1 中国矿业大学机电工程学院,江苏 徐州 221116
2 江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心,江苏 徐州 221116
为了研究原位重熔对倾斜基体激光熔覆层形貌和组织的影响,首先使用有限元仿真软件对倾斜基体激光熔覆及其原位重熔过程进行数值模拟,分析基体倾斜角度对熔覆层形貌的影响,研究重熔作用下熔池速度场和温度场的分布情况以及多道熔覆层宏观形貌的变化;然后进行倾斜基体熔覆层原位重熔试验,采用光学显微镜对重熔前后熔覆层的表面形貌进行分析,采用维氏硬度计、摩擦磨损试验机及三维轮廓仪等对重熔前后熔覆层的力学性能进行研究,进而研究原位重熔作用下熔覆层微观组织的变化。结果表明:熔覆层形貌主要受重力影响,当基体倾斜角度大于90°时,熔覆层溶质会发生滴落,极大地损伤熔覆层形貌;在熔覆道搭接区进行原位重熔对熔覆层平整度的提升作用最大,重熔后的表面不平整度由0.165降低到0.056;与重熔前相比,重熔后的表面粗糙度下降了69.5%,表面硬度提升了约70 HV,磨损率降低了76.3%;重熔后,熔覆层中上部的大量树枝晶转变为等轴晶,微观组织得到了明显细化。
激光技术 原位重熔 倾斜基体 激光熔覆形貌 微观组织 数值模拟 中国激光
2024, 51(16): 1602203
南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016
为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块,将其作为跨尺度中转坐标系,标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系,从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析,所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm,平面度误差为0.0252 mm,对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm,孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析,所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下,更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。
表面形貌测量 跨尺度 多传感器方法 点云拼接
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
由于白光干涉测量技术易受环境振动而产生干扰,提出了一种基于非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)的抗振动白光干涉测量方法。该方法将白光干涉测量光路分为两个成像通道,首先通过准单色光干涉图求解移相间隔,通过移相间隔以及NUFFT算法对白光干涉图进行校正,最后利用校正的白光干涉图和七步移相算法复原出待测物体的三维形貌,实验结果表明,所提方法具有良好的抗振动性能。
测量 形貌测量 白光干涉 抗振动 非均匀快速傅里叶变换
Author Affiliations
Abstract
University of Kassel, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Measurement Technology Group, Kassel, Germany
We present a unified electromagnetic modeling of coherence scanning interferometry, confocal microscopy, and focus variation microscopy as the most common techniques for surface topography inspection with micro- and nanometer resolution. The model aims at analyzing the instrument response and predicting systematic deviations. Since the main focus lies on the modeling of the microscopes, the light–surface interaction is considered, based on the Kirchhoff approximation extended to vectorial imaging theory. However, it can be replaced by rigorous methods without changing the microscope model. We demonstrate that all of the measuring instruments mentioned above can be modeled using the same theory with some adaption to the respective instrument. For validation, simulated results are confirmed by comparison with measurement results.
interference microscopy coherence scanning interferometry confocal microscopy focus variation microscopy electromagnetic modeling surface topography measurement Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016013
光子学报
2023, 52(12): 1212004
1 铁道警察学院刑事科学技术系, 河南 郑州 450053山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室, 山西 大同 037009
2 山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室, 山西 大同 037009
