“前沿激光制造”青年编委专辑
青年科技人才是科技期刊发展之源。在创刊50周年之际，为集中呈现激光制造领域的前沿科技进展，《中国激光》于2024年第4期出版“前沿激光制造”青年编委专辑。 专辑共收录20篇特邀论文，包含13篇综述和7篇研究论文。
专辑凝聚二十几位青年学者的创新与探索，内容涵盖超快激光直写、激光融合制造、超声复合激光制造、激光增材制造、飞秒激光液相烧蚀、激光清洗、金属材料激光微焊接等技术，同时讨论了激光制造领域未来有待探索及有望突破的方向。希望本期专辑能够为激光制造领域的广大研究人员提供参考。
激光加工碳纤维增强复合材料及其在
航空航天领域应用（内封面文章）
北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造实验室
[摘要]碳纤维增强复合材料（CFRP）以其轻质高强、可设计性强等优势已成为航空航天领域不可或缺的关键材料之一。为满足制造装备的要求，需对一体成型的CFRP 构件进行二次加工，然而CFRP 非均质、各向异性、层合结构等特征使其在加工过程中易出现分层、毛刺、热影响区较大等缺陷。概述了CFRP 各种加工方法的研究进展，对比分析了CFRP 不同加工方法的优缺点，从方法、工艺及机理层面介绍了激光加工CFRP 的研究现状，总结了CFRP 在航空航天领域中的应用，分析讨论了CFRP 激光加工当前面临的挑战和今后的研究重点。
苏州大学沙钢钢铁学院
[摘要]发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。近年来，作为新能源汽车制造的重要结构材料，车用铝合金性能的不断提升给后续的焊接加工带来了全新的挑战。与传统弧焊热源相比，激光-电弧复合热源具有诸多优势，为抑制铝合金焊接缺陷并提升焊接接头系数提供了新途径。较为全面地总结了近年来国内外学者在铝合金焊接缺陷（如软化、气孔）等形成及调控方面的研究进展，分析了 现有研究工作中存在的问题并给出了激光-电弧复合焊接铝合金未来的研究方向，旨在为后续研究及应用提供 参考。
浙江工业大学激光先进制造研究院
[摘要]超声复合激光制造技术通过施加外部超声以提升激光制造的加工能力与质量，已成为国内外研究热点。分析了当前超声复合激光制造技术涉及的耦合机理，并综述了超声在激光制造过程中的作用机制。根据超声振动模块与基体的接触模式将超声引入方式划分为固定接触式、移动接触式、非接触式，并分别阐述三种超声引入方式的优势与缺点。进一步，从增材、等材、减材制造三个方面全面讨论了不同超声引入方式和不同激光制造技术相结合的超声复合激光制造技术，探讨了不同复合制造技术的原理和技术特点，归纳了超声振动在激光制造过程中的影响 规律。在当前研究进展基础上对超声复合激光制造技术的发展方向进行了展望。
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心
[摘要]设备器件精密化、微型化是工业发展的重要趋势。在航空航天、动力电池、消费电子、生物医疗等应用领域中，零部件的日益微型化对微加工工艺提出了更高的要求。金属材料微焊接是微加工领域的重要需求之一，而激光具有能量密度高、热输入精确可控、焊接变形小等特点，是金属材料微焊接的重要技术手段。对金属材料激光微焊接技术展开了探讨，明确了其内涵，阐明了微尺度效应的影响，并总结了激光微焊接常见的缺陷及其质量控制方法， 介绍了同种金属材料和异种金属材料激光微焊接的重要应用前景。最后，指出了金属材料激光微焊接技术存在的 问题，并展望了未来的发展方向。
武汉大学工业科学研究院
[摘要]铝合金薄板激光焊接经常会出现咬边、凹陷等表面缺陷。这两种缺陷由于尺寸小、特征相似，难以通过传统视觉在线检测手段对其进行精确分类和测量。开发了一种基于深度学习缺陷分类-点云测量的在线监测系统，利用高密度的点云数据对缺陷进行识别、分类与测量，解决了上述检测难题。通过双目结构光传感器采集点云数据；利用基于区域推荐网络的卷积神经网络模型识别和定位缺陷；在识别和定位缺陷后，通过对局部缺陷区域的点云进行 操作，快速测量缺陷尺寸。高密度点云数据训练的模型的识别准确率达到93%，高于传统二维视觉传感器图像训 练的模型。该检测系统在线检测允许的最大焊接速度为316.87 mm/s，适用于大多数激光焊接。
哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室
