1 重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400044
2 重庆大学金属增材制造（3D打印）重点实验室，重庆 400044
3 中浙高铁轴承有限公司，浙江 衢州 324000
4 浙江省高速列车传动系统运行研究重点实验室，浙江 衢州 324000
激光能量场表面热处理是提升金属零件表面性能、延长其使用寿命的重要技术手段之一。近30年来，国内外对该技术展开了大量研究。相较于传统的表面热处理技术，激光能量场表面热处理具有更加高效、精准和清洁的优势。本文首先探讨了激光能量场表面热处理技术的优劣以及模拟过程中温度、流体和相场的多物理场方程，接着综述了激光表面淬火、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆和激光冲击喷丸等5种典型激光能量场表面热处理技术的研究现状，然后根据工程应用需求对改善零件表面耐磨性、耐蚀性和残余应力的研究结果进行了总结，最后展望了激光能量场表面热处理未来潜在的研究方向。
激光技术 激光能量场表面热处理 耐磨性 耐蚀性 残余应力
三峡大学电气与新能源学院, 湖北 宜昌 443000
在激光供能无人机中, 激光跟瞄无人机光伏电池板的方法成为关注热点之一。针对激光跟瞄无人机存在跟踪偏差大的问题, 提出基于改进蝴蝶优化的粒子滤波算法。首先在蝴蝶优化算法初始化阶段引入对立学习策略, 改善算法寻优性能; 其次将蝴蝶优化算法位置更新公式进行优化, 提升算法寻优速度; 最后将引入蝴蝶优化算法的粒子滤波算法应用于激光供能无人机的跟瞄中, 实现激光对无人机光伏电池板的最优跟踪。MATLAB结果表明, 基于改进蝴蝶优化的粒子滤波算法在激光跟瞄过程中可以提高激光器发射激光的准确度, 有效减小跟瞄误差, 改善激光跟瞄无人机光伏电池板的效果。
无人机 激光供能 跟瞄方法 粒子滤波 蝴蝶优化算法 UAV laser energy supply tracking method particle filter butterfly optimization algorithm
为了研究激光技术在废水降解领域中的应用, 采用激光诱导空化技术对酸性黑溶液进行降解, 通过紫外分光光度计对降解后的溶液进行分析表征, 获得激光能量和溶液初始质量浓度对降解能力的影响;结合空泡动力学理论和空化化学效应, 揭示了激光空化降解酸性黑溶液的机理。结果表明, 随着激光能量的增加, 初始质量浓度为20 mg/L的酸性黑溶液的降解率从0.78%逐步增加到27.28%; 在100 mJ激光能量下, 当溶液中酸性黑溶液的初始质量浓度从5 mg/L提升至20 mg/L时, 降解率从98.55%降低至7.63%;激光能量越高, 降解率越大; 初始质量浓度过大, 则激光空化难以对酸性黑溶液进行降解。该研究推进了激光空化降解染料等有机废水技术的发展。
激光技术 降解率 激光空化 初始质量浓度 激光能量 laser technique degradation rate laser cavitation initial mass concentration laser energy
1 苏州大学 工程训练中心,苏州 215006
2 上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306
为了探讨1维微尺度热传导模型不同激光能量对石墨转化纳米金刚石相变机理的影响，采用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟优化后的石墨结构，用有限差分法计算了激光辐照石墨表面的温度分布; 基于sp3杂化键可以明显地区分金刚石和石墨结构，根据能量耦合得到不同激光能量条件下辐照石墨的态密度带隙，研究了碳原子键合条件。结果表明，只有当激光能量达到5 J时，才能形成少量sp3杂化碳原子; 随着激光能量的增加，液相下受辐照的石墨表面的温度随之增加，碳原子中的自由电子更容易移动到成键分子轨道，电子的电负性增强，从而增强sp3键的极性，并有助于将sp2键转变为sp3键。该研究结果对在液相激光辐照下提升纳米金刚石制备效率、探究纳米金刚石制备机理有重要的现实意义。
激光技术 相变机制 分子动力学模拟 激光能量 温度分布 sp3杂化 laser technique phase transition mechanism molecular dynamics simulation laser energy temperature distribution sp3 hybridization
1 西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 国家电网有限公司，北京 100031
3 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230001
4 合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009
飞秒激光在高压放电、电场测量等领域中有广阔的应用前景，准确测量飞秒激光的相关电学参数是各领域中飞秒激光应用的前提。基于激光电学特性实验得到了光丝通道在恒定电场下的电流特征，通过电路仿真得出了实验电路的等效元件参数，并通过仿真结果与实验条件联立的方法逆推得出以下结论：对于飞秒激光经过辅助聚焦后形成的光丝，其在实验电路中的等效电阻随光丝传播距离的增加呈现先减小后增大的变化趋势。2.7 mJ飞秒激光光丝在通过5 m焦距透镜后，贯穿2.5 cm放电间隙。在这个过程中，当光丝传播距离为473.6~501.6 cm时，等效电阻为457.5~9122.5 kΩ。所提分析方法能够表征具体激光能量和聚焦距离下的飞秒激光光丝的电学特性，研究结果为飞秒激光在高电压领域中的应用提供了参数支持。
