人云:“问渠那得清如许, 唯有源头活水来”, 而科研过程本身就是创新过程, 是教学的“源头活水”。只有通过科研, 教师才能形成新观点、新理论, 不断提高自身学术水平;才能及时掌握学科发展最新动态, 不断更新教学内容;才能对相关领域有更深理解, 真正做到讲课高屋建瓴、深入浅出;才能养成创新思维习惯, 从而在教学过程中对学生创新能力培养起到潜移默化的影响。正如德国教育家雅斯贝尔斯所言:“只有自己从事科研的人才有东西教别人, 而一般教书匠只能传授僵硬的东西。”因此, 教师高质量的科研, 是高水平教学能力的保证, 是培养学员创新能力的前提和基础。
二、以科研促进教学, 推进创新人才培养的方法和实践
教师的责任不仅仅是传授知识, 更应着眼于学生创新能力的培养。我院光学学科通过以下措施和方式, 将科研与教学紧密结合, 以科研促进教学, 探索创新型人才培养的模式和方法。
(一) 科研成果丰富教学内容
科研成果丰富教学内容主要包括两方面:一是科研内容转化为教学内容, 二是科研成果转化为教材。科研内容转化为教学内容是指将科研所产生的新成果、新技术、新知识补充到教学内容中, 促进教学内容的更新和改革, 保证教学内容与时俱进。科研成果转化为教材是指将科研成果及学科前沿知识进行梳理与优化, 不断融入教学内容, 并通过教案加以固化成果。这样, 既可以丰富教学内容, 使其更加新颖, 案例更加具体, 又可以开拓学员视野, 培养其科研和创新的兴趣和思维方式。
由于科技的飞速发展, 《激光原理与技术》教材内容明显落后于时代科学技术的发展, 其教学已不能再单纯地对教材知识和概念进行简单灌输, 更需要就理论研究的前沿动态, 把如何发现问题、研究问题、思考问题及解决问题的方式、方法教授给学生。例如, 在讲授《激光调制技术》内容时, 都是简单地提到激光通信作为该技术的案例进行讲解, 但激光通信的具体用途等鲜有提及, 学生学起来既枯燥, 又晦涩难懂。我们在讲授这部分内容时, 首先以一种新式间谍仪器——激光窃听器来引题, 引发学员的学习兴趣;进而以激光窃听器的工作原理为案例, 讲解本节内容——激光调制原理, 使学员带着强烈的求知欲望学习激光调制的理论知识;紧接着, 又进一步提出新的疑问“如何避免窃听?”, 此时, 结合鲜活的案例——美国联邦调查局的反间谍官员在所有政要人物和机构的玻璃窗上, 安装上一种特制的小型颤动器, 破坏窃听。在此基础上, 教员进一步结合科研内容, 为学员讲解激光通信的另一主要用途——卫星通信最后1公里的关键技术, 拓展学员的知识结构;并将科研内容“激光图像加密技术在激光通信中的应用”介绍给学员, 让其了解激光通信过程中的防窃听 (保密) 技术。通过上述方式, 将学科最前沿的科研动态、研究方法、科研成果引进课堂, 使教学内容与科研成果充分接轨, 从而开拓学员的视野, 培养其科研和创新的兴趣和思维方式。
(二) 科研项目指导毕业设计
学生直接参与科研, 可把学生所学的理论转化成解决实际问题的能力, 更重要的是, 教师能通过自身言传身教的方式影响学生, 逐步培养学生具备基本的科研素质和创新精神, 因此, 教师不仅要自己从事科研, 更要带动学生参与科研。我们充分利用科研积累多、经费充足的优势, 将教师承担的科研项目内容作为毕业设计内容, 使学生通过实实在在的项目、研究内容、研究方法加深对基础理论概念的理解及实际应用。
目前我专业学员的研究生毕业论文题目90%来自导师的科研项目, 10%来自创新性更强的预先研究类项目;本科学员的毕业论文题目则100%来自科研项目, 并与研究生一起由导师指导, 研究生协助指导。这样, 促使学生在科学研究的过程中培养其创新思维, 提高其综合素质。例如, “高精度激光光源控制技术研究”、“大气湍流对激光通信技术的影响”、“微纳材料在全光开关上的应用研究”、“光子晶体在多波段兼容伪装技术中的应用”等题目均来自教员的科研项目。由于教员在相关领域科研积累较多、各类资源软件丰富, 学员做起论文起步快, 教员指导也得心应手。另外, 我们还根据学员的特点, 在毕业设计题目中适当涵盖一些教学研究类课题。例如, 有的学员对于三维模型制作感兴趣, 我们就将教学类项目———《激光原理与技术》虚拟实验室建设作为某次毕业设计题目。学员的创造能力出乎想象:由于学员自身兴趣所在, 所以, 学员非常有动力, 他不仅自学并熟练掌握了Solidworks三维模型制软件、NGRAIN Producer三维制作平台、会声会影视频制作软件等相关软件, 而且还进一步自行利用Dreamweaver网页制作软件设计了整个课程的各级网页, 最终圆满完成了“He-Ne激光器模式测试”和“调Q激光器输出特性”虚拟实验的制作, 见图1。该实验已在2104年和2015年《激光原理与技术》课程中加以试用, 学员普遍反映效果很好。
(三) 科研平台拓展创新实验