3 同济大学物理科学与工程学院, 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
超精密的微纳器件是制造领域的核心器件, 随着超精密加工技术的迅猛发展, 对相应的微纳检测技术要求越来越高。 微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段, 是超精密加工技术进一步发展的前提。 现有的微纳器件表面轮廓检测方法按是否使用光学原理可以分为光学类和非光学类, 非光学类检测通常为点扫描、 接触检测的方式, 检测效率低, 容易破坏待测器件的表面形貌。 光学类的检测方式多为面扫描, 非接触式测量, 不会划伤待测器件, 检测效率高。 在光学检测中, 白光干涉技术由于其相干长度短的特点, 可实现微纳器件三维形貌的高精度测量, 受到国内外研究人员的广泛关注。 在白光干涉检测技术中, 信号解调算法对整个检测系统至关重要, 传统的白光干涉信号解调算法只采用了干涉信号的部分信息, 解调精度较低, 而高精度的相移解调算法又依赖于粗定位的精度, 无法直接实现高精度的三维形貌恢复。 为了解决以上问题, 提出以相关度为基础的信号解调算法, 该算法通过三级滑动窗口计算相关度, 利用了白光干涉信号的全部信息, 无需粗定位, 就可直接确定待测物体的表面三维形貌信息。 为验证该算法的性能, 对其进行了模拟仿真和实验验证。 模拟仿真结果表明该方法具有可行性, 可准确恢复仿真待测三维结构形貌, 采用三级滑动窗的设置可有效提高运算效率。 同时, 搭建了白光干涉垂直扫描实验系统, 并对光栅结构和微透镜结构进行了测量, 将实验结果与传统的重心法和相移法进行了比较。 实验结果表明该方法能准确恢复出不同物体的三维形貌, 精度及鲁棒性均优于改进的重心法, 接近相移法, 光栅高度的恢复结果表明该方法与相移法的误差小于0.5 nm。 仿真和实验结果表明, 所提出的基于相关度的白光干涉信号解调方法是可行的, 无需粗定位便可实现待测物体表面三维形貌的高精度恢复, 具有高精度、 高鲁棒性的特点。
白光干涉 相关算法 三维形貌 White light interference Correlation algorithm Three-dimensional topography 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1941
1 北京科技大学新材料技术研究院, 北京 100083
2 湘潭大学材料科学与工程学院, 湘潭 411105
金刚石以高导热率、强抗辐射性、高的电子迁移率等优异性能, 成为辐射探测器最合适的材料之一。探测器级的金刚石要求具有极低的杂质含量及位错密度等, 然而实际过程中同时实现杂质和位错的控制十分困难。本研究采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法, 通过前期的参数优化, 在最佳生长温度780 ℃、最佳甲烷浓度5%条件下, 在两个高质量高温高压(HPHT)金刚石衬底样品上进行了MPCVD金刚石生长, 并对衬底和生长层的氮杂质含量与缺陷结构进行了综合表征与分析。电子顺磁共振谱结果表明, 相比两个HPHT衬底样品的氮杂质原子百分数分别为7.1×10-6%和4.04×10-6%, MPCVD生长层的氮杂质原子百分数明显减少, 分别为2.1×10-7%和5×10-8%。由X射线摇摆曲线和白光形貌术测试结果发现, 尽管MPCVD生长过程中引入了部分位错, 使生长层应力增加, 畸变区域较多, 但总体位错与高质量衬底为同一数量级。本研究制备的高纯单晶金刚石有望应用于核辐射探测及半导体领域。
单晶金刚石 氮杂质 位错 白光形貌术 电子顺磁共振 single crystal diamond nitrogen impurity dislocation white light topography electron paramagnetic resonance
1 浙江工业大学机械工程学院,浙江 杭州 310023
2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所,浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室,浙江 宁波 315201
3 浙江工业大学激光先进制造研究院,浙江 杭州 310023
激光增材制造技术可实现高熵合金零部件的快速制造,但增材件存在表面质量差、难加工等问题。对此,笔者采用激光抛光工艺来改善CoCrFeNi高熵合金增材件的表面质量。首先通过筛选实验法和单因素实验法,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、离焦量、扫描轨迹和扫描次数等因素对表面粗糙度的影响规律,而后探讨了激光抛光对合金表面元素分布和微观组织的作用机制。结果表明:激光抛光技术可以有效降低增材件的表面粗糙度,离焦量和激光功率对表面质量的影响相对较大,表面粗糙度随着扫描速度、离焦量、扫描次数的增加呈现先减小后增大的趋势;经激光抛光后的高熵合金增材件表面O元素和Cr元素含量显著降低,Co元素、Fe元素及Ni元素含量略有提升,表面粗糙度较初始表面粗糙度降低了约90%;连续激光对增材件表面的作用机制主要是重熔,对表层氧化物的去除机制主要是汽化。
激光技术 连续激光抛光 CoCrFeNi高熵合金 表面粗糙度 表面形貌 中国激光
2023, 50(20): 2002304
光学 精密工程
2023, 31(14): 2071
1 中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室,北京 100190
2 中国科学院大学未来技术学院,北京 101407
生物材料的表面拓扑结构能够显著影响细胞的黏附、增殖、迁移和分化等行为。为有效模拟体内细胞微环境,利用飞秒激光无掩模光学投影光刻技术制备了一系列曲线型拓扑结构。结果表明:细胞在沟槽、折线和三种不同曲率的波浪形拓扑结构上严格按照拓扑结构形貌进行生长、迁移。当波浪形结构曲率过大时,细胞改变原有的迁移方向,产生沿弯曲方向的迁移行为。共聚焦荧光显微图像显示:细胞在折线结构和波浪线结构的拐角区域发生骨架重排,相较于线区域细胞圆度增加。据此提出了细胞在曲线型拓扑结构上的迁移机制。该研究揭示了细胞对曲线型拓扑结构的响应机制,将为体外植入材料的设计提供科学依据。
医用光学 飞秒激光 无掩模光学投影光刻 曲线型拓扑结构 细胞迁移 细胞骨架 中国激光
2023, 50(15): 1507303