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RSS2021年 45卷 第6期
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[摘要]
[PDF 275KB]
2021, 45(6): 681-685.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.001
[HTML全文]
摘要:
为了实现对台阶高度和绝对距离等物理量的高精度干涉测量，采用在一个光纤激光器中构建多个激光谐振腔的方法，构建了能同时发出多波长激光的光纤激光器。每个激光谐振腔都利用掺铒光纤作为增益介质，利用光纤光栅作为波长选择元件，改变光纤光栅的布喇格波长，即可改变对应谐振腔的激光波长。各个激光谐振腔独立但部分重叠，在重叠区域利用光纤耦合器构成复合子腔，使每个激光谐振腔都是复合激光谐振腔，从而使每个激光谐振腔都发出单纵模激光。结果表明，该光纤激光器能同时发出功率和频率都稳定的多波长激光，且每个波长都是单纵模激光；在4h内，每个波长的波长稳定性优于0.01nm。该设计对可调谐单纵模多波长光纤激光器的研究是有帮助的。
为了实现对台阶高度和绝对距离等物理量的高精度干涉测量，采用在一个光纤激光器中构建多个激光谐振腔的方法，构建了能同时发出多波长激光的光纤激光器。每个激光谐振腔都利用掺铒光纤作为增益介质，利用光纤光栅作为波长选择元件，改变光纤光栅的布喇格波长，即可改变对应谐振腔的激光波长。各个激光谐振腔独立但部分重叠，在重叠区域利用光纤耦合器构成复合子腔，使每个激光谐振腔都是复合激光谐振腔，从而使每个激光谐振腔都发出单纵模激光。结果表明，该光纤激光器能同时发出功率和频率都稳定的多波长激光，且每个波长都是单纵模激光；在4h内，每个波长的波长稳定性优于0.01nm。该设计对可调谐单纵模多波长光纤激光器的研究是有帮助的。
2021, 45(6): 715-721.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.007
摘要:
为了研究蝶形光通信激光器的耦合机理，建立了芯片-透镜-单模光纤仿真模型，以耦合理论为基础，引入了容忍度概念，分析了空间位置误差对耦合效率的影响。通过对比透镜与光纤的各个方向的容忍度大小，结合焊后偏移现象，提出了先透镜后光纤的封装顺序，并搭建了实验平台进行验证。结果表明，在对比实验中，透镜优先封装所得到的功率最高可达1800μW，而光纤优先封装最高功率仅为1200μW; 先对透镜进行封装，焊后偏移的效果要更好。该研究为蝶形器件实际封装生产提供可靠的参考。
为了研究蝶形光通信激光器的耦合机理，建立了芯片-透镜-单模光纤仿真模型，以耦合理论为基础，引入了容忍度概念，分析了空间位置误差对耦合效率的影响。通过对比透镜与光纤的各个方向的容忍度大小，结合焊后偏移现象，提出了先透镜后光纤的封装顺序，并搭建了实验平台进行验证。结果表明，在对比实验中，透镜优先封装所得到的功率最高可达1800μW，而光纤优先封装最高功率仅为1200μW; 先对透镜进行封装，焊后偏移的效果要更好。该研究为蝶形器件实际封装生产提供可靠的参考。
2021, 45(6): 729-734.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.009
摘要:
为了满足薄膜激光损伤阈值客观、准确、高精度测量的要求, 提出了损伤阈值标定技术。通过互换两个能量探测器位置的试验标定方法, 消除分光镜的分光误差和能量探测器的测量误差, 获得准确的辐照能量。再通过调整两个CCD位置获得相同光斑尺寸的测量方法标定被测样品表面与光斑面积测量面的等效, 并剔除激光光斑中非平顶部分, 获得准确的辐照光斑面积。最后采用最小二乘法对计算得到的能量密度及其对应的损伤几率进行拟合, 获得损伤阈值。通过对TiO2/SiO2高反射膜1064nm激光辐照测量实验, 得到23.0164J/cm2的薄膜激光损伤阈值。结果表明, 采用标定技术使薄膜激光损伤阈值的测量精度提高了9.26%, 满足高精度的测量要求。此研究有助于薄膜激光损伤阈值的准确标定。
