激光技术杂志

激光技术杂志2025年第4期

• 拉盖尔-高斯超短脉冲激光在渐变折射率光纤中的传输特性

  何琼, 霍楠, 武晋泽, 李晋红

  为了研究拉盖尔-高斯超短脉冲激光在渐变折射率光纤中传输的光谱特性，利用广义惠更斯-菲涅耳原理，推导了拉盖尔-高斯超短脉冲激光在渐变折射率光纤中传输时的解析表达式，分析了光谱调制函数与拓扑荷、径向指数、光纤传输距离等参数的依赖关系。结果表明，拉盖尔-高斯超短脉冲激光在渐变折射率光纤中传输时，光谱调制函数和光谱强度的空间分布经历周期性的聚焦与扩散，但时空耦合效应使得两者不再呈对称分布；对于不同中心波长的光束，波长越长，经光谱调制函数调制后的光谱的第2个峰的峰值越高；当拉盖尔-高斯超短脉冲激光的持续时间为3 fs且传输距离一定时，光谱在离轴位置8.99 μm处分裂出两个峰值高度相等的峰，此时可以观察到光谱开关现象，离轴位置越过该点处时，光谱位移由红移迅速跃变为蓝移。此研究为拉盖尔-高斯超短脉冲激光在渐变折射率光纤中传输的光谱变化提供了理论依据，在信息编码和传输方面具有潜在的应用前景。

• 飞秒激光光波导器件的加工制备

  王佳琪, 宋迪, 秦曌鹏, 韩聚洪, 王雅兰, 程佳, 苏成欢, 王浟

  飞秒激光直写是一种高效且灵活的3维精密材料加工技术，在许多领域得到了广泛的应用；光波导是集成光子学器件中的一种基本导波结构，能够将光场限制在微小的通道内进行无衍射的传播。从飞秒激光诱导材料改性与材料烧蚀出发，对飞秒激光直写光波导的作用机理以及基于不同类型材料所制备的光波导损耗进行了总结和分析；归纳了利用飞秒激光直写技术在玻璃、晶体以及聚合物等材料上低成本、高效率地制备光波导结构的研究，并指出通过调整激光和加工参数，可实现一定波长下的波导结构调控；最后对飞秒激光加工光波导的未来做出展望，实现低损耗、高平滑度、信息保真度和3维立体化的光波导将是未来集成化微纳光学器件激光制造过程中最需要解决的关键环节。

• 基于激光冲击波的弱粘接缺陷检测研究

  曹梦雨, 吴合槟, 张永康

  为了研究激光冲击检测方法对“弱粘接”缺陷的检测能力，制备了不同污染水平的碳纤维复合材料粘接试件。先对试件进行拉伸剪切测试，再利用激光冲击波发生系统对其进行激光冲击，观察冲击检测结果并与拉伸剪切测试结果进行了对比。结果表明，施加污染试件拉伸剪切强度较正常粘接下降约55%～78%，失效主要发生在粘接界面处，符合“弱粘接”的特征；当激光脉宽为30 ns、光斑直径为4 mm、激光能量为3.68 J时，正常粘接试件开始产生层裂，而采用2.76 J和1.84 J的激光能量冲击能在不破坏正常粘接试件的情况下对有污染的试件造成损伤，损伤大小与试件粘接强度相关，损伤出现的位置也与拉伸剪切测试中接口断裂位置一致，说明激光冲击检测可有效识别出弱粘接缺陷。这些结果对弱粘接检测技术的发展是有帮助的。

• 水辅助矢量激光表面加工特性的实验研究

  许佳康, 王吉明, 欧盛美, 王建磊

  为了研究水辅助下调控矢量光场在硅片表面的加工特性，搭建了调控纳秒矢量激光水辅助表面加工系统。采用Nd:YAG脉冲调Q激光器，对厚度为3 mm的单晶硅进行激光打孔实验，在静水和水射流辅助下，对矢量激光的脉冲次数、光束的偏振态、拓扑荷数以及水流流量对单晶硅表面加工的影响进行了系统研究。结果表明，在水辅助的情况下，热影响区和重铸层的影响基本消失，矢量光束相较于线偏振光，在高脉冲次数下会获得更大孔径；高拓扑荷数的广义柱矢量偏振光与径向和角向偏振光相比，打孔更为光滑；在水射流辅助的情况下，当水流流量超过0.8 L/min时，激光加工的孔的圆对称性会有所破坏，广义柱矢量偏振光相较于径向与角向偏振光能够更好保持孔的圆对称性。将水辅助与矢量激光相结合，可以完成更多精密加工的工作，在工业加工中具有实际应用的价值。

