在激光粉末床熔融（LPBF）成形过程中，铺粉异常导致的沉积缺陷会严重影响成形零件的表面及内部质量，但目前缺乏针对性的在线监测与诊断方案。采用光电探测器和高速相机在线监测成形过程中的光强和熔池面积信号，探究不同粉末厚度条件下熔池尺度光信号的变化规律，实现对零件质量的初步诊断。研究结果表明，粉末厚度的异常增加会导致零件熔化状态出现波动，并最终导致严重的球化。表面粗糙度从正常打印状态的5 μm显著增加至100 μm以上，同时在零件内部形成了未熔合孔隙缺陷。阐述了粉末厚度对沉积缺陷的影响机制，深入分析了光强与熔池面积的特征及其相互关系，提出了一种基于阈值百分比诊断沉积缺陷的信号监测方法。
增材制造 激光粉末床熔融 在线监测 熔池光信号 沉积缺陷 中国激光
2024, 51(10): 1002308
南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094
在激光粉末床熔融（LPBF）成形过程中，存在由热应力引起的翘曲变形，严重影响零件精度与性能。为了探究熔池辐射光信号与LPBF工艺中的翘曲变形过程的关联关系，为基于熔池辐射光采集的翘曲缺陷监测提供支持，设置了一组实验，成形了翘曲与非翘曲试样，基于统计学方法分析了翘曲与未翘曲试样成形过程中熔池辐射光信号的特性。结果表明，未翘曲变形试样的光强分布较为均匀，无明显梯度，而翘曲变形试样在翘曲区域出现了明显的光强下降。对于翘曲变形的试样，在悬垂层变形尚未发生时，区域光强均值存在较大极差。翘曲试样与未翘曲试样的光强值层间演化趋势不同。随着成形层数的增加，悬垂结构对光强信号的影响逐渐减小，第5层后光强趋于稳定。
激光技术 激光粉末床熔融 翘曲变形 过程监测 熔池辐射光 中国激光
2024, 51(16): 1602306
南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094
熔融生长的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷具有优异的高温性能。采用激光粉末床熔融（LPBF）直接制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷，研究了不同激光功率下的单道形貌特征及块体表面质量、物相组成、微观组织结构的演变规律和力学性能。结果表明，激光功率的提升将增加熔池的长度和单沉积道的宽度。Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的表面粗糙度（Ra）和气孔率均随着激光功率的增加先降低后升高。在没有添加Y2O3等稳定剂的条件下，Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的物相主要包括α-Al2O3、m-ZrO2和亚稳相t-ZrO2。随着激光功率的增加，m-ZrO2逐渐减少，这是由于LPBF的快速冷却过程抑制了马氏体相变。样件的晶粒尺寸随着激光功率的增加呈增大趋势，晶界密度减小，因此测量的显微硬度和断裂韧性呈现下降的趋势。当激光功率为60 W时，得到硬度为Hv=17.19 GPa和断裂韧性为KIC=6.67 MPa·m1/2的最优力学性能样品。
激光技术 激光粉末床熔融 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷 熔池 晶粒尺寸 断裂韧性 中国激光
2024, 51(10): 1002316
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 Institute of Applied Electronics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 430079, China
3 Graduate School of China Academy of Engineering Physics, Beijing 100193, China
A high-power CW Yb:YAG slab laser amplifier with no adaptive optics correction has been experimentally established. At room temperature, the amplifier emits a power of 22 kW with an average beam quality (β) of less than 3 in 0.5 min. To our knowledge, this is the brightest slab laser without closed-loop adaptive optics demonstrated to date. In addition, an extracted power of 17 kW with an optical extraction efficiency of 33%, corresponding to a residual optical path difference of less than 0.5 µm, is achieved with the single Yb:YAG slab gain module. The slab gain module has the potential to be scalable to higher powers while maintaining good beam quality. This makes a high-power solid-state laser system simpler and more robust.