2007年, 教育部指出“高等教育肩负着培养数以千万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命”。其中, 实验教学是达到这一目的的重要手段, 是培养学员创造性实践能力的重要环节, 这就要求实验教学必须跟上学科发展的步伐。为了适应激光技术的快速发展, 实验教学必须不断推陈出新, 尽快将新技术、新方法转化为实验内容, 从而不断充实和更新实验内容, 完善综合与设计性实验体系, 突出实验教学对学生创新性能力的培养。
我院《激光原理与技术》课程实验涵盖在《现代光学实验》课程中。随着军队院校教学改革任务的推进, 本教学团队以教学模式改革为契机, 以教师的科研成果和科研条件为基础, 大力推进《现代光学实验》课程改革, 将教师的部分成熟科研实验的使用范围从研究生扩展到本科学员。例如, 我们将科研课题“图像加密”实验为本科学员开放, 并与原本“激光通信”实验相结合, 使学员通过亲自动手参与前后两个实验过程, 形成完整的科学研究思路, 使学生在理论课程学习的基础上, 充分发展动手能力和创新思维模式。由于“图像加密”实验条件属于自组性实验, 完全可以胜任其他相关创新实验的开发, 所以, 我们利用该条件, 又进一步为学员提出了探究性课题——“激光窃听器的设计”实验。学员可以根据自己的兴趣, 自行调研、设计和组装实验。在完成上述实验和课题的过程中, 学员分析问题, 解决问题的能力, 以及研究创新能力都会得到充分的锻炼和提高, 同时, 还能逐步养成实际科研能力和科学的思维方式。
(四) 科研思想改革教学方法
科研方法转化为教学方法是指科研方法在课堂教学中的运用, 使教学效果高、好、强、灵。《激光原理与技术》课程知识点繁多, 大多数内容过于抽象, 相关实验开设与本课程间隔时间较长。为了提高《激光原理与技术》课程的教学效果, 大力推进学员创新思维的培养, 我们以科研方法促进教学手段改革, 使教学手段灵活多样, 抽象理论形象生动;以科学思维促进教学方法改革, 在课堂上广泛开展任务驱动式、研讨式、启发式、互动式等形式多样、内容丰富的教学方法。
例如, 在讲解“调Q技术理论”这一章节时, 我们以科研中经常用到的Matlab软件为工具, 对调Q激光器的峰值功率、巨脉冲能量、脉冲时间特性进行编程, 并用GUI仿真平台的方式直接进行展现。这样, 学员既可以借助软件输出结果, 理解抽象问题, 又可以通过对程序编写过程的理解, 了解调Q激光器的整个设计过程, 从而在潜移默化中养成创新思维习惯。再比如, 我们在讲解“高斯光束的聚焦”这一章节时, 我们不再按照教材常规顺序教学, 而是借助科研的思维模式, 采取“任务驱动法”进行教学:我们首先给学员演示激光打标机, 让学员意识到了解该技术在日常生活中的普遍性;然后, 指出该设备能够精细打标的关键技术之一就是聚焦技术;接着, 把任务——设计激光打标机输出光路交给学员, 由他们自行查阅资料, 自学相关知识, 并初步给出光路设计;最后, 教员对学员的设计进行验收评价, 指出存在的问题, 并对学员自学的相关知识进行补充和修正。通过这种方式, 不仅提高了学员的学习兴趣, 而且学员作为设计者进行学习, 可以初步体会科研的整个过程, 科研兴趣和创新意识也得到锻炼和提高。
三、小结
本文以《激光原理与技术》课程为例, 探讨了以科研促进教学的一些方法和途径。通过科研成果丰富教学内容、科研项目指导毕业设计、科研平台拓展创新实验、科研思想改革教学方法等方式, 不但拓展了课堂教学的内容, 促进了教学实践方法的改革, 更把科研的思维方式传授给学生, 把科研中的新成果、新技术、新理论直接运用到教学中, 从而极大地激发了学生的学习兴趣, 提高了课堂教学质量, 推进了学员创新能力的培养。
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激光推进 篇2
近年来,显示技术发生了前所未有的巨大变革,无论是市场还是技术都处于急剧变化、飞速发展的时期,应用范围不断扩大。显示技术的一个理想目标是能给予观众身临其境的临场感。为此,显示技术需集大画面、高分辨率、逼真的立体感和丰富的色彩等诸多要素于一身。数字高清技术的发展和推广将解决高分辨率的问题,同时也会促进大屏幕市场的发展。现在3D立体显示技术也在迅速发展,将逐渐带给观众较强的立体感受。
激光显示由于光源是点光源,便于节能高效的大屏幕投影系统的设计,在大屏幕应用上更具优势。激光显示能再现的色域可达其他技术的两倍,可给予观众一种全新的视觉感受。激光光源的简易高速调制也易与3D信号结合,而且激光显示3D图像因色彩丰富,观赏辨析起来更容易,能减少人眼的疲劳。
激光显示因具备上述特性,而最有希望成为带来完美临场感的显示技术,从而成为下一代显示技术研发的热点。
随着时代的发展和技术水平的提高,家用平板电视的尺寸不断增大。根据中国城乡家电市场零售监测报告,家用电视产品屏幕尺寸越大,其销售量增长速度就越快;最近三年,60 inch及以上的平板电视年销售量增长率均超过了150%。这显示了消费者对超大画面有着巨大的需求。但是目前超大尺寸平板电视高昂的价格抑制了这一需求。而激光显示容易实现大屏幕,面积价格比高,同时超短焦激光投影技术空间容易排放,所以超短焦激光投影影院系统成为大尺寸显示行业的一个发展方向。