• 532 nm纳秒脉冲激光对CCD/CMOS的干扰效果对比研究

  赵泽, 王春锐, 王锐, 郭劲, 郑长彬

  为了研究电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）两种典型图像传感器在532 nm纳秒脉冲激光作用下的干扰效果，基于ISO-21254的测试方法，分别在大气和真空环境下开展了532 nm纳秒脉冲激光干扰CCD和CMOS的实验研究；对比分析了50 ms的曝光时间内，不同作用脉冲数对干扰效果的影响，并对比了大气与真空条件下的干扰效果。结果表明，532 nm纳秒激光对CCD和CMOS具有明显的干扰效应，均出现了光学饱和现象，且CCD存在“反饱和”与“饱和串音”现象；随着作用脉冲数的增加，饱和像素数随激光能量密度线性增长，且作用脉冲数越多，增长速度越快；CCD在真空中的干扰效果优于大气中的，而 CMOS 在大气中的干扰效果更为明显，且CMOS比CCD具有更好的抗532 nm纳秒脉冲激光干扰的能力。此研究结果为实际应用环境中探测器的选择提供了参考依据。

• 基于拼接非球面的头戴显示器的设计

  柏香虎, 陈瑾, 于洋, 刘雪峰

  为了设计出具有更大视场、更高成像质量且结构轻巧的头戴显示器以满足高端场合的需求，采用拼接非球面和折叠光路系统设计了两片式头戴显示器。该光学系统使用两片透镜，包含一个拼接非球面、一个平面和两个球面，4个表面分别镀半透半反膜、相位延迟膜、偏振反射膜以及减反膜。先通过像差理论计算出初始结构，然后引入拼接非球面以进一步提高边缘视场的成像质量，并对设计结果进行了公差分析。结果表明，软件仿真后光学系统的全视场角达到100°，边缘视场在奈奎斯特频率处调制传递函数大于0.3，出瞳直径为8 mm，出瞳距离为14 mm，从眼瞳到像源，系统总长不超过30 mm，两片透镜的总质量仅为21.0 g。采用拼接非球面和折叠光路能明显提升头戴显示器的性能，可为大视场高成像质量头带显示器的研究提供参考。

• 内部改质加工碳化硅皮秒激光聚焦特性调控

  曹轼毓, 梁仁超, 张屹

  激光内部改质加工技术因其效率高、无接触和损耗小等优势，广泛应用在半导体晶圆切割领域。为了研究晶圆内不同深度处激光聚焦特性对切割质量的影响规律，采用逆光线追迹法进行球差校正，通过设计并搭建基于液晶空间光调制器进行球差校正的激光内部改质切割实验平台，选用1064 nm皮秒激光对350 μm厚碳化硅晶圆进行实验，得到了长度降低20%~30%的激光内部改质层；进而基于激光在材料内部传输的能量损耗与球差校正导致的激光功率密度变化规律，提出一种碳化硅晶圆激光内部改质切割聚焦特性的调控方法。结果表明，通过变功率多道扫描策略，利用8道改质层实现了切割侧面粗糙度819 nm且无崩边崩角的高质量加工。该研究为碳化硅晶圆激光内部改质切割的工艺优化与切割质量提升提供了参考。

• 焊接等离子体光谱信息自处理软件开发

  王本乐, 高文忠, 刘钰兴, 廖伟, 龚梦成, 高明

  为了提高激光焊接/增材制造过程中等离子体光谱的处理效率，采用拟合优度算法量化光谱实测数据和拟合数据匹配程度，开发了一套等离子体光谱特征参量自动计算的专业软件，并基于6061铝合金光纤激光-电弧复合焊接光谱数据对其计算精度和效率进行了实验验证。结果表明，该软件不仅可以实现光谱特征谱线的自动择优选取和电子温度、电子密度等特征参量的批量计算，而且软件计算结果准确，与标准结果最大平均偏差仅为3.4%，尤其是光谱数据处理效率提升了2个数量级以上。该研究可为等离子体光谱信息处理提供一种高效精准的工具，有望为激光加工制造和过程监控提供一种新方法。