laser amplifier Yb:YAG slab laser surface quality pumping uniformity Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031402
1 浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 东海实验室，浙江 舟山 316021
3 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心，浙江 嘉兴 314000
4 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311200
5 浙江大学地球科学学院浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室，浙江 杭州 310027
提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法，通过引入模式半径范围作为先验约束，并对差异最小值附近的解进行平均，以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真，测试了所提反演算法对气溶胶微物理特性参数的反演精度与稳定性。考虑在20%随机高斯噪声的影响下，90%以上气溶胶的有效半径、体积浓度和表面积浓度反演相对误差可被控制在±33%、±45%和±50%范围内。误差统计结果表明，所提算法基于多波长的气溶胶光学特性，可实现对气溶胶粒径分布的可靠反演。
大气光学 多波长激光雷达 正则化方法 气溶胶粒径分布 微物理特性
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳，621900
2 中国工程物理研究院研究生院，四川 绵阳，621900
3 中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳，621900
4 95972部队，甘肃 酒泉，735300
在探测目标尺寸小且距离远时，由于光电系统的视场角很小，有效的目标前级引导是光电系统跟瞄目标的前提。目标引导的本质是将大地坐标系下的目标点转换至光电系统局部坐标系下，转换过程中引入一系列旋转和平移参数，其准确程度决定了最终的目标引导精度。提出基于无人机航迹的光电系统引导误差校正方法，通过围绕光电系统周围无人机航迹数据，求解引导数据计算过程中坐标变换的最优参数，进而提高目标引导精度。在本项目搭建的实验装置上实现了方位引导标准方差小于0.052°，俯仰引导标准方差小于0.04°，最大误差不超过0.7°。目标前级引导的引导精度越高，光电系统捕获目标速度越快，对于提高目标处置相应速度具有重要意义。
目标引导 引导误差 目标探测 target guidance guidance error target detection
1 中南大学土木工程学院，长沙 410075高速铁路建造技术国家工程研究中心，长沙 410075
2 山东中建城市发展有限公司，济南 250014
3 东南沿海铁路福建有限责任公司，福州 350013
4 中国铁路南昌局集团有限公司，南昌 330002
盐雾湿润-干燥循环作用下，处于潮汐区、浪溅区、大气区等近海地区的海工混凝土耐久性加速劣化，内部钢筋锈蚀风险增高。考虑配合比、干湿比和暴露时间等参数影响，基于盐雾湿润-干燥循环试验，结合分层磨粉-电位滴定的测试方法，对近海环境水泥基材料中氯离子扩散规律展开研究。结果表明：盐雾湿润-干燥循环作用下，砂浆内氯离子的沉积与传输主要受干湿比、水胶比和暴露时间等影响，其中，水胶比的影响最为显著，干湿比对其影响较小。氯离子峰值浓度Cmax与有效扩散系数Deff随着砂浆水胶比的增大而增加。提高粉煤灰掺量、增加干湿循环次数后，Cmax呈现典型先增高后降低的趋势。随着暴露时间的延长，Deff减小；随着粉煤灰掺量的增加，Deff先增后减。选用较低水胶比混凝土，引入粉煤灰可有效延缓氯离子的侵蚀速率，进而提升结构的耐久性能。
近海地区 干湿循环 氯离子传输 有效扩散系数 耐久性 offshore wet-dry cycle chloride transport effective diffusion coefficient durability
1 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000
2 南京诺威尔光电系统有限公司，江苏南京 210014
编织复合材料低速冲击损伤主要为内部的分层损伤，采用目视检测无法有效检测损伤，损伤使得结构承载能力严重降低，威胁编织复合材料构件的安全使用。本文使用超声红外热成像技术对编织复合材料低速冲击损伤进行无损检测研究，使用 10J、20J、30J、40J、50J的冲击能量制作了 5个试件。对超声激励过程的温升曲线、空间温度曲线进行了详细分析；对比不同冲击能量试件发现，低速冲击下损伤主要是内部损伤，冲击能量越大，损伤区域越大，且损伤具有延展性。采用曲线分类算法对损伤区域进行了定量识别，发现编织复合材料损伤面积和冲击能量成线性关系。
超声红外热成像 编织复合材料 低速冲击损伤 无损检测 ultrasonic infrared thermography, woven composites