为了满足薄膜激光损伤阈值客观、准确、高精度测量的要求, 提出了损伤阈值标定技术。通过互换两个能量探测器位置的试验标定方法, 消除分光镜的分光误差和能量探测器的测量误差, 获得准确的辐照能量。再通过调整两个CCD位置获得相同光斑尺寸的测量方法标定被测样品表面与光斑面积测量面的等效, 并剔除激光光斑中非平顶部分, 获得准确的辐照光斑面积。最后采用最小二乘法对计算得到的能量密度及其对应的损伤几率进行拟合, 获得损伤阈值。通过对TiO2/SiO2高反射膜1064nm激光辐照测量实验, 得到23.0164J/cm2的薄膜激光损伤阈值。结果表明, 采用标定技术使薄膜激光损伤阈值的测量精度提高了9.26%, 满足高精度的测量要求。此研究有助于薄膜激光损伤阈值的准确标定。
2021, 45(6): 735-739.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.010
摘要:
二极管抽运固体激光器的散热问题是激光器能量输出稳定的关键问题。为了解决散热问题, 以激重频50Hz、激光输出能量不小于150mJ的风冷YAG固体激光器为例, 计算了激光器产生的热量, 构建了激光器二极管及散热部件3维模型, 利用FloEFD软件进行热分析, 优化了分析结果并进行了试验验证。结果表明, 循环工作3次后, 激光器输出155mJ、50Hz的激光能量, 激光束散为2.9mard, 散热器的温度约为85℃; 该设计稳定可靠, 可以解决该激光器的散热问题, 以满足激光器各项指标, 保证其正常工作。该研究为激光器更深层次的热设计提供了参考。
二极管抽运固体激光器的散热问题是激光器能量输出稳定的关键问题。为了解决散热问题, 以激重频50Hz、激光输出能量不小于150mJ的风冷YAG固体激光器为例, 计算了激光器产生的热量, 构建了激光器二极管及散热部件3维模型, 利用FloEFD软件进行热分析, 优化了分析结果并进行了试验验证。结果表明, 循环工作3次后, 激光器输出155mJ、50Hz的激光能量, 激光束散为2.9mard, 散热器的温度约为85℃; 该设计稳定可靠, 可以解决该激光器的散热问题, 以满足激光器各项指标, 保证其正常工作。该研究为激光器更深层次的热设计提供了参考。
2021, 45(6): 776-781.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.017
摘要:
为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO4微片激光器中的生成条件及其变化因素，构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析，并基于热效应分析进行了模式匹配计算，通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出，并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明，该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光，其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化；并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。
为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO4微片激光器中的生成条件及其变化因素，构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析，并基于热效应分析进行了模式匹配计算，通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出，并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明，该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光，其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化；并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。
2021, 45(6): 686-690.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.002
摘要:
在可见光波段，传统光学显微镜的成像分辨率被限制到200nm。为了突破衍射极限，采用了将微球与传统光学显微镜相结合的方法来获得远场超分辨率成像。首先通过理论分析平行光通过微纳结构物体后物光波在空气中的传输，进而分析微球将倏逝波转换成传输波实现远场超分辨的成像机理；其次通过仿真研究了微球的光纳米喷射特性，可知微球光纳米喷射的半径尺寸小于入射光波长的一半；最后搭建了基于微球与传统光学显微镜相结合的超分辨率成像实验系统。结果表明，将蓝光光盘作为被测物体，通过该成像系统可获得100nm的远场超分辨率成像; 该成像系统可以对微纳元件结构进行检测。这一结果对光刻技术、生物医学等领域是有帮助的。
在可见光波段，传统光学显微镜的成像分辨率被限制到200nm。为了突破衍射极限，采用了将微球与传统光学显微镜相结合的方法来获得远场超分辨率成像。首先通过理论分析平行光通过微纳结构物体后物光波在空气中的传输，进而分析微球将倏逝波转换成传输波实现远场超分辨的成像机理；其次通过仿真研究了微球的光纳米喷射特性，可知微球光纳米喷射的半径尺寸小于入射光波长的一半；最后搭建了基于微球与传统光学显微镜相结合的超分辨率成像实验系统。结果表明，将蓝光光盘作为被测物体，通过该成像系统可获得100nm的远场超分辨率成像; 该成像系统可以对微纳元件结构进行检测。这一结果对光刻技术、生物医学等领域是有帮助的。
2021, 45(6): 722-728.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.008
摘要:
为了解决人脸检测存在小目标人脸携带的特征信息少且相对较为模糊，导致检测难度较高的问题，采用将尺度不变人脸检测器(S3FD)网络与通道和空间注意力机制相结合的网络作为主干，在通道和空间上建立了特征之间的权重关系，强化特征提取能力，将原本S3FD所输出的特征图经扩大感受野后进行上采样，使得上一层特征图的输出包含了下一层特征图的特征。结果表明, widerface数据集的3个不同等级的验证集的平均精准率分别为95.0%，93.7%，86.4%，与原S3FD相比分别提高了1.3%，1.2%，0.5%。本文中提出的算法在人脸检测中具有较好的检测效果。
为了解决人脸检测存在小目标人脸携带的特征信息少且相对较为模糊，导致检测难度较高的问题，采用将尺度不变人脸检测器(S3FD)网络与通道和空间注意力机制相结合的网络作为主干，在通道和空间上建立了特征之间的权重关系，强化特征提取能力，将原本S3FD所输出的特征图经扩大感受野后进行上采样，使得上一层特征图的输出包含了下一层特征图的特征。结果表明, widerface数据集的3个不同等级的验证集的平均精准率分别为95.0%，93.7%，86.4%，与原S3FD相比分别提高了1.3%，1.2%，0.5%。本文中提出的算法在人脸检测中具有较好的检测效果。
2021, 45(6): 751-755.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.013
摘要:
雾衰减经验模型的计算是预测雾衰减的一种重要方法。为了将雾衰减经验模型应用到实际中进行适用性分析, 从米氏散射理论出发, 采用理论推导和仿真分析的方法, 计算了Kruse模型、Kim模型和Ijaz模型中激光在不同能见度下的衰减, 分析了3个模型在计算衰减系数时的差异, 并通过搭建自由空间光通信实验平台, 将实验结果与仿真结果对比分析。结果表明, 650nm波长的激光在雾衰减信道下的衰减结果与Kim衰减模型更接近。此研究结论为西安地区自由空间光通信系统雾衰减系数分析提供了参考依据。
雾衰减经验模型的计算是预测雾衰减的一种重要方法。为了将雾衰减经验模型应用到实际中进行适用性分析, 从米氏散射理论出发, 采用理论推导和仿真分析的方法, 计算了Kruse模型、Kim模型和Ijaz模型中激光在不同能见度下的衰减, 分析了3个模型在计算衰减系数时的差异, 并通过搭建自由空间光通信实验平台, 将实验结果与仿真结果对比分析。结果表明, 650nm波长的激光在雾衰减信道下的衰减结果与Kim衰减模型更接近。此研究结论为西安地区自由空间光通信系统雾衰减系数分析提供了参考依据。
2021, 45(6): 762-767.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.015
摘要:
为了研究孔径接收对各向异性海洋湍流条件下水下无线光通信(UWOC)系统误比特率的影响, 系统采用高斯光束传输, 接收端通过孔径接收, 在脉冲位置调制方式下通过各向异性海洋湍流信道。引入各向异性海洋湍流结构常数, 通过对闪烁的形成原理和各向异性海洋湍流条件下闪烁系数的分析, 数值模拟得到了在不同接收孔径和各向异性因子下, 海洋湍流参量、传输距离、雪崩光电二极管(APD)平均增益和调制阶数对系统误比特率的影响。结果表明, 相同各向异性因子和海洋湍流参量下, 大孔径接收能有效提升系统误比特率性能; 相同孔径直径和海洋湍流参量下, 各向异性因子越大, 系统通信性能越好; 均方温度耗散率、温度和盐度对海洋功率谱变化贡献的比值较小, 湍流动能耗散率、动力粘度较大以及传输距离越短, 系统误码性能越好; APD增益为100或150时, 系统通信性能最佳; 调制阶数M=8时, 系统通信性能最佳, M>64时, 系统误比特率变化程度几乎饱和。该研究为UWOC系统平台搭建和性能估计提供了参考。
为了研究孔径接收对各向异性海洋湍流条件下水下无线光通信(UWOC)系统误比特率的影响, 系统采用高斯光束传输, 接收端通过孔径接收, 在脉冲位置调制方式下通过各向异性海洋湍流信道。引入各向异性海洋湍流结构常数, 通过对闪烁的形成原理和各向异性海洋湍流条件下闪烁系数的分析, 数值模拟得到了在不同接收孔径和各向异性因子下, 海洋湍流参量、传输距离、雪崩光电二极管(APD)平均增益和调制阶数对系统误比特率的影响。结果表明, 相同各向异性因子和海洋湍流参量下, 大孔径接收能有效提升系统误比特率性能; 相同孔径直径和海洋湍流参量下, 各向异性因子越大, 系统通信性能越好; 均方温度耗散率、温度和盐度对海洋功率谱变化贡献的比值较小, 湍流动能耗散率、动力粘度较大以及传输距离越短, 系统误码性能越好; APD增益为100或150时, 系统通信性能最佳; 调制阶数M=8时, 系统通信性能最佳, M>64时, 系统误比特率变化程度几乎饱和。该研究为UWOC系统平台搭建和性能估计提供了参考。
2021, 45(6): 794-798.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.020
摘要:
为了解决密集多目标检测中易造成的漏检问题，提出一种基于双邻域对比度的红外小目标检测算法。首先利用峰值搜索算法筛选出候选目标；再通过单尺度3层双邻域窗口遍历候选目标; 最后利用双邻域对比度模型计算候选目标区域的最小灰度对比度，并用对角梯度因子增强对比度和抑制杂波。结果表明，与5种对比方法相比，该方法的背景抑制因子和对比度增益分别平均提高4.7倍和1.8倍，有效地抑制了杂波，增强了目标。该研究能够准确地检测到相互接近的多个目标，对提高复杂背景下的多目标检测精度是有帮助的。
为了解决密集多目标检测中易造成的漏检问题，提出一种基于双邻域对比度的红外小目标检测算法。首先利用峰值搜索算法筛选出候选目标；再通过单尺度3层双邻域窗口遍历候选目标; 最后利用双邻域对比度模型计算候选目标区域的最小灰度对比度，并用对角梯度因子增强对比度和抑制杂波。结果表明，与5种对比方法相比，该方法的背景抑制因子和对比度增益分别平均提高4.7倍和1.8倍，有效地抑制了杂波，增强了目标。该研究能够准确地检测到相互接近的多个目标，对提高复杂背景下的多目标检测精度是有帮助的。
2021, 45(6): 806-810.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.022
摘要:
为了加快颗粒全息图的重建速度，提出了一种基于多线程编译框架(OpenMP)和统一计算设备架构(CUDA)并行技术的二级并行架构颗粒全息图快速重建方法。第1级并行针对重建截面，第2级并行针对像素，同时在这两个维度进行并行重建，利用OpenMP实现图片级并行，利用CUDA实现像素级并行。以煤粉颗粒全息图为测试对象，同时采用单线程重建程序和二级并行重建程序进行全息重建，比较了两种计算方式的重建结果和计算耗时。结果表明，二级并行重建结果与单线程重建结果是一致的，且可大大缩短重建耗时; 对于分辨率为5000×5000的全息图，在重建截面数为40时，可实现48.3倍的加速比。此计算架构在数字全息的颗粒场实时在线诊断中具有很好的应用前景。
为了加快颗粒全息图的重建速度，提出了一种基于多线程编译框架(OpenMP)和统一计算设备架构(CUDA)并行技术的二级并行架构颗粒全息图快速重建方法。第1级并行针对重建截面，第2级并行针对像素，同时在这两个维度进行并行重建，利用OpenMP实现图片级并行，利用CUDA实现像素级并行。以煤粉颗粒全息图为测试对象，同时采用单线程重建程序和二级并行重建程序进行全息重建，比较了两种计算方式的重建结果和计算耗时。结果表明，二级并行重建结果与单线程重建结果是一致的，且可大大缩短重建耗时; 对于分辨率为5000×5000的全息图，在重建截面数为40时，可实现48.3倍的加速比。此计算架构在数字全息的颗粒场实时在线诊断中具有很好的应用前景。