• 反射式全息光刻系统的对比度分析

  赵家琦, 胡飞, 郭登极, 张贤鹏, 王序进

  全息光刻作为一种高效率的微纳加工方法，在3维微纳结构制造领域引起了广泛的研究兴趣。为了分析3维微纳结构的形貌演变并研究曝光系统设计对所制备结构的影响，基于全息光刻原理，建立了光刻胶内的3维曝光剂量模型，并进一步建立了3维微纳结构的形貌演化模型；基于上述数值模型进行了理论分析，探索了光源偏振、曝光基底反射、入射光相位漂移等关键因素对曝光场对比度的影响。结果表明，在经典反射式全息光刻系统中，横向电波-横向电波（TE-TE）偏振入射光在不同入射角下表现出高对比度(0.95以上)，明显优于其它偏振组合；曝光基底反射率对基底法线方向对比度具有重要影响并且二者正相关；大幅值低频相位漂移的入射光将导致曝光场对比度明显下降，因此曝光系统应主动控制环境和系统自身扰动，以获得高对比度的曝光场。该研究为反射式全息光刻系统的参数优化设计提供了参考。

• 基于F-P腔的PDH稳频技术研究

  王新龙, 高俊, 叶瀚礼, 王晨晟

  为了满足稳频激光的应用需求，且使输出频率可调谐，采用对激光光源电流直接调制的Pound-Drever-Hall稳频技术，设计了一种基于法布里-珀罗（F-P）腔的可调谐稳频激光。结果表明，通过双激光拍频测试得频率稳定度为5.3×10?12@1 s，相比自由运转时提升3个数量级；稳频激光线宽为381.68 kHz@10 μs，12 h功率稳定度为1.7×10?3；通过控制F-P腔腔长可实现稳频激光输出频率大于1.2 GHz的连续调谐，调谐系数约为401.7 kHz/mV。该稳频激光能满足相关应用需求，且其连续调谐特性可有效弥补原子参比池作为参考源频率相对单一的局限。

• 水气对光声光谱油中甲烷检测的影响特性研究

  莫冰玉, 周尚虎, 韩梦龙, 李辰溪, 何艳娇, 侯晓娜, 梁启军, 陈珂

  为了解决油中溶解甲烷(CH4)气体光声检测精度受水气影响的问题，采用分子弛豫分析与实验验证的方法进行了研究。通过分析分子弛豫对于光声检测的影响机制，解释了环境湿度影响CH4检测精度的原因；使用波长为1650.9 nm的分布反馈式激光器，搭建了基于小体积非共振光声池的CH4气体检测系统，实验验证了湿度与光声检测系统工作频率对CH4光声信号的协同影响规律，并提出一种可抑制水气变化对CH4气体干扰的高精度检测方案，取得不同湿度和频率下的CH4气体光声信号。结果表明，对于干燥CH4气体，光声信号从低频到高频的误差增加10%，随着湿度的提高，高频处的信号衰减从13%下降到2%；当系统以30 s积分时间工作在40 Hz时，对CH4气体的检测极限可以达到0.1×10?6。该研究对于提升变压器油中溶解气体在线监测精度具有较重要的意义。

• 高双折射类菱形纤芯光子晶体光纤的特性研究

  孙宏森, 靳清清, 岳京歌, 刘凯, 蒲俊宇, 闫煜鹏, 宋锡策, 余先伦

  为了在光子晶体光纤中产生高双折射，设计了一种特殊结构的光子晶体光纤，纤芯区域设计为菱形，包层则采用六边形排列的圆形空气孔。采用全矢量有限元法进行计算，理论分析了这种光纤的双折射、约束损耗、色散、非线性系数和模场面积等传输特性，并通过了仿真实验验证。结果表明，在波长为1.55 ?m时，双折射高达0.0524，x偏振方向上的约束损耗仅为2.49×10?6 dB/m，非线性系数可达52.512 W?1·km?1，模场面积为2.4703 ?m2；在0.95 ?m ~1.85 ?m波长范围内，x偏振方向上的色散为（0.775±2.645）×10?12 ps/(nm·km)。此高双折射光子晶体光纤在光通信、光传感等领域具有良好的应用前景。

• 添加MoS2对激光熔覆铁基涂层耐磨性能的影响

  林一鸣, 师文庆, 江龙威, 张冰青, 王立珺

  为了提高45#钢表面的耐磨性，延长其在不同恶劣工况下使用寿命，采用激光熔覆技术，在45#钢表面上制备不同质量分数的Fe/MoS2涂层；利用扫描电镜、X射线衍射仪来研究MoS2粉末含量对涂层微观组织和相组成的影响；并用显微硬度计、摩擦磨损试验机进行相关性能测试，以分析涂层硬度及摩擦磨损性能的相关规律。结果表明，不同质量分数的MoS2涂层耐磨性均有所提升，涂层由胞状及柱状的晶体组织组成，且含有Fe、Cr0.5Mo0.5、Fe-Cr等相，在MoS2质量分数为15%以及20%的涂层中生成少量面心立方相；添加质量分数为15%的MoS2涂层硬度及耐磨性能提升最大，涂层硬度为891.6 HV，涂层磨损率为8.85×10?7 mm3/(N·m)，摩擦系数为0.6523；加入过量的MoS2会导致涂层的硬度及耐磨性能出现降低。该研究可为改善45#钢表面的耐磨性能提供相关研究依据。

