1 南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 300071
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
光学元件的小型化与集成化一直是光场调控和集成光学领域的研究重点与难点之一。光学人工微结构具有在亚波长尺度上灵活调控光场振幅、偏振、相位、频率等属性的能力。通过与片上光波导或微腔集成，人工微结构可以为实现更紧凑的片上集成光子学器件以及更精确、更丰富的光场调控提供新的解决方案和更多的可能性。本文依据片上集成人工微结构在不同环节中调控的光场类型的差异，将其分成三类进行了讨论。介绍了基于不同设计原理的片上集成人工微结构在自由空间光入射耦合、波导模式面内调控以及离片辐射场调控方向的研究进展，并对该领域的部分新兴方向进行了展望。
人工微结构 超构表面 光场调控 集成光学 微纳光学 光学学报
2024, 44(10): 1026004
1 西安高压电器研究院股份有限公司，陕西 西安 710077
2 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
3 金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室，陕西 西安 710072
4 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002
5 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
6 巴黎高科国立高等工艺技术学院MSMP实验室，法国巴黎 51000
激光增材制造过程中的快速冷却，导致成形零件一般具有较高的残余应力与亚稳态结构。因此，优化热处理工艺对提高成形零件的使用性能至关重要。研究了选区激光熔化（SLM）TC4钛合金经不同热处理（退火、固溶、固溶时效）后的显微组织演化规律及拉伸性能特征。在实验过程中，首先对致密度优良的SLM TC4钛合金进行了不同制度的热处理，再分别对不同状态的样块进行宏观和微观结构、力学性能及断口组织的表征。实验结果表明，沉积态的SLM TC4钛合金显微组织主要为粗大的β相柱状晶，柱状晶内部为大量的、细小的α′相针状马氏体和α相板条间少量的β相颗粒。退火态α′相针状马氏体分解，重新形核长大为α相和β相。固溶态α相发生粗化后呈短棒状。固溶时效处理样品时，其显微组织为呈弥散分布的较均匀的（α+β）相，其中α相粗化为板条状，β相分布在α相周围。沉积态SLM TC4钛合金的强度最大，延伸率最低。沉积态和热处理态SLM TC4钛合金均没有织构。沉积态SLM TC4钛合金的抗拉强度为1238.75 MPa、屈服强度为1080.00 MPa、断后延伸率为8.85%。综合分析得到，三种热处理态SLM TC4钛合金的抗拉强度、屈服强度均有所下降，而断后延伸率有所提高。SLM TC4钛合金分别经过三种热处理后，其断裂方式从沉积态的韧性-脆性混合断裂转变为韧性断裂。
激光技术 热处理 TC4合金 选区激光熔化 微观组织 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002321
1 广州大学物理与材料科学学院，广东 广州 511442
2 东莞材料基因高等理工研究院，广东 东莞 523808
采用激光选区熔化（SLM）技术在H13模具钢顶部沉积了一种新型3D打印模具钢材料AM40，通过扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等方法，研究了热处理对AM40/H13双金属结构材料微观组织演变及其力学变形行为的影响。结果表明：沉积态AM40/H13双金属材料界面无裂纹缺陷，AM40侧呈现增材制造特有的Marangoni熔池特征，以及细小的胞状和柱状结构的马氏体组织，H13侧为粗大奥氏体组织，界面存在明显的组织不均匀性。经过1000 ℃淬火+560 ℃回火热处理后，熔池特征消失，H13侧形成均匀的板条马氏体，消除了界面晶粒尺寸和取向差的不均匀性，且界面处的元素扩散宽度增加60 μm。沉积态AM40/H13界面硬度为642 HV，高于AM40（529 HV）和H13（202 HV）。热处理消除了AM40/H13硬度的不均匀性，使整体平均硬度为480 HV。热处理后，AM40/H13双金属的抗拉强度从沉积态的644 MPa提高到1436 MPa，强度介于AM40和H13之间，断裂位置从沉积态的H13侧变为AM40侧，界面保持较高的强度和塑性。
激光技术 激光选区熔化 双金属结构 热处理 连接界面 微观组织 拉伸性能 中国激光
2024, 51(16): 1602304
1 西南石油大学新能源与材料学院，四川 成都 610500
2 华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广东 广州 510640
3 成都新杉宇航科技有限公司，四川 成都 610500