2021, 45(6): 811-816.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.023
摘要:
为了提高多模复合导引头跟踪模式复杂逻辑决策的适应性，采用随机森林构建模式决策网络、结合误差补偿的方法，对传统的人工条件判读流程进行了优化，提高了模型的分类准确率，并将该方法应用到复合导引头中进行理论分析和仿真验证。结果表明，得到的跟踪模式的分类正确率达100%，运行速度提升16%，代码量减少3倍; 基于随机森林和误差补偿的跟踪模式决策方法对导引头跟踪模式决策具有较好的适应性，可以高效实现跟踪模式的自主决策。此研究算法为高效率地实现导引头跟踪模式决策提供了参考。
为了提高多模复合导引头跟踪模式复杂逻辑决策的适应性，采用随机森林构建模式决策网络、结合误差补偿的方法，对传统的人工条件判读流程进行了优化，提高了模型的分类准确率，并将该方法应用到复合导引头中进行理论分析和仿真验证。结果表明，得到的跟踪模式的分类正确率达100%，运行速度提升16%，代码量减少3倍; 基于随机森林和误差补偿的跟踪模式决策方法对导引头跟踪模式决策具有较好的适应性，可以高效实现跟踪模式的自主决策。此研究算法为高效率地实现导引头跟踪模式决策提供了参考。
2021, 45(6): 691-696.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.003
摘要:
为了研究激光熔化沉积高性能合金钢构件的疲劳问题，采用扩展有限元法和直接循环分析相结合的方法，进行了典型件疲劳裂纹扩展路径的分析, 并进行了剩余寿命的预测。通过中心裂纹拉伸(CCT)试样的疲劳试验获得了材料Paris公式中的参量，并将其用于有限元模拟中。同时，分别运用有限元模拟方法和试验方法研究了CCT、紧凑拉伸-剪切试样的裂纹扩展过程。结果表明, 有限元法得到的裂纹扩展路径和疲劳寿命与试验结果吻合良好，其中裂纹扩展路径偏转角的误差在16.54%以内，疲劳寿命的误差在2.72%以内。该方法可以较好地预测激光熔化沉积高合金钢构件的疲劳裂纹扩展路径和剩余疲劳寿命，具有一定的工程意义。
为了研究激光熔化沉积高性能合金钢构件的疲劳问题，采用扩展有限元法和直接循环分析相结合的方法，进行了典型件疲劳裂纹扩展路径的分析, 并进行了剩余寿命的预测。通过中心裂纹拉伸(CCT)试样的疲劳试验获得了材料Paris公式中的参量，并将其用于有限元模拟中。同时，分别运用有限元模拟方法和试验方法研究了CCT、紧凑拉伸-剪切试样的裂纹扩展过程。结果表明, 有限元法得到的裂纹扩展路径和疲劳寿命与试验结果吻合良好，其中裂纹扩展路径偏转角的误差在16.54%以内，疲劳寿命的误差在2.72%以内。该方法可以较好地预测激光熔化沉积高合金钢构件的疲劳裂纹扩展路径和剩余疲劳寿命，具有一定的工程意义。
2021, 45(6): 697-702.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.004
摘要:
为了实现TC4钛合金表面TiAl合金涂层的大面积制备及实际应用，采用激光熔覆的方法在TC4钛基体上制备单道和搭接的TiAl合金涂层。通过表面形貌和界面特征分析了涂层的熔覆质量，对涂层的物相组成与显微组织进行研究，测试了熔覆层界面及搭接层之间的硬度分布。结果表明，涂层与基体之间属于冶金结合，涂层内部没有裂纹和孔隙等缺陷，涂层中Ti/Al主要以TiAl(γ)、Ti3Al(α2)以及与微量元素的化合物形式存在，涂层主要由双态组织和片层组织组成，测试得到单道熔覆涂层和搭接涂层平均硬度是基体的1.44倍以上，多道搭接涂层的组织分布相比单道涂层更加均匀；涂层可进行大范围的多道搭接熔覆，证明了TiAl涂层对TC4基体表面改性方法可行性。该研究对于实现涂层的实际应用具有重要意义。
为了实现TC4钛合金表面TiAl合金涂层的大面积制备及实际应用，采用激光熔覆的方法在TC4钛基体上制备单道和搭接的TiAl合金涂层。通过表面形貌和界面特征分析了涂层的熔覆质量，对涂层的物相组成与显微组织进行研究，测试了熔覆层界面及搭接层之间的硬度分布。结果表明，涂层与基体之间属于冶金结合，涂层内部没有裂纹和孔隙等缺陷，涂层中Ti/Al主要以TiAl(γ)、Ti3Al(α2)以及与微量元素的化合物形式存在，涂层主要由双态组织和片层组织组成，测试得到单道熔覆涂层和搭接涂层平均硬度是基体的1.44倍以上，多道搭接涂层的组织分布相比单道涂层更加均匀；涂层可进行大范围的多道搭接熔覆，证明了TiAl涂层对TC4基体表面改性方法可行性。该研究对于实现涂层的实际应用具有重要意义。