• 低损耗与近零平坦色散双导模光子晶体光纤研究

  闫煜鹏, 宋锡策, 刘凯, 蒲俊宇, 孙宏森, 李长江, 蒋萍, 余先伦

  为了提高环形光子晶体光纤传输轨道角动量模式的数量、优化光纤传输过程中的模式色散和限制损耗，设计了一种具有近零平坦色散、低限制损耗的双导模环形光子晶体光纤，该光纤由6层折射率环辅助结构隔离内外导模区域，外包层区域设置了半径逐渐增大的3层空气孔。利用有限元法，通过改变高折射率环折射率和厚度、空气孔间距、空气孔的半径分析光纤的模式色散与限制损耗，确定了光子晶体光纤最佳结构。结果表明，最佳结构下，在1.5 μm~1.7 μm波段，双导模环形光子晶体光纤可以传输286+126种轨道角动量模式，内外导模区域模式有效折射率差值都大于2.81×10?4，模式色散在?3 ps/(nm·km)~3 ps/(nm·km)之间，模式限制损耗在2×10?9 dB/m~8×10?8 dB/m之间。该研究为提升光子晶体光纤通信容量和通信效率提供了理论参考。

• 波前像差对单模光纤耦合效率影响的理论研究进展

  祝战科, 任杰, 柯熙政

  在光学系统中，光学元件未对准和大气湍流引起的随机像差是造成波前像差的主要来源。波前像差的存在影响光学系统的成像质量，对耦合效率影响显著，特别是在需要高精度的光学器件和光学通信系统中。基于Zernike多项式，综述了光学系统中具体的单一像差模式（即圆对称类像差、倾斜-慧差类像差、像散类像差）和大气湍流影响下的随机像差对耦合效率的影响，并对其发展前景进行了展望。

• 基于正交试验的超快激光环扫制孔的仿真实验参数优化

  李磊, 华希俊, 解玄, 王昌国, 孙义皓, 张晨榆

  为了优化气体扩散层上微孔的加工质量，采用激光环扫制孔的数值模型和实验研究方法，进行了理论分析和实验验证。结果表明，激光功率对微孔直径影响最大，其次是重复频率和扫描速率；而微孔深度主要受重复频率影响；激光功率对直径的影响趋势为先降后升，重复频率则持续下降；在低加工次数下，盲孔最优参数为功率3 W、频率1100 kHz、速率900 mm/s、间距20 μm、脉宽10 ps；在高加工次数下，通孔最优参数为功率3 W、频率600 kHz、速率900 mm/s、间距20 μm、脉宽10 ps。这一结果对气体扩散层微孔加工具有实际指导意义。

• 光纤激光水下切割20 mm厚Q235钢板的实验研究

  储文焘, 陈谦哲, 韩良华, 刘列

  为了优化激光水下切割技术在核设施和船舶领域的应用，提升Q235钢板的切割质量，采用了单因素和正交试验相结合的方法，将气体压力、激光功率和切割速率作为主要变量，进行了实验验证。结果表明，气体压力显著影响切割面粗糙度，激光功率对挂渣量影响最大；最优参数为气体压力0.8 MPa、激光功率4 kW、切割速率3.5 mm/s，此时切割效果最佳；宏观与微观分析还揭示，切割过程中存在分层现象，主要包括上层、中层、下层及挂渣层。这些结果有助于进一步优化激光切割参数，提高Q235钢板水下切割的精度和效率。

• 皮秒脉冲激光对4H-SiC材料内部烧蚀改性的分子动力学模拟研究

  华军, 谢云龙, 黄磊, 王宇烜, 姚建武

  为了分析超快脉冲激光与4H-SiC在原子尺度的相互作用，采用双温模型的分子动力学方法，模拟研究了皮秒激光烧蚀4H-SiC内部的表现过程，并对不同激光能量强度辐照下4H-SiC内部的熔化温度、温度场、原子轨迹、烧蚀区域进行了分析。结果表明，皮秒激光与4H-SiC相互作用的过程主要是热烧蚀，烧蚀过程在激光脉冲结束后才会剧烈进行，且激光能量强度越大烧蚀过程越剧烈，烧蚀区域也越不规则；4H-SiC晶格熔化温度与体系压强有关，当系统体系压强为6.1 GPa时，晶格熔化温度为3230 K，高于其常压下晶格熔化温度2827 K约400 K，且当体系压强越大时，晶格熔化所需温度越高。这一结果为皮秒激光用于隐形切割4H-SiC提供了理论参考。

