揭示热传导环境因素对熔覆成形质量的影响规律, 是指导高价值零件的高质量精确修复的前提。采用全因素试验法研究基体预热温度、基体接触导热系数、基体规格3个热传导因素对熔覆层宏观形貌、稀释率以及内部组织缺陷的影响规律。研究表明, 熔覆层稀释率随着基体预热温度增加及导热系数减小而增大, 基体规格影响不显著; 当基体预热300 ℃、导热材料为石棉、基体规格为40 mm×10 mm×5 mm时熔覆层表面光滑平整、内部无明显气泡裂纹, 组织生长均匀。研究结果为实现外部环境对熔覆涂层成形质量的控制及预测提供理论依据。

为了探究激光熔覆Ni204过程中送粉速度、扫描速度和激光功率对熔覆层宏观质量的影响规律, 获得最佳工艺参数组合, 采用正交试验方法进行激光熔覆的单道成形试验研究。以稀释率、熔覆层宽度和高度比、以及熔覆层高度和激光光斑半径比为评价指标, 通过直观分析和方差分析方法对试验数据进行处理、分析和讨论。试验结果表明: 在一定工艺参数范围内, 激光功率是稀释率的最主要影响因素, 随着激光功率增大稀释率逐渐增大; 扫描速度是熔覆层宽高比以及高度和激光光斑半径比的最主要影响因素, 随着扫描速度的增大, 宽高比逐渐增大, 高度和激光光斑半径比逐渐减小。并获得了最佳工艺参数组合为送粉速度11.55 g/min, 扫描速度7.0 mm/s, 激光功率450 W, 从而为激光熔覆Ni204合金的工艺参数选择提供理论和数据支持。

为了提高矿用截齿的性能和延长截齿的寿命, 实现截齿的激光熔覆批量加工。实验室搭建了用于批量激光熔覆截齿的硬件实验平台, 设计了激光熔覆工艺流程, 方案中采用半导体激光器在42CrMo基材上制备了高硬度, 高耐磨性的镍基WC合金熔覆层, 进行了该熔覆层的硬度、摩擦系数和厚度系列实验, 进一步分析了硬度曲线图产生波动等的原因。实验结果可知, 该实验设备和激光熔覆工艺适合于批量激光熔覆截齿, 该熔覆层的硬度平均值可达691.96 HV0.3, 与基体硬度相比提高了2.93倍。熔覆层的摩擦系数在0.35左右, 远低于基体摩擦系数0.55, 熔覆层厚度达到2 289.31 μm。基于镍基合金的激光熔覆设备及工艺, 可用于矿用截齿的激光熔覆修复与强化, 有效提升截齿的综合性能, 降低企业的成本。

利用6 kW的IPG光纤激光器在42CrMo钢表面熔覆了中锰铁基合金粉末。采用OM、SEM、EDS、XRD及SRV4摩擦磨损试验机对熔覆层的组织及性能进行了研究。结果表明, 熔覆层由熔覆区、结合区和热影响区三部分组成, 其组织由下至上依次为平面晶、树枝晶和胞状晶; 熔覆层显微硬度最大可达739 HV, 而基体硬度仅为251 HV, 硬度大幅提高; 熔覆层相对磨损性是基体的2.57倍。

采用正交实验法制备选区激光熔化钴铬合金成型件, 研究激光功率P、扫描速度v、铺粉厚度h和扫描间距d四个工艺参数对选区激光熔化成型件致密度的影响规律和孔隙缺陷的形成机理。研究结果表明, 四个工艺参数中, 铺粉厚度对SLM成型件致密度影响最大, 在工艺参数P＝170 W, v＝500mm/s, h＝0.03 mm, d＝0.06 mm条件下, 成型件致密度最高达96.59%。另外, 成型件孔隙缺陷的形态分布与其致密度大小密切相关, 成型件内部孔隙缺陷主要分为两类: 不规则形匙孔和圆形气孔。前者尺寸较大, 由球化效应、粉末熔化凝固的体积皱缩效应等引起的部分底层粉末未充分熔化造成; 后者尺寸微小, 主要由熔池凝固太快造成的内部氮气和低熔点物质气化形成的气体不能及时排出引起。采用减小铺粉厚度的方法可以有效消除匙孔缺陷, 成型前对基板预热可以减少气孔缺陷的出现。