2021, 45(6): 709-714.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.006
摘要:
为了实现高强贝氏体钢零部件增材修复的目的，采用激光粉末沉积+等温热处理的方法制备了一种中碳高强贝氏体钢，其合金成分(质量分数)为Fe-0.0029C-0.0150Si-0.0150Mn-0.0096Cr-0.0120Ni-0.0100Al-0.0050Mo。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对贝氏体钢的微观组织进行表征，采用拉伸试验机以及显微维氏硬度仪对材料的力学性能进行表征，试样沉积后在280℃盐浴等温处理5h具备最佳综合性能，平均显微硬度达到494.5HV，抗拉强度达到1248MPa、屈服强度达到1037MPa，延伸率达到14.5%。结果表明，不同工艺参量试样微观组织均由贝氏体板条以及残余奥氏体组成，且组织均匀，无碳化物、偏析以及气孔夹杂等缺陷，但等温时间过低以及等温温度过高都会导致组织性能劣化。该研究为高强零部件的增材修复提供了参考。
为了实现高强贝氏体钢零部件增材修复的目的，采用激光粉末沉积+等温热处理的方法制备了一种中碳高强贝氏体钢，其合金成分(质量分数)为Fe-0.0029C-0.0150Si-0.0150Mn-0.0096Cr-0.0120Ni-0.0100Al-0.0050Mo。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对贝氏体钢的微观组织进行表征，采用拉伸试验机以及显微维氏硬度仪对材料的力学性能进行表征，试样沉积后在280℃盐浴等温处理5h具备最佳综合性能，平均显微硬度达到494.5HV，抗拉强度达到1248MPa、屈服强度达到1037MPa，延伸率达到14.5%。结果表明，不同工艺参量试样微观组织均由贝氏体板条以及残余奥氏体组成，且组织均匀，无碳化物、偏析以及气孔夹杂等缺陷，但等温时间过低以及等温温度过高都会导致组织性能劣化。该研究为高强零部件的增材修复提供了参考。
2021, 45(6): 740-744.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.011
摘要:
为了对小尺寸抛物面反射镜进行质量检测, 采用平行光聚焦的方法测量焦距, 旋转被测反射镜的方法测量偏心角, 再结合图像处理的方法测量弥散斑大小, 并提出了一种减小测量误差的方法; 对这些测量方法进行了理论分析和实验验证, 得到了待测反射镜的焦距、偏心角和弥散斑大小。结果表明, 焦距的相对误差在0.1%以内, 偏心角误差在7%以内, 弥散斑大小小于0.2mm, 测量结果可靠。该方案设计为其它小口径的非球面的检测提供了很好的思路, 并且为减小测量误差、提高测量精度提供了很好的研究方法。
为了对小尺寸抛物面反射镜进行质量检测, 采用平行光聚焦的方法测量焦距, 旋转被测反射镜的方法测量偏心角, 再结合图像处理的方法测量弥散斑大小, 并提出了一种减小测量误差的方法; 对这些测量方法进行了理论分析和实验验证, 得到了待测反射镜的焦距、偏心角和弥散斑大小。结果表明, 焦距的相对误差在0.1%以内, 偏心角误差在7%以内, 弥散斑大小小于0.2mm, 测量结果可靠。该方案设计为其它小口径的非球面的检测提供了很好的思路, 并且为减小测量误差、提高测量精度提供了很好的研究方法。
2021, 45(6): 745-750.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.012
摘要:
碳纤维复合材料(CFRP)在激光表面烧蚀除胶过程中容易出现不均匀热影响区、纤维破损等缺陷, 为了解决这一问题, 提出并实现了一种基于CFRP纤维编织网格分块扫描的激光除胶工艺算法, 采用单因素实验方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了不同激光扫面填充算法对CFRP表面树脂去除率、纤维破损度的影响规律, 并对加工机理进行了分析研究。结果表明, 选取平均功率为24W、重复频率为20kHz、扫描速率为1000mm/s、离焦量为5mm等参量时, 加工样品表面得到了纤维完整、热损伤较小等较好的工艺效果。这一结果对激光加工CFRP烧蚀除胶的研究是有帮助的。