测量 飞秒激光 光丝 激光能量 聚焦距离 等效电阻 电学特性
92493部队 计量测试研究所，辽宁 葫芦岛 125000
针对宽波段、高精度、大能量范围的激光能量测量需求，设计了激光能量计。利用快速响应的热电堆作为传感器，在热电堆探测面涂覆高吸收率碳纳米烯材料，实现了宽光谱吸收。采用大小2个热电堆探测器布置于能量计正反两面的方法，使能量计具有1 mJ～40 J超宽能量范围，并且具有较高的测量精度。利用有限元仿真软件建立了吸收腔热路结构的三维有限元模型,并对不同类型的激光脉冲做了加热模型模拟仿真。根据仿真结果，对探测器的线性进行了修正，从而减小了由于传感器的输出电信号与被测光信号之间的非线性所导致的测量误差。用激光能量计标准装置对能量计进行了标定实验，测量结果表明，经修正后激光能量计的测量重复性优于0.6%，线性度优于1.1%。将激光能量计溯源到国家激光能量基准，测量相对扩展不确定度达到2.5%（k=2）的优异水平。
激光能量计 热释电探测器 模拟仿真 修正系数 laser energy meter pyroelectric detector analog simulation correction coefficient
1 江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013
2 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049
太田痣激光热疗的原理是用激光能量崩解真皮增生的黑色素，但表皮正常黑色素同样吸收激光能量，需要对其进行预冷却以避免热损伤。已经成功应用于辅助治疗葡萄酒色斑的瞬态制冷剂喷雾冷却很有潜力，但需进一步提高冷却能力并缩短液膜残留时间以避免对激光能量的衰减和皮肤感染。具有低沸点、高潜热、低全球变暖潜能值的R-32制冷剂有望成为R-134a和R-404A制冷剂的替代品。搭建了制冷剂瞬态喷雾冷却与激光能量衰减测试系统对喷雾冷却性能开展了实验研究。R-32制冷剂喷雾冷却下的热流密度峰值最大(519.0 kW·m－2)且液膜残留时间最短(142 ms)，对755 nm和1064 nm的激光能量衰减最小。在喷雾开始63 ms后，R-32制冷剂喷雾对1064 nm激光的能量衰减小于6%。R-32制冷剂喷雾的冷却能力强，液膜残留时间短，对激光衰减小且对环境友好，表明R-32制冷剂具有较好的临床应用潜能。
医用光学 瞬态喷雾冷却 太田痣激光手术 R-32 冷却性能 激光能量衰减
航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
为详细揭示纳秒单脉冲激光能量沉积激波减小波阻的机理，分别研究了单脉冲激光能量沉积与正激波相互作用、单脉冲激光能量沉积与弓形激波超声速流场相互作用。鉴于常用数值模拟方法不考虑空气的离解和电离，不能合理模拟激光能量沉积诱导等离子体热核的空间分布，采用泪滴形能量分布，且耦合有限速率化学反应模型，所得到的激波和热核演化过程的数值模拟结果与实验吻合程度高，验证了所提出模拟方法的合理性。分别选取马赫数为1.92条件下的正激波和弓形激波，入射激光能量大小为10.1 mJ和12 mJ，研究表明：单脉冲激光能量沉积诱导形成的等离子体热核通过正激波后，形成上下对称的涡环结构；在弓形激波条件下，在波后形成的低压涡环引起波阻减小，这是激波减阻的主要机理。
减阻 激波 纳秒脉冲 激光能量沉积 超声速 drag reduction shock wave nanosecond-pulse laser energy deposition supersonic 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200253
1 安徽建筑大学机械与电气工程学院,安徽 合肥 230601
2 工程机械智能制造重点实验室,安徽 合肥 230601
3 中国科学技术大学工程科学学院,安徽 合肥 230027
4 安徽拓宝增材制造科技有限公司,安徽 芜湖 241200
选择低成本的316L不锈钢旧粉进行选区激光熔化（SLM）成形,拟通过工艺参数优化和热处理来提高产品的性能。采用平均粒径为27.6 μm的316L不锈钢旧粉,在不同的工艺参数下制备多组试样,然后进行微观形貌观察和力学性能测试;选取成形性能较优的试样,研究不同冷却方式的热处理工艺对试样力学性能、耐蚀性以及组成相的影响。研究结果表明：激光能量密度为54 J/mm 3时,试样的成形性能（硬度、抗拉强度、延伸率等）最佳,且激光能量密度一定时,成形性能与激光功率、扫描速度密切相关;热处理后,试样表现为硬度和抗拉强度下降,延伸率和耐蚀性增大,奥氏体组织未发生转变,仅晶粒尺寸变大。使用316L不锈钢旧粉进行SLM成形时,选择适宜的成形参数与热处理方法可以使成形件具有优良的力学性能。
激光技术 选区激光熔化 316L不锈钢旧粉 激光能量密度 热处理 性能 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0114006
强激光与粒子束
2020, 32(6): 061003