研究了激光沉积制造GH4169合金不同方向的显微组织和拉伸性能。结果表明, 激光沉积制造GH4169合金试样的显微组织存在各向异性, 沉积方向为相对粗大的柱状晶, Laves相分布在枝晶间、沿枝晶生长方向呈连续态, 体积分数为5.1%; 垂直于沉积方向的截面组织呈等轴状, Laves相弥散分布在晶间, 体积分数为4.8%。垂直沉积方向上的室温拉伸性能明显优于沉积方向, 不同方向均为韧性断裂。沿沉积高度方向硬度逐渐增大, 在同一沉积高度内, 试样显微硬度未出现明显差异。

选区激光熔化是一种利用高能激光束选择性地熔化金属粉末, 进而直接制造复杂几何形状产品的增材制造技术。采用选区激光熔化技术成形AlSi10Mg样品, 通过改变扫描策略研究成形试样孔隙的分布与含量的变化; 借助ANSYS数值模拟, 从熔池特性的变化分析孔隙产生的原因。研究发现, 热量的过度累积会增加熔池的最高温度、液相时间和熔池尺寸, 降低熔池的冷却速度, 从而导致孔隙率增加; 隔层交替扫描和激光重熔扫描有效地降低了孔隙率, 孔隙分布均匀化; 激光重熔有助于成形高致密的铝合金零件。

针对选区激光熔化单层316L, 采用ABAQUS软件, 利用DFLUX子程序编译移动双椭球热源并结合USDFLD子程序实现材料属性转变的方法数值模拟SLM过程, 考虑了材料由粉体转化为实体的热物性参数和相变潜热对SLM的影响, 分析了单层扫描过程中温度场的变化规律, 包括扫描轨道中点的温度变化、熔池存在时间以及熔池结构。研究结果发现, 随着扫描轨道逐渐增加, 扫描轨道中点的峰值温度、熔池存在时间及熔池结构在初始阶段增幅较大, 之后变得相对平缓并达到稳定状态。表明在SLM过程中, 随着扫描轨道增加, 扫描区域的温度场会逐渐处于动态稳定状态。

分析了热处理对激光熔覆涂层的组织、力学性能、摩擦学性能以及抗腐蚀性能产生影响的机理; 综述了热处理对激光熔覆涂层的物相、力学性能、摩擦学性能以及抗腐蚀性能的研究进展和发展趋势, 以期为热处理对激光熔覆涂层的研究提供理论依据。

通过分析接头的显微组织、拉伸性能、扩孔率及杯突值, 研究了热输入对激光对接接头组织及性能的影响。结果表明, 接头保护效果较好, 焊缝中心显微组织为针状α晶粒＋粗大α晶粒, 热影响区组织为不规则的粗大α晶粒＋少量锯齿状α晶粒, 线能量对晶粒尺寸影响较大; 接头拉伸性能随热输入的提升呈先上升后下降的趋势, 热输入为400 J/cm时, 接头具有最优的拉伸性能; 提高热输入, 接头成形性能逐渐下降, 热输入为300 J/cm时, 接头成形性能最优。

采用光纤激光对厚0.5 mm的USU304奥氏体不锈钢薄板进行拼接焊试验, 首先利用单因素法比较不同工艺参数下的焊接效果, 然后进行正交试验优化处理, 得出最佳工艺参数。对样品进行了金相试验和拉伸试验, 分析了焊缝的表面形貌、熔深熔宽、金相组织和力学性能。试验结果表明, 在合适的工艺参数条件下, 0.5 mm的USU304奥氏体不锈钢薄板激光拼接焊焊缝成形好、无氧化、飞溅等缺陷, 焊缝组织细小致密, 抗拉强度与母材相当。0.5 mm不锈钢薄板激光拼接焊优化工艺参数为激光功率350～450 W, 焊接速度1～2 m/min, 离焦量0 mm。