碳纤维复合材料(CFRP)在激光表面烧蚀除胶过程中容易出现不均匀热影响区、纤维破损等缺陷, 为了解决这一问题, 提出并实现了一种基于CFRP纤维编织网格分块扫描的激光除胶工艺算法, 采用单因素实验方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了不同激光扫面填充算法对CFRP表面树脂去除率、纤维破损度的影响规律, 并对加工机理进行了分析研究。结果表明, 选取平均功率为24W、重复频率为20kHz、扫描速率为1000mm/s、离焦量为5mm等参量时, 加工样品表面得到了纤维完整、热损伤较小等较好的工艺效果。这一结果对激光加工CFRP烧蚀除胶的研究是有帮助的。
2021, 45(6): 756-761.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.014
摘要:
为了提高蓝宝石对普通红外激光的吸收效率, 采用金属氧化物涂层辅助1064nm红外光纤激光器刻蚀蓝宝石。通过单因素研究方法, 研究了不同金属氧化物涂层的刻槽阈值以及激光能量和金属氧化物涂层对刻蚀率的影响, 对6种金属氧化物涂层辅助激光刻蚀的差异以及刻蚀机理进行了理论分析和实验验证。结果表明, TiO2涂层的刻槽阈值最低约为8.5J/cm2、激光能量为77.7J/cm2时, TiO2涂层的刻蚀率最高约为107.3×104μm3/s; 刻蚀率随着激光能量的增大先增大后趋于平缓且有所降低; 刻槽阈值和刻蚀率主要与涂层吸收激光能力、热导率以及熔沸点有关, 其中受涂层吸收激光能力和熔沸点的影响较大。此研究结果对激光加工蓝宝石的工业应用提供一定的技术基础。
为了提高蓝宝石对普通红外激光的吸收效率, 采用金属氧化物涂层辅助1064nm红外光纤激光器刻蚀蓝宝石。通过单因素研究方法, 研究了不同金属氧化物涂层的刻槽阈值以及激光能量和金属氧化物涂层对刻蚀率的影响, 对6种金属氧化物涂层辅助激光刻蚀的差异以及刻蚀机理进行了理论分析和实验验证。结果表明, TiO2涂层的刻槽阈值最低约为8.5J/cm2、激光能量为77.7J/cm2时, TiO2涂层的刻蚀率最高约为107.3×104μm3/s; 刻蚀率随着激光能量的增大先增大后趋于平缓且有所降低; 刻槽阈值和刻蚀率主要与涂层吸收激光能力、热导率以及熔沸点有关, 其中受涂层吸收激光能力和熔沸点的影响较大。此研究结果对激光加工蓝宝石的工业应用提供一定的技术基础。
2021, 45(6): 782-787.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.018
摘要:
为了提高电站锅炉自动化程度，为真实锅炉的优化控制提供新颖的实时在线测量手段，采用计算机层析重建和激光吸收光谱技术相结合的方法，进行了理论分析和实验验证。仿真实验证明了仅采用2个投影方向即能够实现温度峰值位置的重建及其相对高低的分辨；布置6条测量路径形成测量网格，得到真实锅炉炉膛的实时在线2-D温度场重建数据。结果表明，炉膛平均温度与锅炉蒸汽流量的相关系数达到0.91，回归分析得到决定系数为0.88；可将平均温度作为炉膛内实时的总辐射能的表征，用于避免锅炉超调，根据温度可获知燃料总的热值波动，2-D温度场的重建可用于锅炉调平。该研究为锅炉提供了非接触式测量手段，为提高锅炉自动化程度和研究燃烧优化控制提供了重要支持。
为了提高电站锅炉自动化程度，为真实锅炉的优化控制提供新颖的实时在线测量手段，采用计算机层析重建和激光吸收光谱技术相结合的方法，进行了理论分析和实验验证。仿真实验证明了仅采用2个投影方向即能够实现温度峰值位置的重建及其相对高低的分辨；布置6条测量路径形成测量网格，得到真实锅炉炉膛的实时在线2-D温度场重建数据。结果表明，炉膛平均温度与锅炉蒸汽流量的相关系数达到0.91，回归分析得到决定系数为0.88；可将平均温度作为炉膛内实时的总辐射能的表征，用于避免锅炉超调，根据温度可获知燃料总的热值波动，2-D温度场的重建可用于锅炉调平。该研究为锅炉提供了非接触式测量手段，为提高锅炉自动化程度和研究燃烧优化控制提供了重要支持。
2021, 45(6): 788-793.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.019
摘要:
