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Abstract
1 State Key Laboratory of Energy Photon-Technology in Western China, International Collaborative Center on Photoelectric Technology and Nano Functional Materials, Institute of Photonics & Photon-Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China
2 Shaanxi Engineering Technology Research Center for Solid State Lasers and Application, Shaanxi Provincial Key Laboratory of Photo-electronic Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China
We demonstrate a stable narrow linewidth single-frequency erbium-doped fiber laser (EDFL) operating at 1.6 µm. A Fabry–Perot fiber Bragg grating and two cascaded subrings are incorporated in the main ring cavity to achieve single-frequency operation. The experimentally measured optical signal-to-noise ratio is greater than 73 dB. Furthermore, the linewidth of the EDFL is measured to be about 480 Hz by the self-built short-delayed self-heterodyne interferometry device. The laser shows superior stability, with no mode-hopping during the 60-min observation period. The proposed EDFL provides a new experimental idea for realizing a single-frequency fiber laser in the L-band.
erbium-doped fiber laser two cascaded subrings single frequency Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 041406
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，高端生物医学成像重大科技基础设施，生物医学光子学教育部重点实验室，Britton Chance生物医学光子学研究中心，湖北 武汉 430074
2 天津市眼科医院，南开大学附属眼科医院，天津医科大学眼科临床学院，南开大学眼科学研究院，天津 300020
飞秒激光得益于其精准、微创等优势被广泛应用于屈光疾病的治疗。在飞秒激光屈光手术中，光学系统的数值孔径是影响手术效果的重要参数。本研究旨在探讨数值孔径对飞秒激光角膜基质切削质量的影响规律，以帮助临床医生更好地选择合适的手术参数。选用0.16、0.30、0.80三种数值孔径进行离体动物角膜的飞秒激光切削实验，并通过气泡尺寸与凋亡细胞比例评估激光切削质量与基质细胞损伤程度。实验结果显示：气泡体积随着数值孔径的增大而减小，高数值孔径下切割更易实现基质层的分离；上述三种数值孔径下的基质细胞损伤比例分别为9.4%、4.9%和1.0%，基质细胞的损伤比例随着数值孔径的增大而明显下降。因此，增大数值孔径有助于提高飞秒激光角膜基质切削的安全性。
激光技术 飞秒激光 角膜 数值孔径 气泡 细胞损伤
1 青岛理工大学山东增材制造工程技术研究中心，山东 青岛 266520
2 西北工业大学分析测试中心，陕西 西安 710072
3 西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
4 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