2 激光显示技术的家庭影院方案定位
激光家庭影院产品定位于高端家庭影院市场。传统投影机以其特有的“以点生面”的显示方式被广泛应用在各种大尺寸信息显示环境中,但是传统家庭影院在家用显示领域中却一直处于边缘地位,主要原因有三个:一是传统家庭影院对安装有较高的要求,需要专门设计摆放、布线和装修方案,对空间较小的家庭环境产生较大的影响;二是其使用的灯泡光源寿命短而且更换不便;三是无法像电视一样日常观看,使用率低。这三点缺陷使得传统家庭影院难以在家庭中普及。
近年来,激光家庭影院的出现,为消费者提供了一种全新的家用大屏幕显示的选择。激光家庭影院在发挥激光光源这一先进技术优势的同时,精确瞄准家庭用户,针对性地结合超短焦投影和抗环境光屏幕等多项领先技术,突破了传统家庭投影的定位,发展成为全新的产品形态。其兼具超大画面、鲜艳色彩、超长寿命、绿色环保以及媲美平板电视的全天使用能力,会给家庭用户带来全新的体验。
3 超短焦激光家庭影院关键技术
激光家庭影院以激光光源模组技术和超短焦投影技术为核心,以高效散热技术和一体化结构设计为重要支撑,发挥电路控制和硬件方面的优势,配合智能化操作系统,形成了独特的产品架构,见图1。激光家庭影院整体效果见图2。
(1)激光光源
激光影院所采用的光源,是以蓝光激光激发多色荧光粉产生彩色光,包含以下几个关键点:
a.大功率激光器阵列的合光与光束压缩技术
光源使用成熟的商用大功率蓝光半导体激光器,该激光器排列成阵列。项目要求将数十片排列成阵列的激光光束进行合光和压缩,在提高激发功率的同时减小镜片和光源体积。业内一般有如图3所示的两种合光方案。
具体方案需要根据整机的结构要求和散热设计进行选择。两种方案的关键都在于控制激光器阵列以及合光反射镜的结构和机械公差,使其满足光学设计的公差要求,保证激光照射荧光粉的效率。
b.与光机照明一体化的荧光光路设计技术
光源将根据光机照明的要求,设计高效的荧光收集光路。激光激发出的荧光具有与成熟的规格化、标准化的高压汞灯光源不同的发光性质,需要根据光机照明的要求设计相应的荧光收集光路,以实现整机效率的最大化。这部分设计同样要注意机械结构公差与光学公差的配合,需共同进行设计。
c.光源与整机的散热优化
项目的散热设计要从整机系统层面进行统筹设计,从理论分析开始,建立光源和整机的热流模型,计算优化散热设计,同时光源和整机的结构也要相互配合做出相应的调整,实现整机散热效果的优化。
(2)超短焦光机模组
图4所示的自主研制完成超短焦投影光机模组,投射比为0.24,光机模组采用二次成像设计,可以实现不同形态的整机产品,量产良率高,成本便宜,分辨率达到1 920×1 080。
(3)激光家庭影院电路系统
激光家庭影院电路系统主要由整机电源电路、前端视频处理电路、图像显示电路及光源驱动电路等组成。
激光家庭影院前端视频处理芯片支持多种全高清信号格式输入,同时支持单帧超分辨率提升,运动自适应边缘补偿去隔行;非线性缩放引擎;画质增强,亮度、色度瞬态改善、自适应对比度调整、行/场锐度提升、自动黑白延伸、伽马校正、色彩管理等。前端视频处理芯片将视频信号送入图像显示电路,图像显示电路控制显示芯片显示图像。
激光家庭影院显示芯片采用的是TI的0.65 inch DMD芯片,分辨率为1 920×1 080,数字微镜的响应时间为10 ns,从而可保证高速的屏幕刷新频率,使得显示图像稳定不闪烁。
(4)抗环境光超短焦屏幕
抗环境光超短焦屏幕是激光影院的重要组成部分。与传统的家庭影院屏幕相比,该屏幕具有明显的特点:a.屏幕的菲涅尔结构设计与超短焦镜头完全匹配,具有超短焦、离轴等特点,与传统背投屏幕的结构区别较大。b,独特的抗环境光设计可以大大扩展激光影院电视的适用环境,可以让用户作为电视日常使用。
4 超短焦激光家庭影院的性能优点
目前超短焦激光家庭影院整机技术指标如下:
此超短焦激光家庭影院主要有以下优点:
(1)灵活的安装方式,投影100 inch屏幕时,整机距离屏幕只有10 cm,可以放置在屏幕下方,解决了传统家庭影院布线的局限性。
(2)绚丽的显示效果,整机采用激光光源,显示色域可达82%(NTSC)。整机使用寿命可达20 000 h以上,按每天观看6 h算,可观看近10年。
(3)全天候使用能力。激光家庭影院采用减反射屏幕,屏幕可消除环境光对显示效果的影响,可使在室内明亮环境下的观看效果接近暗室的观看效果。
5 应用与未来发展
激光显示所面临的问题主要是系统成本急需降低和产业化应用。激光显示现在的成本问题主要集中在激光光源上,近年来随着蓝光半导体激光器的大量使用,激光光源的成本正在逐渐降低,如果能在市场应用上找到突破口,激光显示将大有可为。
激光推进 篇3
1 高重频激光干扰参数对干扰效果的影响
高重频激光干扰参数, 如干扰激光重复频率、干扰激光能量、干扰激光对导引头干扰的持续时间等都对干扰效果有影响.