采用Gleeble-1500 热模拟试验机对6063铝合金进行热塑性实验, 确定了合金的脆性温度区间, 并用 SEM、EDS 等测试手段分析热裂纹的产生原因。研究结果表明, 综合Rm-T曲线和Z-T曲线可得到6063铝合金母材的脆性温度区间为460～620 ℃, 表明其具有较高的焊接热裂纹倾向。热输入量增大会使材料热塑性表现为先减小再增大的变化趋势, 热输入3.0 kJ/cm时试样的热塑性达到最低。热输入2.5 kJ/cm下, 在焊缝中没有观察到热裂纹; 热输入增大至3.5 kJ/cm, 试样的焊接热塑性明显增加, 呈现出朝焊缝中心发生纵向开裂的现象; 热输入3.0 kJ/cm下, 裂纹依然表现为从焊缝中心往纵向延伸开裂, 同时在母材的部分区域中形成许多断续分布的微坑。

采用Raycus纳秒激光器对0.2 mm的301不锈钢和0.2 mm的6063铝合金进行叠焊工艺研究。焊接方式为点焊, 图形为螺旋线, 影响纳秒激光点焊接性能的主要参数有波形、脉冲频率、平均功率、速度和螺旋线间距, 对这五因素进行正交试验, 使用直观分析法和方差分析法, 验证这五个因素对焊点拉力和余高的影响程度。结果表明, 其焊点余高的影响因素由主到次依次为波形、脉冲频率、平均功率、速度和螺旋线间距; 对焊点拉力的影响因素由主到次为平均功率、脉冲频率、波形、速度和螺旋线间距。并且通过正交试验方法, 可以找到更多更佳的焊接参数。

采用高功率半导体激光作为加热热源, 在不锈钢上进行填丝焊, 研究了激光功率、焊接速度、送丝速度、气流量等工艺参数对焊缝宽熔、熔深的影响。结果表明, 合理的工艺参数可以获得均匀美观的焊缝形貌。经过大量实验发现, 在激光功率P＝1 800～2 300 W, 焊接速度vw＝20～40 mm/s, 气体流量Q＝15 L/min, 送丝速度vf＝30～60 mm/s时能获得良好的焊接效果。另外与光纤激光填丝焊相比较, 半导体填丝焊焊缝更宽, 表面均匀光滑, 更适合用在装配间隙大的工件中。

为了实现印刷电路板的短流程制作, 利用飞秒激光超短脉冲和超高峰值功率的特性, 对覆铜板进行了“选择性”和“无热影响”的刻蚀研究。利用正交试验法, 研究了平均功率、扫描速度、扫描次数、离焦量和线间距等参数对激光刻蚀质量的影响以及各参数的影响权重, 并求得最佳工艺参数。采用优化的激光参数, 可以在铜厚规格约为18 μm的覆铜板上刻蚀出深度为17.863 μm, 粗糙度为0.565 μm的底面光滑, 侧边平直且无热影响区的良好窗口, 实现表层铜完全刻蚀, 并保证环氧树脂基底的完整性。

改善焊缝和热影响区的应力状态通常可以提高金属焊接件的机械性能, 因此将激光温喷丸应用于铝合金焊接接头强化。使用XRD衍射方法检测激光温喷丸强化前后的AA6061-T6焊接接头焊缝和热影响区表面的残余应力, 并与常温激光喷丸强化作比较。综合理论分析和数值模拟研究激光温喷丸对焊接接头表面残余应力的影响。结果表明, 激光温喷丸显著提高了焊接接头表面的残余压应力幅值, 数值模拟与实验检测获得了一致的残余应力分布规律。