为了研究工艺参量对激光熔覆Ni60涂层裂纹及厚度影响，采用在45#钢基材表面熔覆Ni60合金粉末的正交试验方法，分析了影响裂纹产生的工艺参量的主次因素以及影响涂层厚度的主要因素，并对试验结果进行极差分析，获取了裂纹最少的最优工艺参量。结果表明，影响裂纹产生的主次因素为扫描速率＞送粉速率＞激光功率，裂纹最少的工艺参量为激光功率1400W，扫描速率4.0mm/s，送粉速率为1.0r/min，此时，在熔覆起始位置出现了一条短裂纹；对涂层厚度的影响程度主次因素为送粉速率＞扫描速率＞激光功率；经测量，熔覆层的硬度是基材的3.3倍，通过扫描电镜分析，涂层与基材形成良好的冶金结合，熔覆层晶粒组织均匀致密。该研究为Ni60合金粉末激光熔覆工程化应用提供了参考。
为了研究工艺参量对激光熔覆Ni60涂层裂纹及厚度影响，采用在45#钢基材表面熔覆Ni60合金粉末的正交试验方法，分析了影响裂纹产生的工艺参量的主次因素以及影响涂层厚度的主要因素，并对试验结果进行极差分析，获取了裂纹最少的最优工艺参量。结果表明，影响裂纹产生的主次因素为扫描速率＞送粉速率＞激光功率，裂纹最少的工艺参量为激光功率1400W，扫描速率4.0mm/s，送粉速率为1.0r/min，此时，在熔覆起始位置出现了一条短裂纹；对涂层厚度的影响程度主次因素为送粉速率＞扫描速率＞激光功率；经测量，熔覆层的硬度是基材的3.3倍，通过扫描电镜分析，涂层与基材形成良好的冶金结合，熔覆层晶粒组织均匀致密。该研究为Ni60合金粉末激光熔覆工程化应用提供了参考。
2021, 45(6): 703-708.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.005
摘要:
为了研究多光谱CCD相机的干扰效果，分别采用氙灯(白光)、671nm激光、473nm激光和532nm激光对多光谱CCD相机进行干扰实验，提取了红、绿、蓝三通道下的干扰图，并对干扰效果进行了分析，最后利用光生载流子的扩散模型对白光辐照多光谱CCD进行仿真。结果表明, 白光辐照多光谱CCD相机时，红、绿、蓝三通道会同时被干扰，干扰效果明显优于单波长的干扰效果；当白光的入射功率为10.5μW时，白光辐照多光谱CCD的饱和像元数为2382pixel，随着入射功率的增大，多光谱CCD的饱和像元数也逐渐增加，当白光的入射功率为980μW时，白光辐照多光谱CCD的饱和像元数稳定在320078pixel；多光谱CCD对各个波长连续激光干扰响应程度从大到小依次为白光、532nm、473nm、671nm；仿真所得干扰图以及饱和像元数随激光功率的变化关系曲线与实验结果基本相符。该结果有助于多光谱CCD相机干扰机理的深入研究。
为了研究多光谱CCD相机的干扰效果，分别采用氙灯(白光)、671nm激光、473nm激光和532nm激光对多光谱CCD相机进行干扰实验，提取了红、绿、蓝三通道下的干扰图，并对干扰效果进行了分析，最后利用光生载流子的扩散模型对白光辐照多光谱CCD进行仿真。结果表明, 白光辐照多光谱CCD相机时，红、绿、蓝三通道会同时被干扰，干扰效果明显优于单波长的干扰效果；当白光的入射功率为10.5μW时，白光辐照多光谱CCD的饱和像元数为2382pixel，随着入射功率的增大，多光谱CCD的饱和像元数也逐渐增加，当白光的入射功率为980μW时，白光辐照多光谱CCD的饱和像元数稳定在320078pixel；多光谱CCD对各个波长连续激光干扰响应程度从大到小依次为白光、532nm、473nm、671nm；仿真所得干扰图以及饱和像元数随激光功率的变化关系曲线与实验结果基本相符。该结果有助于多光谱CCD相机干扰机理的深入研究。
2021, 45(6): 768-775.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.06.016
摘要:
舰船航行时庞大躯身及上层建筑会对船体周边的大气流场分布产生较大的干扰，应用激光测风雷达获取舰船周边大气流场高时空分辨信息，能提升舰船航空飞行器在高海况条件下的安全起降能力。对舰船载激光测风雷达在海洋环境工作应用模式及数据需求等进行分析，并介绍了船载激光测风雷达工作原理及国内外发展情况，分析了雷达的相关关键技术，最后对船载3维高时空分辨风场测量技术的发展趋势进行了展望。
舰船航行时庞大躯身及上层建筑会对船体周边的大气流场分布产生较大的干扰，应用激光测风雷达获取舰船周边大气流场高时空分辨信息，能提升舰船航空飞行器在高海况条件下的安全起降能力。对舰船载激光测风雷达在海洋环境工作应用模式及数据需求等进行分析，并介绍了船载激光测风雷达工作原理及国内外发展情况，分析了雷达的相关关键技术，最后对船载3维高时空分辨风场测量技术的发展趋势进行了展望。