1.1干扰激光重复频率
高重频激光干扰对激光导引头的影响主要借助于其远高于指示激光信号的重复频率.设激光导引头的波门宽度为τ, 若高重频激光干扰机的重复频率f≥1/τ, 则对于每一个录取波门必有一个干扰信号存在, 如果干扰信号与制导信号的干信比足够大, 理论上其干扰成功率能达到100%.高重频激光干扰激光导引头实时波门如图1所示.
若导引头采用首脉冲录取的体制, 那么要求干扰信号必须超前于制导信号进入波门, 且功率不小于制导信号功率.当然, 干扰激光超前指示激光的是个概率问题, 具体概率计算参见文献[2].
高重频激光干扰导致2种干扰现象, 其中一种为扰乱式干扰, 即所谓的阻塞式干扰;另一种是诱偏式干扰, 这主要是高重频激光与实时波门严格同步, 最后激光导引头被高重频激光引偏至高重频激光干扰设备所在方向.而阻塞式则只是对激光导引头的正常制导信号的阻塞而已.由于实际高重频激光信号所具有的振幅不一致性, 因此, 发生这2种情况的概率也难以计算, 但是根据文献[4], 如果高重频激光的重频f2与指示激光的重频f1满足下式
f2=N·f1 (1)
式中, N为整数或近似为整数.式 (1) 实质上是要求在每个周期内都有干扰激光进入实时波门, 发生诱偏的概率较高.当然式 (1) 并非是发射诱偏干扰和阻塞干扰的必要条件, 只是满足式 (1) 时发生诱偏的概率要大一些.
1.2干扰激光功率
干扰激光超前于指示激光进入波门只是干扰成功的一个条件, 如果干扰激光的功率低于指示激光的功率, 则即使干扰激光超前指示激光也达不到干扰的效果.高重频激光对导引头干扰主要包括2种形式: (1) 高重频激光照射假目标进行漫反射干扰; (2) 直接瞄准式干扰, 由于高重频激光干扰机功率的限制, 通常采用直瞄式进行干扰.
设高重频激光器发射的激光功率为PJ, 激光发散角为θJ, 在R1远处接收激光能量, 激光大气衰减系数为μ1, 则R1处的激光功率密度P1为
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激光目标指示器的功率为PG, 激光发散角为θG, 距离漫反射目标距离为R2, 该距离的大气衰减系数为μ2, 漫反射目标距离激光导引头距离为R3, 其大气衰减系数为μ3, 一般情况下目标尺寸大于指示激光照射到目标上的光斑尺寸, 即大目标情况, 漫反射目标的反射率为ρ, 此时激光目标指示器激光通过漫反射在激光导引头光学镜头表面的激光功率密度P2为
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则在导引头光学镜头前端的干扰激光与指示激光能量密度的比值, 即干信比为
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一般情况下, 高重频激光干扰设备至激光导引头之间的距离R1与激光导引头与漫反射目标之间的距离R3基本相等, 且大气衰减系数相同, 即μ3R3≈μ1R1, 则式 (4) 为
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由式 (5) 干信比公式可以看出, 激光导引头大气衰减经过R2、R3双程, 而高重频激光则经过R1单程, 因此在直瞄式干扰时, 干扰激光的功率可以远低于指示激光的功率.
1.3干扰持续时间
干扰持续时间的长短影响干扰激光能否引偏激光导引头, 即干扰多长时间能诱偏激光导引头.
1.4高重频干扰激光振幅的随机性
理论上高重频激光在时间序列上, 每个脉冲之间的能量差别应该非常小, 即是等幅的, 如式 (6) 所示[3].
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式中, n为脉冲间隔数;k为比例因子, 表示导引头接收的干扰信号大小占整个干扰信号的比例;T为干扰激光的重复频率;τ为基模高斯光束半功率脉冲宽度;P0为干扰激光最大功率.
但是实际的情况并非如此.由于激光器脉冲序列的单脉冲能量大小是一种随机分布, 且其出光周期不是严格相等, 只是总体近似等间隔.高重频激光的这种随机性会造成激光导引头受干扰后表现出明显的随机性.
2 激光导引头性能参数对干扰效果的影响
激光导引头自身的参数, 如导引头实时波门宽度、编码方式[6]、导引头信号处理方法等导引头选用的技术, 也是影响干扰效果的另一个主要因素.
2.1实时波门
激光导引头通常采用波门技术以增加抗干扰能力, 以便在时域剔除波门外的干扰, 通常采用的有固定波门和实时波门2种, 由于实时波门可消除累计误差的影响, 因此大多数激光导引头都采用实时波门.实时波门宽度直接影响干扰激光能否进入波门的问题, 若要求干扰激光每次都进入波门, 则应满足f≥1/τ关系, 因此如果实时波门宽度越窄则要求干扰激光的重频越高, 反之则越低.