钛基复合材料具有高弹性模量、高比强度、高耐磨性和优异的高温耐久性等特点，在航空航天领域有良好的应用前景。采用低能球磨制备了纳米TiC颗粒与TC4的复合粉体，然后使用选区激光熔化（SLM）制备了TiC/TC4钛基复合材料，分析了不同体能量密度（29~97 J/mm3）对复合材料成形质量、显微组织、显微硬度的影响，并总结了组织演变机理和TiC演变过程。结果表明，成形该复合材料的最佳体能量密度为50~70 J/mm3，在该范围内试样的最高相对密度可达99.7%，显微硬度为385~392 HV。横截面上，显微组织的晶粒呈特殊的双尺寸分布，即由初生β等轴晶和沿其外围生长的不规则共晶区组成；纵截面上，显微组织呈鱼鳞状形貌分布且熔池内存在大量流纹状组织。复合材料中存在未溶TiC（主要分布于初生β晶界附近）、共晶TiC（主要呈链状网络分布于共晶β晶界）以及沉淀析出TiC（主要呈颗粒状分布于晶粒内）。随着体能量密度的增加，链状共晶TiC向棒状转变，晶内TiC尺寸长大。共晶TiC与β-Ti没有取向关系，共晶TiC、沉淀析出TiC与α'-Ti均存在明显取向关系，即｛11-20｝α'-Ti∥｛110｝TiC。
激光技术 钛基复合材料 选区激光熔化 显微组织演变 TiC演变 中国激光
2024, 51(16): 1602301
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electronic and Optical Engineering & College of Flexible Electronics (Future Technology), Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China
2 National Laboratory of Solid State Microstructures, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China
3 State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China
This study investigated direct fluorescence generation from a nematic liquid crystal (NLC) NJU-LDn-4 under femtosecond laser excitation. The absorption, transmittance, excitation, and emission spectra of the NLC were assessed. The relationship between the femtosecond pump power and fluorescence intensity was analyzed, revealing a quadratic increase and indicating that two-photon absorption (2PA) is the primary fluorescence mechanism. The LC microstructure was designed using photoalignment technology, allowing the generated fluorescence to reflect the corresponding structure. This research can establish a foundation for tunable LC microstructured fluorescence, with potential applications in fluorescence microscopy and optoelectronics.
liquid crystal femtosecond laser fluorescence microstructure Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 033801
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
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044
激光定向能量沉积（LDED）是受损大型关键构件几何特征修复和性能强化的典型修复技术，但其目前仍面临残余应力、孔洞和裂纹等问题。激光冲击强化（LSP）为解决以上问题提供了新思路。笔者以H13钢粉作为待沉积粉末，采用LDED技术对受损的45钢基体进行修复；然后利用LSP后处理强化LDED修复层，以解决传统LDED修复材料的质量问题。结果表明：随着LDED激光功率增大，H13钢修复层的晶粒逐渐细化，渗碳体溶解，耐磨性提升；LSP后处理会使修复层近表层的晶粒明显细化，显著降低LDED修复试样的摩擦因数，进一步提升其耐磨性。最后，笔者系统揭示了LDED+LSP激光复合再制造工艺诱导的微观组织演化（晶粒细化和渗碳体溶解）及其增强修复层耐磨性的机制。