[摘要]开展激光高效清洗基础理论及装备的研究是对《中国制造2025》纲要的具体落实，符合我国可持续发展战略，有利于提高航空航天、轨道交通、海洋船舶等装备的自动化程度，对于我国产业结构的升级与优化具有重要意义。尽管国外发达国家在激光清洗的基础理论、工艺探索、工程应用方面开展了大量的工作，但仍普遍存在构件清洗效率低、耦合机制不清晰、评价标准和在线监测技术有待完善等问题。针对我国航天、高铁、海洋等领域对激光清 洗的重大需求，以航天新一代固液冲压发动机的TA15 钛合金进气道、高铁车体特征件和转向架零部件、海洋船舶 制造中的舱口盖等大型复杂构件为研究对象，介绍了激光清洗机制及工艺、清洗过程中多元参数的在线监测、清洗 智能装备技术等方面的研究进展，以期为我国未来智能激光制造的可持续发展提供一定参考。
重庆大学机械与运载工程学院
[摘要]激光能量场表面热处理是提升金属零件表面性能、延长其使用寿命的重要技术手段之一。近30 年来，国内外对该技术展开了大量研究。相较于传统的表面热处理技术，激光能量场表面热处理具有更加高效、精准和清洁的优势。本文首先探讨了激光能量场表面热处理技术的优劣以及模拟过程中温度、流体和相场的多物理场方程，接着综述了激光表面淬火、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆和激光冲击喷丸等5 种典型激光能量场表面热处理技 术的研究现状，然后根据工程应用需求对改善零件表面耐磨性、耐蚀性和残余应力的研究结果进行了总结，最后展 望了激光能量场表面热处理未来潜在的研究方向。
华南理工大学机械与汽车工程学院
[摘要]重点研究了激光选区熔化成形纯锌（Zn）的微观组织和力学性能的各向异性及产生机理。分别对垂直和平行两个构建方向的纯锌试样进行了试验研究，采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）对晶粒尺寸、形貌、取向和分布进行了表征。结果表明：纯Zn 试样在垂直平面上存在粗柱状晶，平均晶粒尺寸约为17.24 μm，晶粒取向优先沿0001 方向生长；在水平平面上则表现为等轴晶粒，表现出较弱的1010 与 1120 纤维织构，等轴晶的平均晶粒尺寸为10.21 μm，相比垂直平面减小了约40.8%。沿水平平面成形的试样的极 限抗拉强度和延伸率分别为123.5 MPa 和11.7%，而沿垂直平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为108.0 MPa 和14.1%。SLM 成形纯锌在微观结构与力学性能上均存在明显的各向异性：沿水平平面成形的试样的 强度高，归因于更细小的晶粒尺寸和更大的初始位错密度；沿垂直平面成形的试样的延展性更好，则是因为更多的高角度晶界有效阻碍了裂纹偏转。研究结果揭示了激光选区熔化增材制造纯Zn 的微宏观各向异性机理，为Zn在医用植入物中的应用提供了理论参考。
激光增材制造铜铬锆合金研究进展：成形行为、微观组织和综合性能
中国地质大学（武汉） 珠宝学院
[摘要]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。
华南理工大学机械与汽车工程学院
[摘要]为了实现激光选区熔化（SLM）无支撑低角度成形，进而提高样件的成形效率和降低打印成本，笔者提出了一种基于加工层角度自适应下表面工艺区域的划分方法，并对该方法成形的样件的表面质量以及该方法的适用性进行了探究。结果表明：过高或者过低的能量密度都会对悬垂区域的多层成形产生负面影响，采用适熔工艺成形悬垂结构能在保证低孔隙率的同时实现多层打印。将悬垂结构进行上、下、内表面区域划分，基于向下比较层数T进 行区域面积调控能够显著影响悬垂样件的可制造性和结构完整性，应用下表面工艺区域的面积越大，悬垂样件的成 形性越好。对上下表面的成形机理进行了深入分析，结果显示，下表面的成形质量主要受粘粉以及熔池下陷引起的凸起的影响，而上表面除了受粘粉影响外，还主要受阶梯效应和轮廓边界熔道间隙的影响。最终，成形了不同尺寸 的测试样件以及最低角度为15°的叶轮零件，证明了所提低角度成形方法的可行性。
激光粉末床熔化制备TiB2颗粒增强7050铝基复合材料的组织及性能研究
上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室