研究了激光冲击强化对AZ91D镁合金力学性能的影响, 通过对激光冲击强化前后的试件进行表面三维形貌观测、显微硬度测试、拉伸测试以及摩擦测试, 探究了激光冲击强化对AZ91D镁合金力学性能的影响机理, 同时探讨了材料硬度的提高与拉伸性能、摩擦性能之间的关系。结果表明, 激光冲击强化能有效地提高材料的机械性能、显微硬度及抗拉强度; 摩擦系数下降明显, 磨痕宽度、磨痕深度和磨损面积随着激光冲击强化次数的增加而减小。磨痕的犁沟状特征也会随着冲击次数的增加而逐渐消失。

应用有限元软件ABAQUS, 研究对试件表面进行大范围激光冲击强化后的残余应力场, 讨论了不同排列方式中心距对残余压应力的分布规律以及不同搭接率对残余应力场的影响。结果表明, 正方形排列和正六边形排列的冲击区域的表面残余压应力分布不同; 搭接率越大, 表面残余压应力也越大, 但残余应力分布并不是越来越均匀; 不同的约束条件使模型底面产生不同的残余应力; 双面激光依次冲击可消除模型底面产生的残余拉应力。

翅果油树(Elaeagnus mollis Diels)为我国特有古生物植物, 其种子发芽率很低。实验探究不同时间He-Ne激光(波长为632.8 nm, 功率密度为8 mW/mm2)辐射处理对翅果油树种子发芽率的影响, 并对激光处理下种子活力、种子萌发过程中过氧化氢酶活性(CAT)及超氧化物歧化酶活性(SOD)进行了测定, 以了解He-Ne激光对种子萌发的生理效应。结果表明, 一定时间的 He-Ne激光辐照促进了CAT及SOD活性的提高, 保护了膜的完整性, 提高了种子活力, 从而提高了种子发芽率。最佳辐射处理时间为3 min, 此时发芽率最大。超过3 min, 种子活力、SOD和CAT酶活性明显降低, 种子萌发明显受到抑制。对He-Ne激光辐射对翅果油树种子萌发的生理效应的研究, 有望在实践中为提高翅果油树种子的发芽率提供更加有效的依据和方法, 从而更有效地保护这种珍稀的濒危植物。

为实现窄搭接焊的在线检测, 运用三维激光线阵相机获得焊后带钢的表面形貌, 通过OpenCV分离图像通道获得焊缝的灰度图和高度图。针对焊缝图像信息量大, 对比度低, 边缘模糊等特点, 通过卷积增强焊缝特征, 结合积分图提出改进的图像分割算法, 能快速准确提取焊缝边缘。结合形态学, 数字图像处理方法, 提出一种层次性的缺陷提取方案, 在保证运算时间短的同时有较高的准确性。针对焊缝缺陷特征分类缺陷, 并在图像中对每种缺陷进行标识。结果表明, 该方法能有效用于企业实际生产中。

不规则粗糙粒子广泛存在于粒子场中, 为获得其尺寸信息, 建立激光干涉成像系统, 提出了不规则粗糙粒子尺寸计算方法。基于光学传输矩阵理论, 模拟了不规则粗糙粒子激光干涉离焦像, 分析得到粒子尺寸与离焦像2D自相关的关系, 给出不规则粗糙粒子尺寸计算公式。以砂砾为样本进行激光干涉成像实验, 采集不同转向下的离焦像并进行频率分析获得粒子尺寸, 实验结果表明, 测量误差不超过10.4%, 满足微小粒子的测量要求, 对实际粒子场的测量具有重要意义。