激光技术 激光定向能量沉积 激光冲击强化 激光复合再制造 微观组织 耐磨性 中国激光
2024, 51(16): 1602202
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 北京星航机电装备有限公司，北京 100074
激光粉末床熔融（LPBF）是钴基高温合金复杂构件整体制造的理想方法。ECY768是一种性能优异的新型钴基高温合金，但目前LPBF成形ECY768合金的研究还十分匮乏。研究了LPBF成形ECY768钴基高温合金的冶金缺陷、显微组织和基础力学性能。结果表明：LPBF成形ECY768合金的冶金缺陷主要为气孔、未熔合和热裂纹；通过调整激光体能量密度等工艺参数，可实现无裂纹、高致密（孔隙率<0.5%）ECY768合金成形。LPBF成形ECY768合金的显微组织为以柱状晶为主的“柱状晶+等轴晶”混合组织，总体上呈一定的“〈0 0 1〉/构建方向”择优取向；晶粒内部具有细密的胞状亚晶结构，胞晶边界不仅分布有胞状位错网络，还分布有球状MC型和条带状M23C6型两类纳米级碳化物析出相。在优选工艺参数下，LPBF成形ECY768合金的屈服强度为1002 MPa（构建方向）/1267 MPa（垂直构建方向），远高于铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金；延伸率为10.5%（构建方向）/13.3%（垂直构建方向），与铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金基本相当。优良的致密度、细密的胞状亚晶结构、纳米碳化物的大量析出及其与位错网络的相互作用是LPBF成形ECY768合金具有优异力学性能的关键。
激光粉末床熔融 ECY768钴基高温合金 冶金缺陷 显微组织 力学性能 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314004
1 中国地质大学（武汉）珠宝学院，湖北 武汉 430074
2 中国地质大学（武汉）先进制造研究所，湖北 武汉 430074
3 湖北三江航天江北机械工程有限公司，湖北 孝感 432000
4 中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074
5 鑫精合激光科技有限公司，北京 102200
铜铬锆（CuCrZr）作为沉淀硬化合金，以其良好的耐热性、耐腐蚀性以及优异的力学、电学和热学性能而被广泛应用于航空航天、核能化工等领域。然而，CuCrZr是当前激光增材制造（LAM）难成形材料之一，相关研究报道还很有限。本文综述了近年来激光粉末床熔融（L-PBF）制备CuCrZr合金的研究进展，重点探究了绿激光与近红外激光对成形质量的影响规律，分析了热处理及构建方向与微观组织、力学性能的内在联系，并研究了热处理对于电学、热学性能的强化机制。近红外激光制备样品的致密度波动范围大（95.5%~99.9%），绿激光制备样品的整体致密度较低但波动范围较小（96.5%~98.5%），工艺参数仍有优化空间。合金的微观组织和综合性能都存在各向异性，即沿水平方向的晶粒细小，沿垂直方向的晶粒为柱状晶粒。固溶处理会使合金的熔池边界消失并改变晶粒形态，时效处理导致合金产生沉淀并改变晶粒取向。500 ℃左右处理1~2 h的直接时效处理对力学性能的提升最大，时效处理通过降低位错密度、减少热残余应力和促进沉淀物的形成，显著增强了合金的力学性能。对电学、热学性能提升最大的热处理条件为950~1000 ℃的固溶退火处理1 h+500 ℃左右的时效硬化处理1~3 h，这是因为固溶退火+时效硬化处理降低了位错密度和残余应力，并产生了有益的沉淀物。本文总结了L-PBF制备CuCrZr合金的成形行为、微观组织和综合性能的研究进展，并对其研究前景和发展方向进行了展望。
激光增材制造 铜铬锆合金 成形行为 微观组织 综合性能
1 中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300
2 中国民航大学航空工程学院，天津 300300
研究了不同热处理工艺对定向能量沉积TC17钛合金微观组织与摩擦学性能的影响，分析了热处理过程中的组织演变规律与20 N干滑动磨损下的综合磨损行为。结果表明，在退火与退火后固溶处理阶段，合金主要由初生α相及连续或不连续的晶界α相、β相组成，无相析出区伴随连续晶界α相存在。在退火后固溶处理的基础上进一步进行时效处理，针状次生α相开始析出，且随着时效温度的升高，初生与次生α相开始生长、粗化，无相析出区先消失后出现。硬度与磨损测试结果表明，经580 ℃时效处理后显微硬度最高（486.93 HV），此时有较强的弥散强化效果，摩擦学性能最优，磨损率仅为0.0451 mg/m。热处理后多种磨损机制混合存在，磨损率、磨损形貌取决于微观结构与氧化层的变化。研究结果为优化TC17合金摩擦学性能与热处理工艺提供了参考。
激光技术 钛合金 摩擦学性能 微观组织 热处理 定向能量沉积 中国激光
2024, 51(12): 1202301