[摘要]采用激光粉末床熔化（LPBF）工艺制备TiB2质量分数为7% 的原位自生7050铝基复合材料，研究了沉积态及热处理（在475 ℃的条件下固溶处理1 h 后，再在120 ℃的条件下时效处理12 h）后TiB2/7050复合材料的微观组织 和室温拉伸性能的变化。结果表明：纳米量级尺寸TiB2 颗粒的加入能显著抑制LPBF成形7050铝合金裂纹的产 生，且采用LPBF工艺制备的TiB2/7050复合材料表现出较好的成形性。在激光功率为240 W、扫描速度为450 mm/s 及扫描间距为75 μm 的工艺参数组合下，沉积态TiB2/7050复合材料的最大抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为 （282±4） MPa、（246±4） MPa 和（2.5±0.2）%；热处理后，TiB2/7050复合材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到（346±5） MPa、（289±5） MPa 和（4±0.2）%。此结果接近现有文献报道的第二相颗粒增强7050铝合金的力学性能，并进一步降低了粉末制备成本。采用LPBF工艺制备的TiB2/7050复合材料的主要强化机制是析出相强化、位错强化、晶界强化及TiB2和第二相颗粒带来的Orowan 强化，热处理后获得较好的综合室温拉伸性能。
Department of Materials Science and Engineering, Southern University of Science and Technology
[摘要]Ti-6Al-4V is a benchmark Ti alloy. Laser wire additive manufacturing (LWAM) offers advanced manufacturing capability to the alloy for applications possibly including exploration of outer space. As a typical multiple-variable process, LWAM is complex, which, however, can be analyzed, predicated or even optimized by artificial intelligence (AI) methods such as machine learning (ML). In this study, printing parameters of the Ti-6Al-4V is firstly optimized using single-track-single-layer experiments, and then single-track-multiple-layer samples are printed, whose properties in terms of hardness and compressive strength are analyzed subsequently by both experiments and ML. The two ML approaches, artificial neural network (ANN) and support vector machine (SVM), are employed to predict the experimental results, whose coefficients of determination R2 show good values. Further optimized properties are realized by adopting genetic algorithm (GA) and simulated annealing (SA) approaches, which contribute to high mechanical properties achieved, for instance, an engineering compressive strength of about 1694 MPa. The results here indicate that important mechanical properties of the LWAM-prepared Ti alloys can be well predicted and enhanced using suitable ML approaches.