为了解决现有TDLAS气体检测系统体积庞大、集成度低的缺点并实现系统的小型化, 研制了一套基于FPGA的TDLAS气体检测系统, 采用模块化设计方法,将电流驱动、温度控制、信号调理、锁相放大等功能有机地集成于一体, 实现了激光输出和微弱信号解调的全自动化。同时, 研制的TDLAS气体检测系统小型化程度高、成本低, 利于小型化和推广。实验结果表明, 该气体检测系统检测性能良好, 二次谐波信号与湿度的线性拟合度达99.94%。在湿度为30%的条件下, 测量结果的标准差为3.23×10-3, 系统具备良好的稳定性。在此条件下, 系统背景噪声为5 mV, 信噪比达到36 dB。

为了改善了水下偏振图像存在的质量差、纹理细节模糊和对比度低等问题。提出基于区域方差的水下偏振图像融合算法。首先, 利用532 nm激光器拍摄不同角度的水下偏振强度图, 计算相应的斯托克斯图像; 然后, 对Dolp-Aop图像进行同态滤波处理, 将其和光强图像I进行三层小波分解(DWT); 接着, 将小波分解源图像产生的低频子带和高频子带分别采用不同的融合算法实现融合。仿真结果证明, 本算法实现的融合图像与传统的融合算法相比, 融合图像在对比度和清晰度上有明显提高。

为获得更窄脉宽, 更高峰值功率的激光输出, 基于非线性偏振旋转锁模原理和啁啾脉冲放大技术, 利用声光调制器降低重复频率, 报道了一种掺镱飞秒光纤激光系统。振荡器内利用光栅和准直器共同作用, 实现了输出脉冲的中心波长和光谱宽度同时可调节。系统最终获得了重复频率1 MHz, 脉宽218 fs, 平均功率2.2 W的脉冲激光输出, 峰值功率达10 MW, 在高精度微加工领域有着很好的应用前景。

大功率半导体激光器越来越成为主力光源, 针对传统的开关型电源半桥或全桥变换器电流的动态响应速度及控制精度问题, 根据激光加工中快速开关的要求, 使用了ZVS软开关技术及端采用同步倍流整流, 从而达到减耗高效以及对负载电压的自适应能力的目的, 同时采用一种基于最优算法的极点配置控制实现电压和电流的精准调节。整个系统使用闭环负反馈回路控制, 系统软件仿真采用SIMULINK环境, 调控简便。研究结果表明, 控制精度高达0.1%, 并在0.1 s内完成回路响应。当实验负载RL＞0.48 Ω时, 变换器输出为恒流特性; 满载(50 A/24 V)输出时, 电源效率超过90%, 纹波系数小于1%。采取同步整流具有高于二极管整流的效率。

双光纤光阱利用两相向传输的光纤捕获微粒, 将微粒发射到光阱区域实现捕获是光纤光阱技术中的基本问题。提出一种利用光力实现自动捕获的双光纤光阱芯片, 以实现通光即捕获微粒的功能。通过几何光学模型对光阱芯片中不同物理量进行了分析比较, 选定了能够满足自动捕获要求的芯片参数, 如捕获室尺寸、光束对准精度及束腰半径等。理论与实验结果表明, 在选取最佳化参数的情况下, 芯片能够实现对微粒的自动稳定捕获。该光阱芯片作为光阱技术的一种便捷的工具, 可促进相关技术在生物医学领域提供更广泛的应用。

太赫兹波对大多数非极性材料具有良好的穿透性, 可以对不透明物体进行透视成像, 同时其光子能量低, 不会产生有害的电离反应, 可以更加安全地进行材料内部的检测和诊断。太赫兹波空间分辨率高, 在成像的应用中具有更长的景深, 因此太赫兹光谱技术在纤维材料研究领域具有重要的应用价值。概括了太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术在天然纤维材料、合成纤维材料以及纤维复合材料应用中的研究进展, 并且分析了太赫兹光谱技术在纤维材料领域中应用方面需要解决的主要问题及今后的发展方向。

