1 首都师范大学物理系，北京市超材料与器件重点实验室，太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京市成像理论与技术创新中心，北京 100048
2 北京理工大学光电学院，混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
动态超构表面是将可调元素集成到静态超构原子中，且功能受不同外部激励手段控制的超构表面。基于动态超构表面已经实现了各种可调器件，包括变频滤波器、吸收器，变焦透镜，动态光束控制器，动态全息元件等。首先对动态超构表面的调制方法进行系统的总结，然后对相关的研究工作进行综述。动态超构表面可以分为两类：一类是对所有超构原子进行统一控制的均匀调控动态超构表面，用于实现光谱、偏振和波前的动态转换；另一类是通过对超构原子进行独立控制的动态可重构/可编程超构表面，用于实现对波前的灵活调控。功能灵活可控的动态器件是超构表面未来研究的主要方向，对已有的动态器件进行了总结，并进一步讨论和展望了动态超构表面发展的方向及面临的挑战。
材料 动态超构表面 编码 可重构 全息 实时成像 光通信 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0900001
北京理工大学光电学院,北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心,北京 100081
近年来,多孔石墨烯纳米材料以其独特的物理和化学性质以及在生物、材料、能源、信息等领域的巨大潜在应用,受到了全世界的广泛关注。然而,多孔石墨烯的合成通常采用高温处理或多步骤的化学合成方法,工艺复杂,且难以形成图案化结构。2014年,美国学者提出了激光诱导石墨烯技术,用以实现低成本的图案化多孔石墨烯结构。激光诱导石墨烯技术是一种在普通大气环境中使用激光器在碳前体材料上进行直接激光写入制备三维多孔石墨烯材料的技术。该技术将三维石墨烯的制备和图案化进行了结合,并且不需要传统的湿化学步骤,降低了生产成本。该技术自问世以来就激起了人们的研究兴趣,人们对激光诱导石墨烯的形成机制以及其在能源、传感、环境等领域的应用进行了探究。本文整理了激光诱导石墨烯的各种合成方案,包括激光诱导石墨烯的质量控制、表面特性以及电导率等性质的控制,以及将不同的碳前体转化为激光诱导石墨烯的方法。基于激光诱导石墨烯的特性,本文重点介绍了激光诱导石墨烯近年来在超级电容、传感器、自清洁过滤器、摩擦电纳米发电机以及太赫兹调制器件上的应用。最后,本文对基于激光诱导石墨烯的吸波材料以及超表面的发展前景进行了展望。
材料 纳米材料 光学材料 光学加工 光电子器件 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0100003
北京理工大学 光电学院 混合现实与新型显示工程技术研究中心, 北京 100081
在研究基于硅基二氧化钛纳米柱对空间光场位相调制特性的基础上, 结合菲涅尔衍射理论, 提出了一种基于共轭梯度优化算法的超构表面设计方法。通过该方法, 在可见光波段能够实现在任意衍射角度上对选取的波长进行滤波。衍射角分别为15°和30°, 波长范围在400～780nm, 对RGB三色光波进行单波长滤波。数值模拟结果验证表明, 所提算法得到的超构表面能在预定的衍射角下准确地产生目标强度谱。
超构表面 共轭梯度算法 光谱合成 空间滤波 nano-photonic devices conjugate gradient algorithm spectral synthesis spatial filtering
由于衍射极限的存在，在亚波长尺度实现对光的调制一直是光学研究的难点。近年来，随着微加工技术的进步，基于表面等离子体和纳米天线的金属亚波长结构光调制器件有望成为解决这一难题的有效途径之一，然而该类光调制器件目前还很难实现外部调制。石墨烯是近年来被广泛研究的一种新型材料，其独特的二维蜂巢晶格和能带结构，使其具有外部可调的光学性质，因此，有望借助石墨烯材料实现金属亚波长结构光调制器的外部调制。主要介绍了结合石墨烯和金属微纳结构的光调制器的最新研究进展。
光学器件 光学调制器 复合结构 石墨烯 电导率 表面等离子体 激光与光电子学进展
2016, 53(3): 030005