2.2自动增益控制 (AGC)
因激光导引头接收的能量与激光制导武器——目标距离的平方成反比, 所以在导引头信号处理中, 采用了自动增益控制电路, 它是以四象限探测器所接收到的目标漫反射能量为变量, 同步控制4个通道的放大器输出, 以免放大器饱和, 即保证在小信号时, 放大器的放大倍数较大, 输出与输入成线性关系, 当信号增大到一定数值时, 减小放大器的放大倍数, 使激光导引头正常工作.
AGC电路对干扰效果的影响体现在干扰激光与指示激光的干信比, 即使在干扰频率不满足f≥1/τ这个关系时, 干扰激光仍可使导引头丢失目标被阻塞或诱偏, 其主要原因是存在自动增益控制, 造成了四象限探测器在接收到能量比指示激光更强的干扰激光信号后, 自动增益瞬间出现了调整反馈, 导致导引头对指示激光的丢失, 且自动增益控制一般存在多极调整, 因此调整存在时间上的延迟, 若接收到一个高能量脉冲, 则使导引头可能丢失数个周期的激光信号, 使导引头不能正常跟踪, 具体可见式 (7) .
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式中, T为对AGC干扰的成功与否, 1代表成功, 0为不成功;t0为激光导引头AGC的调整时间;t1为高重频激光的脉冲周期.
2.3信号处理算法
随着信号处理技术的发展, 新的算法和信号处理电路运算速度的不断提升, 激光导引头的抗干扰能力也在不断增强, 通过存储导引头波门内、外探测器接收到的所有激光信号, 通过相关的抗干扰算法可以排除干扰激光信号, 起到抗干扰的作用, 这也造成了干扰效果评价的困难[7,8,9].
2.4激光导引头的视场
随着激光导引头抗干扰的需要, 激光导引头通常具有搜索视场与跟踪视场, 而搜索视场明显大于跟踪视场, 搜索视场一般在几十度之间, 跟踪视场则在几度左右, 同时伴随双四象限探测器的广泛应用, 跟踪视场变得更窄, 以提高空间上的抗干扰能力, 这样使得高重频激光干扰成功的可能变得更低[10].
3 结 束 语
高重频激光对激光导引头干扰可导致2种现象: (1) 阻塞干扰, 此时导引头接收到的光电信号出现紊乱, 不能准确给出目标位置; (2) 出现了诱偏现象, 激光导引头可正常工作, 在成功诱偏后, 激光导引头偏向高重频激光光斑所在方向.在频率一定的条件下, 出现2种结果是一个概率问题, 但由于高重频激光自身的出光特性, 很难确定所服从的概率分布, 但满足由式 (1) 所确定的干扰激光频率与指示激光频率关系时发生的概率要大一些.
干扰激光的重频无需满足f≥1/τ关系, 且可以很低, 当然频率越低则有效干扰的单脉冲能量就必须越强, 实质是干扰激光的平均功率不能太低.干扰信号与指示激光的干信比决定了干扰能否成功, 干信比并非大于1就可以成功, 对不同的频率存在一个值或一个范围.决定干扰效果的主要因素是:干扰激光的重复频率、输出功率和干扰持续时间等;激光导引头自身的信号处理算法、波门宽度和自动增益控制等.由于高重频激光时间上的不稳定性, 造成了干扰现象随机性的增大.
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激光推进 篇4
选区激光烧结 (SLS) 技术是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料成型的一种快速成型技术[1]。激光扫描是SLS成型工艺中的关键环节。成型过程中, 当新铺粉层预热达到稳态后, 进行激光扫描;在这个过程中, 粉末吸收激光能量, 温度升高熔化粘结;成型缸内部中心区预热温差较小, 而在靠近缸壁的区域, 由内到外预热温度呈明显降低趋势。由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀[2,3]。
基于此, 本研究通过增加激光能量密度来对温度预热不足进行补偿, 从而提高SLS成型件机械强度。
1 激光与材料的相互作用
1.1 粉末能量密度差模型
粉床表面的激光能量密度直接影响到制件的烧结密度。能量密度是由激光功率、扫描速度和扫描间距决定的。能量密度差计算公式如下:
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式中 erf—误差函数;Ar—粉床表面的吸收率;B—烧结宽度;ω—激光束的特征半径;P—激光功率;V—扫描速度。
1.2 激光能量输入下的粉末预热温差模型
SLS粉床表面预热温度在150 ℃～173 ℃之间。预热温度差 (粉床某点的实际预热温度与设置的预热温度) 可表示为[4]:
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式中 C—比热容;ρ—铺粉密度;h0—烧结深度。
由以上两式计算可得, 在增加能量密度ΔE=1.5×10-3 J/mm2 (即约增加1 W功率或约减少0.01 mm扫描间距) 时, 能够补偿的预热温差ΔT=4.3 K (4.3 ℃) 。
1.3 能量密度对烧结件性能的影响
零件的机械性能与烧结密度有很大的关系, 在粉床表面的不同区域, 预热温度相差较大, 在同样的加工参数下导致烧结密度差别较大, 因此烧结件的机械性能差别也较大[5]。