• 一种基于格雷码的激光角度探测组件设计及仿真

  张辛, 赵明哲, 兰江, 王永俊, 刘国迎, 唐万松, 袁少钦, 黄正中

  为了满足激光告警场景对来袭激光束方位的探测需求，设计了一种基于格雷码的曲面掩模编码型激光角度探测组件。采用10位编码的新编码方式（其中的7位、1位、2位分别作为角度编码、正负编码、参考位使用），设计了新的2维曲面掩模板，探测视场角度为±30°，分辨率为1°，选择合适的辐照强度阈值来准确区分编码“0”和“1”；通过仿真软件进行仿真得到不同视场角度下探测器靶面的光迹图和辐照强度值，并对辐照强度值进了行归一化处理。结果表明，光迹图分辨出的编码结果与设计的编码表对比基本一致；使用参考位传感器 10#平均辐照强度的47.5%作为阈值，能够准确区分编码“0”和“1”；探测组件可以实现更均匀的光束强度分布，避免了传统平面掩模板可能产生的边缘效应和不均匀性。基于格雷码的高分辨率角度探测组件设计具有可行性，该研究为激光告警应用中的探测信号处理提供了参考。

• 激光焊接在轨道车辆制造中的应用需求与展望

  单勇, 张月来

  激光焊接具有能量密度高、焊接效率高、焊接变形小、焊接结构可靠性高等优点，在轨道车辆制造中具有广阔的应用前景。围绕轨道车辆对焊接变形控制、焊接效率提升、焊接结构可靠性提升、轻量化设计与制造的需求，从轨道车辆材料与结构的角度、结合应用研究案例，分析了对应的激光焊接应用场景，总结了激光焊接在轨道车辆制造中的关键优势和潜在挑战；针对激光焊接在工程应用上的局限性，阐述了有效开展激光焊接工艺验证和实现工程化应用的方法，并指出了激光焊接过程中应重视和研究的关键技术。该研究对了解和开发激光焊接在轨道车辆中的应用具有借鉴作用。

• InGaAs-Si基光电探测器异质集成技术研究进展

  李宛励, 周鑫, 孔繁林, 陈庆敏, 梁丕刚, 舒域鑫, 代千, 宋海智

  短波红外波段包含目标的多种光谱信息，具有良好的大气传输特性，是光电探测、激光通信等应用领域的重要波段之一。硅基光电子器件具有低功耗、高带宽等优势，但其光谱响应范围局限于可见光波段，难以直接进行短波红外波段的高响应度光电探测，将具有较高短波红外波段吸收能力的铟镓砷（InGaAs）材料与硅（Si）材料进行光电集成、研制新型高灵敏度光电探测器件成为了当前研究的热点方向。光电集成技术作为超高速、低功耗、小型化的半导体光电器件核心技术，有力支撑了大数据、云计算、物联网等新一代信息技术实现跨越式发展。通过梳理光电集成技术的国内外研究发展历程、现状和趋势，聚焦于InGaAs-Si基光电探测器，分别对材料外延生长、倒装芯片集成、芯片/晶圆键合和其他新型光电集成技术进行讨论，分析了不同光电集成技术的特点、优势、不足及应用场景，并展望了未来光电集成技术的发展方向。

• 丝状物料堆积体积的激光在线测量方法

  杨雨要, 李嘉康, 林玉红, 邓国栋, 李辉, 张齐, 鲁端峰, 王乐

  为了实时、准确测量皮带输送过程中丝状加工物料的堆积体积流量，采用激光传感技术，结合物料表面轮廓点云数据平滑算法，提出了一种丝状物料堆积体积的在线测量方法，并进行了理论分析和实验验证，取得了3种不同平滑算法处理后的堆积体积测量精度及重复性数据。结果表明，该方法能够准确获得被测物的高度、宽度、截面积等信息，但体积的重复性较差，变异系数接近5%；3种算法中，Moving算法对烟丝表面轮廓点云数据的平滑效果最好；使用Moving算法对表面轮廓数据进行前处理后，体积测量的极差降至105.20 cm3，变异系数降至1.36%，烟丝堆体积的单次测量精度和多次测量的重复性均大幅提高。该研究对提升卷烟生产各工序的控制稳定性、优化各项工艺指标是有帮助的。