研究了DD6镍基单晶高温合金在不同功率下重熔区内部杂晶的形成机制。碳化物的形成导致固液界面塌陷，进而诱导杂晶的形成；熔池顶部杂晶的产生主要与温度梯度、固液界面的迁移速率有关。激光功率升高导致温度梯度降低，进而诱导柱状晶向等轴晶转变（CET）；转向枝晶交汇处杂晶的产生是由枝晶交汇处的温度梯度比其他地方小以及温度梯度方向改变引起的。热应力数值模拟结果表明：低激光功率下的热输入可以有效提高温度梯度并有效降低残余应力水平，有利于抑制单晶修复过程中杂晶的形成。该研究可为单晶修复过程中杂晶的抑制提供理论和实验支撑。
镍基单晶高温合金 杂晶 单晶修复 激光重熔 中国激光
2024, 51(10): 1002320
1 西安交通大学机械工程学院航空发动机研究所，陕西 西安 710049
2 空军工程大学航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室，陕西 西安 710038
激光粉末床熔融增材制造面临质量稳定一致性的挑战，铺粉质量是影响成形件质量的重要因素。近年来，计算机视觉在铺粉缺陷监测中的应用表现突出，但其性能却受到标注数据数量不足的限制。针对这一问题，笔者设计了基于视觉大模型分割一切模型（SAM）的铺粉缺陷分割模型（PSAM）。针对SAM预训练参数的知识迁移问题，引入Adapter模块实现参数微调；针对铺粉分割任务中类别信息的需求，改进了SAM中的掩码解码器；针对工业场景中人工提示难的问题，提出了自动提示生成器，实现了视觉提示的自动生成。在训练样本数量仅为50的情况下，PSAM表现出了良好的分割性能，平均交并比（mIoU）可达到65.02%，相较于Deeplab v3和U-Net分别提升了8.52个百分点和5.31个百分点。本研究展示了视觉大模型在增材过程监控中的应用价值和应用潜力。
激光技术 激光粉末床熔融 过程监测 视觉大模型 缺陷检测 中国激光
2024, 51(10): 1002319
1 哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 北京遥感设备研究所，北京 100854
因瓦合金以其独特的因瓦效应被应用于航天用精密光学镜筒制造中。对因瓦合金镜筒激光选区增材制造工艺及其结构设计进行了探究与优化，结果表明：增加激光扫描间距同时适当降低扫描速度可以有效减少匙孔与未熔合等缺陷，得到了显微组织均匀分布且无明显缺陷的样件，其抗拉强度为482 MPa，屈服强度为388 MPa，最终获得了高质量的镜筒结构件。将镜筒结构拓扑优化为斜拉筋式结构并进行去应力热处理后，其内部残余应力仅为屈服应力的13%，且热膨胀系数仅为1.910-6 K-1。
增材制造 激光选区熔化 因瓦合金 工艺优化 结构设计及后处理 中国激光
2024, 51(10): 1002314
1 上海理工大学机械工程学院，上海 200093
2 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245
面向航天领域极端复杂工况，Ti6Al4V/NiTi异质功能结构可在充分发挥高比强度、耐蚀性等材料性能优势的同时实现智能变形等功能需求。然而，两种金属过渡界面区具有较高的开裂倾向。笔者采用激光熔化同步输送异质合金粉末沉积成形工艺，在富氧环境下开展了组分梯度过渡的Ti6Al4V/NiTi合金的原位制备，并在此基础上通过等能量密度成形法和基板热管理，实现了Ti6Al4V/NiTi异质材料的一体化沉积成形，分析了过渡区界面组织的演化规律。扫描电镜和能谱分析结果表明：经组分梯度优化后，梯度层界面之间呈良好的冶金结合；随着NiTi组分逐渐增加，从Ti6Al4V区到NiTi区，相组成演变为α-Ti+β-Ti→α-Ti+NiTi2→NiTi2→NiTi2+NiTi→NiTi→NiTi+Ni3Ti。梯度过渡区的显微硬度从Ti6Al4V区的343 HV±13 HV变化到NiTi区的275 HV±10 HV，40%Ti6Al4V+60%NiTi区域由于NiTi2强化相的析出而具有最高的硬度值，硬度值为576 HV±5 HV。
激光熔化沉积 异质功能材料 原位梯度增材制造 界面组织 等能量密度成形 中国激光
2024, 51(10): 1002313
1 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，辽宁 沈阳 110016
2 中国科学技术大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110016