2 试验研究
试验材料为Duraform PA, 是3D System生产的新一代复合粉末, 用它生产的热塑性塑料制品具有很好的表面质量和热稳定性, 并且能经受住严格的性能测试, 缩短制品的试验、生产周期[6,7]。
试验设备与仪器选择3D System公司生产的Sinterstation HIQ+HS快速成型机;游标卡尺;精度为0.000 1 g的电子天平。
2.1 能量密度对温度的补偿试验
参数设置:预热温度在155 ℃～173 ℃之间取7个水平, 每3 ℃调整激光能量密度, 同一预热温度做两组试验, 选用不同的调整激光功率和扫描间距。
试件:8 mm×8 mm×8 mm的方块, 按中心位置进行定位, 摆放在 (0, 0) 点。
各参数设置如表1所示。
2.2 温度补偿前后烧结成型件机械性能试验
以上分析了粉床表面的预热温度场, 以及能量密度和预热温度的共同作用对烧结件密度的影响。在研究能量密度调整对预热温度较低区域的密度改善的基础上, 本研究进行了强度试验。
试件根据塑料拉伸试样标准GB/T1040-2006确定, 采用标准型1B型样件 (如图1所示) , 样件尺寸如表2所示。试件在成型缸中竖直放置, 坐标位置分别为高度相同的3个典型位置a (0, -40, 200) 、b (0, -145, 200) 、c (135, -145, 200) 上, 竖直放置时试件截面较小, 按中心定位, 如图2所示。因为中间区域烧结良好, a位置试件按默认参数 (激光功率为22 W, 扫描间距为0.15 mm) 加工。而b、c位置试件各做两组, 一组选用默认参数加工, 另一组按调整的参数加工 (如表1所示) , 每组制备5个试件, 测试结果取平均值 (如表4所示) 。
试验设备采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的KG4100型微机控制电子万能试验机, 拉伸速度为5 mm/s。
3 试验结果与分析
能量密度对温度的补偿试验结果数据如表3所示。
由试验结果可见, 在预热温度为155 ℃～173 ℃的区域按表1的温差与能量密度差进行参数调整, 试件烧结密度相近。将表1的温差与能量密度差进行拟合, 两者近似服从线性关系, 如图3所示, k为0.505, 得到两者的经验关系式:
ΔT=kΔE (3)
式中 ΔT—粉床表面某点温度与设定温度之差;ΔE—调整的能量密度与默认加工设置的密度之差。
根据试验温度场回归模型式Tp (x, y) =b1+b2x+b3x2+b4x3+b5y+b6y2+b7y3计算可知b位置的预热温度为161 ℃, 根据能量密度对温度的补偿经验关系式, 需要增加的激光能量密度为6.13×10-3J/mm2, 取激光功率为26 W, 扫描间距为0.15 mm;计算得到c位置的预热温度为155 ℃, 根据式 (3) 计算得到需要增加的激光能量密度为9.19×10-3J/mm2, 取激光功率为28 W, 扫描间距为0.15 mm。
烧结成型件机械性能试验结果数据如表4所示。
由试验结果可见, 在同一加工参数下, 不同位置的烧结件拉伸强度相差很大。其中预热温度良好区域a处的试件强度达到了48.8 MPa, 拉伸断口凹凸不平 (如图4 (a) 所示) , 说明烧结良好, 接近实体尼龙产品;在靠近成型缸壁的b处试件强度相对要小很多, 只有32.6 MPa;而在角落位置的c处, 试件烧结很不充分, 仅为15.5 MPa, 其断口平整 (如图4 (b) 所示) , 说明层与层之间粘结不良, 在较小的作用力之下就相互脱离。
在b、c位置处, 调整激光能量密度后, 单位面积的激光能量输入增大, 补偿了预热温度的不足, 试件烧结充分, 产品强度得到提升, 满足了机械性能要求。试验结果说明, 将式 (3) 应用于实际烧结可取得较好的效果。
强度试件竖直放置时截面较小, 所以按中心定位, 设置参数进行加工。而当实际加工件较大时, 其性能由强度最薄弱处决定, 因此烧结时可按截面上最低预热温度处计算所需调整的激光能量密度, 从而设定参数进行加工。
4 结束语
本研究分析了激光与材料的相互作用, 基于粉床表面接受的激光能量密度的理论, 利用改善烧结密度的能量密度调整公式, 并结合试验分析了调整能量密度对烧结密度的影响, 得到了预热温差与能量密度差的经验公式。最后将经验公式应用于烧结强度试验件, 分析结果表明, 该方法能够提高产品机械强度。
摘要：选择性激光烧结 (SLS) 成型预热温度从成型缸中间到缸壁呈降低趋势, 由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀。针对这一问题, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行了补偿。通过试验建立了激光能量密度差ΔE与预热温差ΔT的经验公式, 并比较了温度补偿前后烧结件的机械强度。实验结果表明, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行补偿, 提高了产品机械强度。
关键词：选择性激光烧结,能量密度,烧结密度,温度补偿