关联成像技术与传统成像技术不同的地方在于在获取物体信息的过程中, 关联成像技术利用了无空间分辨率的桶探测器, 对于物体信息的检测与重构是分离开来的, 并且它获得的重构图像较传统成像技术获得的重构图像清晰, 是近年来量子光学领域的重点研究对象。在关联成像的理论基础上结合了压缩感知技术, 并将压缩感知关联成像系统应用于教学实验中, 从成像的物理原理角度, 确定了实验中所用到的光源、物体的选择等具体实验内容, 将具体的实验数据利用MATLAB软件仿真得到最终的重构效果。通过将具体的实验和MATLAB方法进行有机的结合, 不仅提高了学生实践方面的能力, 同时还掌握了算法。

关联成像, 又称鬼成像, 是一种利用空间强度关联或量子纠缠特性来获取物体成像的一种新方法, 是用于物像分离的非局域成像方式。将激光投影仪应用到关联成像, 采用具有良好正交性, 快速计算能力的哈达玛矩阵作为调制矩阵, 由于其元素均为+1和-1, 便于硬件和光学实现, 可以在课堂上完成, 能够快速精确地重构目标图像。该实验方案没有了传统关联成像系统中参考臂的测量, 使用一个没有空间分辨力的桶探测器就可以进行实验。实验结果表明, 在课堂上使用激光投影仪等普通光源实现关联成像过程的可行性。

目的: 体外构建符合人体生理环境的龋齿模型, 探讨光动力疗法(Photodynamic therapy, PDT)防龋过程中, PDT对口腔生物膜中致龋菌变形链球菌以及远缘链球菌的作用; 分析PDT防龋不同剂量的光敏剂以及激光能量对龋齿菌斑抑菌效果的影响, 为防龋的临床实践提供实验依据。方法: 通过体外远缘链球菌和变形链球菌体外抑菌实验, 选择合适的光敏剂和激光剂量; 选用变形链球菌以及远缘链球菌在体外构建符合人体生理环境的龋齿模型, 并对人工龋模型中口腔生物膜生长曲线进行检测, 以及釉质块表面显微硬度测定; 检测HMME-PDT对细菌生长活力以及产酸的影响, 采用显微硬度分析龋齿表面硬度变化, 探讨PDT防龋的作用机制。结果: 通过在体外对变形链球菌以及远缘链球菌的培养实验, 选定HMME-PDT防龋的最佳HMME剂量为50 μg/ml, 激光光照剂量为78 J/cm2; 将牙釉质与致龋菌的共培养成功构建人工龋模型, 人工龋齿组釉质表面显微硬度显著低于致龋前, 差异有统计学意义(P＜0.05); 口腔生物膜内致龋菌的生成曲线在第3天达到平台期; PDT防龋可有效的抑制人工龋口腔生物膜中远缘链球菌以及变形链球菌的生长活力和产酸能力, 相比于阴性对照组, 差异有统计学意义(P＜0.05), 从而维持人工龋釉质块表面显微硬度, 并显著高于其他组, 差异有统计学意义(P＜0.05); 在大鼠龋齿模型中, PDT治疗能够显著改善大鼠牙龈上皮组织, 骨组织等的异常。结论: 选择合适的光敏剂剂量以及最佳的激光光照剂量, 可有效的抑制人工龋口腔生物膜中远缘链球菌以及变形链球菌的生长活力, 抑制其产酸能力, 从而防止釉质的表面显微硬度进一步被破坏, HMME-PDT在龋齿的治疗中有着重要的临床价值。

激光技术逐步发展, 因其独特的相干性强、方向性优、单向性好等优势被广大患者需求, 从最早的红宝石激光、He-Ne激光, 到铒激光、钬激光、YAG激光等再发展到半导体激光、准分子激光器, 不同优势的激光器不断问世, 已广泛应用于临床疾病的诊断与治疗。20世纪70年代陆续报道了激光技术在儿科疾病的临床应用, 近些年临床应用报道逐步增多。主要对强激光、光动力疗法和弱激光三个方面在儿科某些病种的临床应用进行综述。