激光选区熔化GH4169合金粉末的循环使用可以显著降低制备成本、缩短生产周期。但是，利用循环使用的合金粉末，通过激光选区熔化技术成形的部件在组织、缺陷、性能行为上均存在差异。研究了不同循环使用次数下GH4169合金粉末的组织、缺陷及粒径分布等特征对成形件热处理态组织和相分布、拉伸行为及变形机制的影响。分析了循环使用后的粉末形貌和粒径分布、热处理试样的断口形貌、断口纵剖面组织和断口附近透射组织特征，详细阐述了拉伸断裂方式和强韧化机制。结果表明：粉末多次循环使用后平均粒径由30.45 μm逐渐增大至41.80 μm；表面愈加粗糙，流动性由14.85 s/50 g增加到18.62 s/50 g，较差的流动性导致热处理试样出现孔洞缺陷；合金拉伸强度（50~100 MPa）下降，力学性能受损；而断裂方式和变形机制不受影响。热处理态合金析出了纳米尺寸的块状碳化物、短棒状δ相、Laves相以及γ″和γ′强化相，拉伸过程中有效的钉扎位错提升了合金性能，使合金在室温和650 ℃下的最大抗拉强度分别达到1430 MPa和1205 MPa，优于或接近已报道的锻造、铸造和增材制造GH4169合金。研究结果为激光选区熔化GH4169合金的粉末循环使用和拉伸变形机制分析提供了参考。
增材制造 激光选区熔化 GH4169合金 粉末特性 组织演变 拉伸行为 中国激光
2024, 51(10): 1002310
在激光粉末床熔融（LPBF）成形过程中，铺粉异常导致的沉积缺陷会严重影响成形零件的表面及内部质量，但目前缺乏针对性的在线监测与诊断方案。采用光电探测器和高速相机在线监测成形过程中的光强和熔池面积信号，探究不同粉末厚度条件下熔池尺度光信号的变化规律，实现对零件质量的初步诊断。研究结果表明，粉末厚度的异常增加会导致零件熔化状态出现波动，并最终导致严重的球化。表面粗糙度从正常打印状态的5 μm显著增加至100 μm以上，同时在零件内部形成了未熔合孔隙缺陷。阐述了粉末厚度对沉积缺陷的影响机制，深入分析了光强与熔池面积的特征及其相互关系，提出了一种基于阈值百分比诊断沉积缺陷的信号监测方法。
增材制造 激光粉末床熔融 在线监测 熔池光信号 沉积缺陷 中国激光
2024, 51(10): 1002308
1 北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191
2 中国科学院高能物理研究所北京同步辐射装置，北京 100049
3 中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心，北京 100095
4 天目山实验室（航空浙江省实验室），浙江 杭州 311115
近年来，基于激光增材制造技术的先进结构材料和构件制备及应用取得了重要进展，并由此带动了该技术在金属功能材料制备与调控方面的发展。作为金属功能材料典型代表的形状记忆合金兼具形状记忆、超弹性和弹热效应等新奇特性，这些特性与合金的微观组织、微结构演化高度相关，但难以通过传统制备和表征手段实现精细化调控和实时相变测量，因而通过激光增材制造技术调控微结构并进行原位同步辐射观测成为形状记忆合金性能提升的重要手段。本文综述了基于激光增材制造的形状记忆合金设计、微结构调控、工艺-结构-性能关系以及国内外研究现状，并从技术原理、材料特性、工艺优化、结构调控和原位表征等方面对形状记忆合金激光增材制造研究进展进行了介绍，归纳整理了现阶段激光增材制造形状记忆合金的主要性能。另外，本文介绍了激光增材制造过程的原位X射线衍射表征方法以及该表征方法的典型应用，对增材制造过程中合金的相变动力学测量及单晶原位表征方法进行了梳理，并对该技术的未来发展趋势进行了展望。
激光增材制造 金属功能材料 形状记忆合金 同步辐射 原位X射线衍射 中国激光
2024, 51(10): 1002305
1 北京航空航天大学宁波创新研究院，浙江 宁波 315800
2 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100191
γ′相强化镍基高温合金以其良好的高温组织与性能稳定性被广泛应用于航空航天、石油化工、汽车能源等领域，激光增材制造可满足现代工程领域对零部件内部结构优化与自身轻量化的要求，成为镍基高温合金复杂结构零部件制造与修复的新兴技术。然而，传统牌号的高强镍基高温合金的成分及强化机制与激光增材制造快速非平衡凝固及固态相变过程不适配，较宽的凝固温度区间和失衡的高温强韧性易引起微裂纹缺陷，难以保证合金的组织完整性和力学性能，严重制约了激光增材制造技术在高性能高温合金中的应用推广。基于此，本文综述了激光增材制造γ'相强化镍基高温合金裂纹的形成原因和影响因素，根据开裂机理从成分修正、成形工艺参数优化、后处理制度调控等方面总结了裂纹控制相关研究进展，探讨了当前能从根源上抑制裂纹的专用合金成分开发策略，并对激光增材制造γ'相强化镍基高温合金的未来发展方向进行了展望。
激光技术 增材制造 高温合金 裂纹 优化与设计 中国激光
2024, 51(10): 1002302