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激光推进 篇5
激光-电弧热源作为一种新型复合焊接热源具有焊接效率高、焊接质量好以及能源消耗低的特性, 因此成为国内外焊接领域研究的热点[1,2,3]。近年来, 研究者围绕激光-电弧复合热源焊接技术开展了大量的研究工作。然而, 目前较多的工作集中在焊接装置设计和焊接工艺开发方面, 而对于焊接热源的物理状态和物理机制的研究相对较少[4,5]。从已有的研究结果来看, 激光和电弧在焊接过程中的耦合效应已经得到了广泛的认同。耦合效应认为:电弧对材料的预热效应可以大幅提升激光的吸收率;激光等离子体对电弧的吸引和压缩作用既稳定了电弧的放电过程, 又提高了电弧的能量密度。这些相互增强作用提高了复合热源整体的热穿透能力和焊接稳定性[6,7,8]。
然而, 不同类型的电弧等离子体其放电特性不尽相同, 在焊接过程中其与激光之间的相互作用的差异较大[9]。如激光-TIG电弧复合热源和激光-MAG电弧复合热源是较为常见的两种复合焊接热源[10], 而TIG电弧和MAG电弧在焊接时放电极性完全相反[11], 同时在电弧成分、温度和质量传递等方面差异巨大, 而已有机制难以对此进行分析。这一结果导致不同类型的电弧与激光复合构建的复合热源在进行焊接时的指导机制不清楚、无法统一, 甚至出现混乱。解决此问题的有效、可靠方法是对不同类型的复合热源的物理机制分别进行研究, 并提取相关物理过程和物理机制的共性特征, 进而得到适用于不同类型激光-电弧复合热源的通用型物理机制。
本论文主要针对激光-交流TIG电弧复合热源焊接过程中物理过程和物理机制进行研究, 通过考察激光作用时电弧的形态特征、光辐射特性、焊缝表面成型以及焊缝熔化深度, 以及着重分析激光作用于交流电弧正、负半波期间与电弧相互作用的物理过程。在本研究中, 交流电弧的负半波与MIG/MAG电弧的放电特性相同, 因此本研究结果也可以为激光-MIG/MAG电弧复合热源焊接的相关物理机制研究提供现象参考。
1 实验材料与方法
如图1所示, 本研究采用脉冲式Nd:YAG激光与交流TIG电弧复合, 构建脉冲式激光-TIG电弧复合热源。复合方式为旁轴复合, 且在焊接方向上电弧在前、激光在后。激光束垂直照射板材, 电弧焊枪与板材表面呈45°角。激光束轴线与钨极间断的水平距离定义为激光-电弧间距, 且实验中可调。采用激光脉冲-交流电弧波形匹配控制系统, 实现激光脉冲作用于交流电弧放电的不同阶段的控制。交流电弧放电的周期为76ms, 放电波形如图2所示。实验材料为6mm厚AZ31B镁合金板, 采用平板堆焊的焊接方式, 焊接速度为600mm/min。焊接过程中采用高速摄像机对复合热源等离子体动态行为进行观察, 采集方向垂直于焊接方向以获得焊接等离子体的侧面图像。高速摄像机的采集速度为2000帧/秒, 曝光时间0.5ms。采用光谱分析仪对等离子体中镁原子的光辐射强度进行采集和分析, 采用的分光光栅为300 groove/mm。焊后, 观察焊缝的表面形貌, 并对焊缝进行切割取样, 经过抛光、腐蚀 (HCl浓度为5%的酒精溶液) , 观察焊缝的横截面状态, 以确定热源的熔化深度。实验所用的主要参数见表1。
2 实验结果
2.1 焊缝特征
2.1.1 焊缝表面粉末
控制激光脉冲作用于交流电弧的波形的不同位置, 并进行焊接。焊接结束后不清理试板, 直接对焊后焊接试板的表面状态进行观察, 结果如图3所示。从图中可以看出, 焊后的焊缝表面有一层粉末覆盖, 但是激光作用于交流电弧的正、负半波时, 表面覆盖粉末的状态不同。激光作用于电弧正半波时, 焊后焊缝表面粉末呈黑色, 且粉末覆盖致密;激光作用于电弧负半波时, 焊缝表面颜色略浅, 呈灰色。X-射线衍射分析结果表明粉末为纳米级氧化镁和纯镁颗粒。
2.1.2 焊缝形貌
采用钢丝刷将焊接过后的焊缝表面粉末进行清理, 对比观察激光脉冲作用于电弧正、负半波时焊缝表面形貌, 结果如图4所示。从图中可以看出, 在同样的焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧正半波时, 焊缝表面存在均匀细致的鱼鳞纹;而激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 焊缝表面纹路不规则, 表面起伏较大, 且略显粗糙。
2.1.3 焊接熔深
本研究对不同焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧放电波形正、负半波时的熔化深度进行采集, 结果如图5所示。由图中可以看出, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时的焊缝熔深略有不同。激光脉冲作用于电弧放电负半波时的熔化深度略大于正半波。从结果可以看出, 相对于激光脉冲作用于电弧放电波形的位置, 激光束与电弧在空间上的相对位置对焊接熔化深度的影响更大。
2.2 电弧形态
