1 浙江大学材料科学与工程学院，杭州 310058
2 之江实验室，杭州 311121
3 浙江大学光电科学与工程学院，杭州 310027
超快激光直写技术由于其灵活性、高效性和良好的方向性，可以三维选择性地在材料内部进行加工，被广泛应用于玻璃的微晶化及其器件的制备中，在光储存、波导激光器、光子电路和集成光子芯片等领域有着广泛的应用前景。本文简要概述了超快激光在玻璃内部诱导析晶的原理，晶态/非晶态自组织周期性结构的形成机制，以及超快激光在玻璃三维空间中诱导析晶的最新研究进展，总结了通过控制激光参数和玻璃成分等实现对结晶形态、结构及光学性质调控的相关研究，并对所直写的微纳结构在非线性器件、光储存、激光器等领域的应用和发展方向进行了概述与展望。
微晶玻璃 超快激光直写 析晶原理 自组织周期性结构 热积累效应 光存储 glassceramics ultrafast laser direct writing crystallization principle selforganized periodic structure heat accumulation effect optical storage
1 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
2 中国航空制造技术研究院, 北京 100024
飞秒激光加工具有脉冲作用时间短、峰值功率高、热影响区小的特点, 但在材料去除过程中仍然存在热累积效应。脉冲间的热累积效应对加工质量及热影响区均有直接影响。采用飞秒脉冲激光对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)进行扫描刻蚀试验, 运用三维传热模型对脉冲光斑作用区域温度场进行研究, 进而对飞秒激光的热累积效应进行探讨。结果表明：脉冲能量及重复频率对热累积的影响较为显著; 三维传热模型的计算结果与试验结果基本吻合, 对飞秒激光加工CFRP材料中的热累积效应控制具有指导意义。
飞秒激光 CFRP复材 材料去除 热累积效应 femtosecond laser CFRP composite ablation of material heat accumulation
大连理工大学 机械工程学院 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验, 建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型, 对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布, 结合自由端的变形, 分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明: 激光扫描过程中, 受初始温度及边界效应的影响, 扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后, 扫描线中间区域出现热累积现象, 热应力增大, 产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知, 板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力, 其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果, 翘曲线最大误差为3.90%, 其中, 弦高误差为3.33%, 为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。
激光弯曲 复合板 翘曲变形 热累积 残余应力 数值模拟 laser bending composite plate warping deformation heat accumulation residual stress numerical simulation 红外与激光工程
2018, 47(5): 0506004
1 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
2 南京先进激光技术研究院, 江苏 南京 210038
基于激光熔化沉积技术, 在6061铝合金表面进行了激光熔化沉积AlSi10Mg 铝合金试验, 并引入基体热累积因子XR(红外测温仪监测的温度TR与采集距离R的比值)来研究基体热累积对单道沉积层形貌的影响。结果表明, 随着沉积的不断推进, XR逐渐增大并最终趋于稳定, 即基体热累积量不断增加, 且最终与环境的换热达到动态平衡。此外, 随着XR的增加, 沉积层截面形貌呈扁平化趋势, 具体表现为沉积层宽度和熔池深度逐渐变大, 而沉积层高度变化不明显。研究还表明, 在一定的工艺范围内, 接触角随着XR的增大而减小, 而稀释率随着XR的增大而增大, 并且接触角和稀释率都与XR呈线性相关。
激光技术 激光熔化沉积 铝合金 热累积 稀释率 接触角 laser technique laser melting deposition aluminum alloy heat accumulation dilution ratio contact angle
西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室, 西安 710054
为了研究激光直接成形Ti-6Al-4V中热积累效应对其微观组织和力学性能的影响, 采用对比试验的方法, 制备了直径分别为5mm和10mm的两个圆柱试样及两组对比拉伸试样。直径为5mm的试样成形时热积累效应明显, 底部和顶部的β晶粒内部以马氏体α′组织为主, 中部的β晶粒内部以针状α组织为主; 直径为10mm的试样热积累效较弱, 自底部至顶部均以马氏体α′组织为主。热积累效应强烈的一组拉伸试样拉伸强度略低于热积累效应不明显的一组试样, 但塑性约为其3倍。结果表明, 激光直接成形Ti-6Al-4V时强烈的热积累效应会降低冷却速率, 使微观组织从马氏体α′组织转变为针状α组织, 从而使其拉伸强度稍有降低, 但塑性提高很多。
激光技术 激光直接成形 热积累 微观组织 力学性能 laser technique laser direct forming Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V heat accumulation microstructure mechanical property
1 中物院高性能数值模拟软件中心, 北京 100088
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
3 中国工程物理研究院 复杂电磁环境重点实验室, 四川 绵阳 62190
4 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
基于PIN限幅器的电路与器件物理混合模式（Mixed-Mode）模型，考虑大功率微波作用下器件的高温强电场多物理过程，模拟分析了频率及重频等微波脉冲参数对限幅器热损伤过程的影响，数值模拟结果表明，不同频率的微波脉冲损伤PIN限幅器存在“拐点”频率，“拐点”频率的微波脉冲附近需要更多的能量（脉宽）损伤器件；重频脉冲前一个脉冲作用后，器件峰值温度近似负指数关系快速下降，器件处于高温时更容易损伤，热积累效应使重频脉冲较单个脉冲更容易毁伤器件。
载波频率 重频 热积累损伤 PIN限幅器 microwave frequency pulse repeating rate heat accumulation damage PIN limiter 强激光与粒子束
2015, 27(10): 103239
1 大连理工大学物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学土木工程学院， 辽宁 大连 116024
光热效应是激光与生物组织相互作用时发生的重要效应之一，但其产生、传输和作用机理尚不十分清晰。激光辐照生物细胞时，温度是衡量其作用效果的重要参数，生物细胞中温度的变化间接反映了细胞的多种物理特性，在临床应用中有重要作用。建立了激光辐照生物细胞时的数值模拟模型，通过热传输方程，运用有限元软件模拟并分析了激光辐照生物细胞时的热累积现象。拟合并分析了不同斩波周期下生物细胞的温度变化过程，并拟合出斩波周期为0.1 s、辐照时间为0.2 s时出现的两次温升、两次温降方程。实验结果表明只有当斩波频率达到一定值时才会出现热累积现象；同一激光辐照细胞热模型到达的最高温度与激光的斩波频率有关，激光斩波频率越高，所产生的光热效应越低。
生物光学 光热效应 热累积 有限元软件 斩波频率 光学学报
2015, 35(s1): s117001
西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072
采用脉冲激光重熔Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金, 研究了脉冲激光频率对激光重熔块体非晶合金晶化行为的影响。实验结果表明, 对于给定的能量密度, 在脉冲频率低于一临界值时, 脉冲频率对晶化几乎没有影响。反之, 晶化程度随脉冲频率的增加迅速增加。采用有限元方法模拟了激光重熔非晶合金的温度场, 发现过高的脉冲激光频率会产生热累积效应, 进而对激光熔池热影响区的晶化行为产生重要影响。其中, 热累积效应的影响分为两种, 第一种是由于脉冲激光频率过高时, 受合金自身热扩散能力所限, 前后两个脉冲激光重熔所引起的熔池局域高温区发生重叠, 进而引起熔池局域过热。这种热累积效应只能靠降低频率来避免。第二种是试样周围的散热条件差, 在激光加工时使得材料整体升温而降低了冷却速度。这种热累积效应可以靠加强材料周围的散热来抑制。
激光技术 非晶合金 激光频率 热累积 laser technique metallic glass laser frequency heat accumulation