之江实验室
[摘要]超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构，从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。通过经典的拓扑结构（如一维二元复式晶格、非对角Aubry-André-Harper 晶格、蜂窝晶格），阐述拓扑光学的基本原理和现象（如Thouless 泵浦，手性边缘态、局域态与拓扑不变量之间的关系），介绍最新的拓扑光子学进展与应用（如 高阶拓扑绝缘体、Floquet 拓扑绝缘体、非厄米拓扑、非线性拓扑，以及量子拓扑保护），重点综述在超快激光直写平 台下实现的拓扑现象与应用。
北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造研究所
飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点，在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而，飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度，多物理化学现象耦合的复杂过程，现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程，并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题，并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。
浙江大学机械工程学院
[摘要]柔性微纳传感器的新兴发展对先进制造技术提出了更高要求。其中，激光融合制造充分集成激光增材、等材、减材加工形式，凭借高精度、非接触、机理丰富、灵活可控、高效环保、多材料兼容等特点突破了传统制造在多任务、多线程、多功能复合加工中的局限，通过激光与物质相互作用实现跨尺度“控形”与“控性”，为各类柔性微纳传感器的结构-材料-功能一体化制造开辟了新途径。本文首先分析激光增材、等材与减材制造的技术特点与典型目标 材料，展示激光融合制造的技术优势，接着针对近年来激光融合制造在柔性物理、化学、电生理与多模态微纳传感器 中的典型应用展开讨论，最后对该技术面临的挑战以及未来发展趋势进行了总结与展望，通过多学科交叉互融，开辟柔性微纳传感器制造新路径，拓展激光制造技术的应用场景。
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院
[摘要]表面增强拉曼光谱（SERS）是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS 衬底具有成本低、环境适用性强等优势，但在微纳结构多样化制造方面存在局限性，限制了SERS 衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性，揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律，在微球底部实现了可控的光场空间分布，实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步，通过优化制备参数（前驱液浓度比、激光辐照功率及辐 照时间），成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球（AgNPs/AgMRs/MS）复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构（AgNPs/AgMRs）中的光场耦合，即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离 激元共振以及复合结构定向发射等，实现了10-14 mol/L 的痕量检测，增强因子可达9.50×109，为光化学还原制备高 性能介质-金属复合SERS 衬底提供了新思路。
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室
[摘要]近年来，红外微光学器件由于在红外传感与成像、红外探测等领域中具有重要的应用价值而得到了飞速发展，直接在硬脆材料衬底上制备的红外微光学器件更是在苛刻环境应用领域中具有不可代替的作用。针对此需求，已经有研究人员提出了多种高精密制造方法。其中，飞秒激光加工由于真三维加工等独特优势已经被广泛应用于各种复杂三维微纳结构的制备，也为解决硬脆材料红外微光学器件的制备问题提供了新的思路。从飞秒激光加工技术、常用红外光学材料以及基于飞秒激光加工的硬脆材料红外微光学器件的制备和应用方面入手，梳理了近些年 此领域的发展情况，重点介绍了折射器件和衍射器件等红外微光学器件以及飞秒激光加工技术在红外传感与成像、红外探测等领域中的应用，并对飞秒激光加工硬脆材料红外微光学器件的发展趋势进行了展望。
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室
[摘要]得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力，多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型，综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手，总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战，并展望了飞秒激光直写三维 光波导的未来发展趋势。
西安交通大学机械工程学院
[摘要]超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工，已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石，笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合过程中原子尺度的理论研究，探讨了目前针对超快激光加工的多物理场跨尺度耦合模型，分析了这些模型的仿真结果及局限性，总结了超快激光加工理论模型所面临的挑战，并对未来的研究重点进行了展望。
上海交通大学机械与动力工程学院
[摘要]采用脉宽为8 ps 的超快激光器，结合高速相机原位观测，研究了超快激光作用G5 级多孔玻璃过程中的材料去除行为。研究结果表明：在超快激光作用下，多孔玻璃材料出现剥离去除现象，加工过程中有大量粒径为几十微米的颗粒飞溅，材料去除效率约为K9 玻璃的16.2倍。分析了扫描策略和加工余量对多孔玻璃微锥阵列形貌特征的影响，实现了高一致性和大锥顶锐度微锥阵列加工，平均锥顶尺寸达到20 μm。组装后的电喷雾推力器能够在3 kV电压下获得单个发射极90 μN的推力。