采用高速摄像机对焊接过程激光脉冲与电弧不同匹配条件下的复合电弧形态进行观察, 期间采用中心波长为518nm的窄带滤光片, 观察到的为电弧中镁原子的发光状态, 结果如图6所示。从图6中可以看出, 激光脉冲作用于电弧放电波形不同位置时, 电弧形态均发生变化。激光脉冲作用于电弧放电正半波期间, 电弧体积发生膨胀, 但电弧外形轮廓较规则。激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 电弧体积剧烈膨胀, 形状不规则。同时, 在实验中还发现, 激光脉冲对放电电流较小的电弧形状影响较大, 这可能与电弧弧柱区宽度以及电弧自身的挺度有关。当电弧电流较大时, 电弧弧柱直径较大, 同时电弧自身挺度也较大。激光脉冲穿过电弧等离子体作用于材料上以后形成的高速等离子体蒸汽对电弧的冲击作用相对较弱。
2.3 光谱特征
采用直读电弧光谱分析仪对激光-TIG电弧复合焊接过程中激光脉冲作用时电弧等离子体的光辐射进行分析。光谱采集位置为电弧轴线上钨极附近区域。首先对激光作用于电弧正、负半波时复合等离子体光谱进行采集, 实验结果如图8所示, 从图中可以看出, 激光作用于电弧正负半波时在200~1000nm波长范围内光辐射谱线位置基本相同, 表明两种焊接过程的电弧等离子体中粒子的种类区别不大, 均主要由氩原子、氩离子、镁原子和镁离子组成。
激光脉冲作用于材料上时, 板材元素 (以镁元素为主) 迅速熔化、蒸发, 并进入到电弧等离子体中。镁元素在电弧中的含量会以镁原子辐射谱线的强度定性反映出来。因此, 考察电弧中镁原子谱线518.362nm的辐射强度可以定性说明激光对电弧放电状态的影响程度。在实验中, 采用等同有效值的直流正、反接来分别近似电弧放电正、负半波的情形, 且只考察激光脉冲作用后谱线强度的变化值, 结果为5组重复实验结果的平均值。实验中发现, 激光脉冲作用于后电弧放电正、负半波时镁原子谱线强度均增加, 但增加的程度不同, 如图8所示。激光脉冲作用于电弧正半波时谱线强度增加程度高于作用于负半波时。该结果表明, 激光脉冲作用于电弧放电正半波时有大量的镁原子进入到电弧中, 电弧中镁原子浓度大幅提升, 而激光脉冲作用于负半波时电弧中镁原子浓度变化不大。
3 分析与讨论
在焊接过程中, 激光束穿过电弧等离子体放电空间的过程中激光与电弧之间的相互作用极其微弱, 二者的相互作用主要发生在激光束作用于材料上之后的过程。激光束对材料的剧烈加热使得材料瞬间被熔化、蒸发、电离, 形成的激光等离子体蒸汽高速冲入电弧等离子体的放电空间。而两种等离子体之间的相互作用是激光与电弧相互作用的本质。
由于电弧放电极性和放电强度的周期性改变, 电弧放电空间的电学特性完全不同。当电弧放电处于正半波时, 钨极作为等离子体的阴极发射电子, 而板材作为阳极接收电弧弧柱中的电子。此时, 从板材向上方冲入电弧放电空间的激光等离子体中的电子立刻收到电场力的减速作用, 并向板材运动。相反, 激光等离子体中的正离子在电弧放电空间向钨极移动。电弧等离子体中能量的载体主要是电子。激光等离子体中的电子在离开板材表面很小的距离内就减速至零并被重新加速向板材运动。因此其从电场中获得的能量较少, 返回板材时携带的能量也较少。在电弧放电负半波时, 电弧电场方向的改变导致粒子的反向运动。激光等离子体中的电子在电场的加速作用下向钨极运动, 期间获得的能量通过碰撞最终传递给钨极。从这个角度来看, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时粒子对材料的能量输入差异不大。但是, 在激光脉冲作用于电弧放电负半波期间, 板材作为发射电子的阴极。激光作用点高密度的电子群将成为电弧放电的电子发射源, 因此电弧放电的位置集中于板材上的激光作用点, 此处具有极大的电流密度。而激光作用于电弧放电正半波时, 这种对电弧放电点的固定和放电电流的汇聚作用较弱。因此, 在实验中我们发现激光脉冲作用于电弧放电负半波时焊缝的熔化深度略大于正半波。
在激光脉冲作用于电弧正半波期间, 激光等离子体中的正离子 (以镁离子为主) 在电场作用下大量进入到电弧中, 因此电弧等离子体中的镁元素含量急剧增加, 表现为光谱中Mg原子的辐射强度大幅提高。同时, 从电弧中扩散出去的镁原子数量增加, 导致焊后焊缝周围存在大量的呈部分团聚状态的纳米镁粉。而当激光脉冲作用于电弧负半波时, 电场的作用导致镁离子向电弧空间扩散的难度较大, 因此, 镁原子辐射强度较低, 焊后焊缝周围的镁粉末较少。
4 结论
本论文研究了在激光-电弧复合焊接镁合金过程中, 激光脉冲作用于交流电弧放电正、负半波时焊接特性的差异, 并分析了其机制。通过本论文的研究, 得到如下结论:
1) 与激光脉冲作用于电弧放电的正半波相比, 激光脉冲作用于交流电弧放电的负半波时, 复合热源对焊缝的熔化深度较大, 焊缝附近的黑色镁粉末较少, 电弧等离子体体积剧烈膨胀, 且电弧中镁原子的光谱辐射强度较小。
2) 激光脉冲作用于电弧放电正、负半波时的差异主要来自电弧等离子体电场对激光等离子体作用的差异。激光脉冲作用于电弧正、负半波时, 激光等离子体中带电粒子对材料的熔化贡献均不大。但是, 激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 激光等离子体的存在可以提高电弧等离子体的能量密度, 有利于提高热源的热穿透能力。
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