提出了一种基于空间光调制器（SLM）的全息透镜（HL）记录波前像差的优化方法。从波像差理论出发，经过理论分析得出透射式全息透镜的像差表达式与像差特性，绘制了全息透镜的一维像差曲线，提出了基于空间光调制器的全息透镜波前像差优化方法。使用空间光调制器加载全息图，通过单次曝光记录全息透镜减小像差的方法进行了理论分析，并针对空间光调制器的零级串扰以及视场孔径光阑对全息图和像差的影响进行了讨论。使用优化后的全息图函数计算出包含非球面信息的全息图，设计了基于空间光调制器的全息透镜记录与成像实验，实验结果与理论分析相符合。
全息 全息透镜 单次曝光 空间光调制器
为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点, 基于弹塑性力学理论, 采用有限元分析方法, 对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟, 得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明, 在脉冲激光扫描加热作用下, 金属表面发生多次熔化和凝固, 温度时间曲线呈锯齿形; 重熔区域应力场变化剧烈, 随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动; 金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力, 纵向应力达799MPa, 横向应力达700MPa。
激光技术 温度场 应力场 有限元 脉冲激光 laser technique temperature field stress field finite element pulsed laser
海军航空工程学院 青岛分院 航空机械系，青岛 266041
为了改进钛合金的耐磨性能，开发在高温环境、大温度落差条件下使用的具有热应力缓和功能的新型涂层，应用Nd∶YAG激光在钛合金表面制备了钛基梯度功能耐磨涂层，观察了微观组织，分析了生成相，测量了梯度功能耐磨涂层、非梯度功能耐磨涂层和Ti600基体在大气环境室温下的摩擦磨损性能。结果表明，原位合成的TiC球状增强相弥散均匀分布在梯度功能耐磨涂层中，主要呈3种不同的形态，即粗大的或不完整的树枝晶、相对较为细小的等轴晶或近似等轴晶和细小短纤维状；梯度功能耐磨涂层和非梯度功能耐磨涂层表现出较优异的耐磨性能，摩擦系数和磨损率显著降低，平均是Ti600基体的0.3倍~0.5倍。
激光技术 钛基梯度功能 微观组织 相分析 摩擦磨损 laser technique Ti-matrix functional gradient metallurgical structure phase analysis frictional wear
海军航空工程学院青岛分院, 山东 青岛 266041
为探讨铝元素在激光微熔池中真正能实现的作用, 借助 Nd:YAG激光在 TC4表面分别进行了Ti＋w(Al)＝(1％～8％)激光熔覆实验。观测了微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能随铝含量变化规律, 分析了生成相, 并定量分析生成有序化琢2相(Ti3Al为基)时的铝含量。结果表明, 微观组织由粗大的或不完整的树枝晶、相对较为细小的等轴或近似等轴晶和网篮状柱状晶组成。铝含量(质量分数 ,％)为 6时, 熔覆层中即有琢2相(Ti3Al为基)生成。随铝含量增加, 显微硬度呈上升趋势, 最高为 900 HV, 是铝含量(质量分数 ,％)小于 6时试样的 1.3～1.5倍。耐磨性能逐步提高, 摩擦系数和磨损率均呈降低趋势, 而且以 Ti3Al基琢2脆性相的生成为转折点, 生成后为生成前的 0.5～0.7倍左右。
激光熔覆 微观组织 耐磨性能 钛合金 Ti3Al增强相 laser cladding microstructure wear-resisting property titanium alloy Ti3Al phase
1 海军航空工程学院 研究生管理大队,山东 烟台 264001
2 海军航空工程学院青岛分院,山东 青岛 266041
采用ANSYS有限元软件对K418高温合金激光熔覆过程中的温度场进行了计算,得到了激光熔覆层中心温度的变化规律。结果表明,熔覆层中心温度表现出明显的快速熔凝特征,熔覆层中心温度与激光功率成正比,与扫描速度成反比。计算结果为优化K418高温合金激光熔覆工艺参数提供了理论依据。
K418高温合金 激光熔覆 温度场 K418 superalloy laser cladding temperature field
