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激光冲击强化中的激光变量——研究进展和拓展空间

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激光与光电子学进展 2024年第5期61卷 36-46页

作者：周罗贤朱成禹远航吕志伟哈尔滨工业大学可调谐(气体)激光技术国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150080

在激光冲击强化(LSP)技术中,作为冲击载荷的驱动源头和能量来源,激光脉冲参数的不同选取决定着激光吸收机制取向、能量沉积程度乃至等离子爆炸行为规律的差异,进而对冲击载荷形态特征和材料表面强化效果产生重要的决定作用。本文对目前... 详细信息

在激光冲击强化(LSP)技术中,作为冲击载荷的驱动源头和能量来源,激光脉冲参数的不同选取决定着激光吸收机制取向、能量沉积程度乃至等离子爆炸行为规律的差异,进而对冲击载荷形态特征和材料表面强化效果产生重要的决定作用。本文对目前LSP技术中涉及的各类激光参数在激光驱动冲击效应中的作用机理、影响规律,以及在工艺配给上的研究和认知现状进行了综述。针对激光时域结构在决定等离子体膨爆行为和冲击载荷特征中的重要性,以及目前LSP普遍采用调Q激光器高斯时间波形的技术现状展开评述,并指出通过优化激光脉冲时域结构来提升光能向机械能的转换效率,或通过调节激光时域参数来实现精准操控冲击载荷特征具有可能性。

关键词：激光技术激光冲击强化表面处理激光诱导冲击波激光时域结构

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超快微波光子学频率测量技术

激光与光电子学进展 2024年

作者：王赫楠陈亮齐永光巴德欣董永康哈尔滨工业大学郑州研究院哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室北京控制与电子技术研究所

微波光子学频率测量技术利用光学结构和技术产生、操纵、传输和测量高速微波射频信号，将光子学的高带宽、高复用、低损耗与微波技术的高精细、灵活性和易调控等优势相融合，能够大幅提升现有动态频谱监测系统的性能，在电磁空间安全防... 详细信息

微波光子学频率测量技术利用光学结构和技术产生、操纵、传输和测量高速微波射频信号，将光子学的高带宽、高复用、低损耗与微波技术的高精细、灵活性和易调控等优势相融合，能够大幅提升现有动态频谱监测系统的性能，在电磁空间安全防护、雷达、高速通信等领域具有显著的优势和应用前景。本文概述了微波光子学频率测量技术的研究进展，对比了包括频谱分析型、功率映射型和信道型三种微波光子学频率测量技术的测频速度、测频精度等关键指标，并论述了基于光学啁啾链瞬态受激布里渊散射效应的微波光子频率测量技术研究工作，为航空航天、雷达等应用场景提供全新高性能微波频率测量方案。

关键词：微波光子学超快微波频率测量频谱分析功率频率映射信道光学啁啾链

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超快微波光子学频率测量技术(特邀)

激光与光电子学进展 2024年第1期61卷 137-152页

作者：王赫楠陈亮齐永光巴德欣董永康北京控制与电子技术研究所北京102300 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学郑州研究院河南郑州450000

微波光子学频率测量技术利用光学结构和技术产生、操纵、传输和测量高速微波射频信号,将光子学的高带宽、高复用、低损耗与微波技术的高精细、灵活性和易调控等优势相融合,能够大幅提升现有动态频谱监测系统的性能,在电磁空间安全防护... 详细信息

微波光子学频率测量技术利用光学结构和技术产生、操纵、传输和测量高速微波射频信号,将光子学的高带宽、高复用、低损耗与微波技术的高精细、灵活性和易调控等优势相融合,能够大幅提升现有动态频谱监测系统的性能,在电磁空间安全防护、雷达、高速通信等领域具有显著的优势和应用前景。本文概述了微波光子学频率测量技术的研究进展,对比了包括频谱分析型、功率映射型和信道型等3种微波光子学频率测量技术的测频速度、测频精度等关键指标,并论述了基于光学啁啾链瞬态受激布里渊散射效应的微波光子频率测量技术研究工作。

关键词：微波光子学超快微波频率测量频谱分析功率频率映射信道光学啁啾链

飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温研究进展

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 901-909页

作者：云胜章媛张盛张志斌邓岩岩田亮刘照虹刘硕张勇王雨雷吕志伟夏元钦河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401 河北省先进激光与装备重点实验室天津300401 河北工业大学能源与环境工程学院天津300401 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001

当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中,火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度,获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率,改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端... 详细信息

当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中,火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度,获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率,改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端制造业领域的不断发展,各种大型燃气轮机和超声速发动机的研发进入加速期,此类燃烧装置产生的火焰具有高温、高压、湍流超声速和持续时间短等特点。传统的接触式测温法难以对这类湍流燃烧场进行温度测量,近年以激光光谱法为代表的非接触式测温技术逐渐走向成熟,并获得了广泛地应用。与超短脉冲相结合的飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温技术凭借可提供高时间分辨率(每秒可提供上千个测温数据)、高测温精度和高测温灵敏度等优势而被应用到各种高温、湍流等复杂燃烧场景温度诊断中。文章概述了飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理,综述了该技术在稳态火焰、加热气体、模拟燃气轮机等燃烧环境中测温工作的研究进展,简要介绍了飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱的研究和应用,着重介绍了可以实现毫秒量级时间分辨率的飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射测温技术和混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理和应用进展。指出了三种测温技术的优缺点,并提出飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术目前需要关注并解决的技术问题,主要为在高温高压湍流燃烧等极端条件下实现高精度CARS光谱高保真反演出温度信息,以及高温高压湍流燃烧场极端条件下如何获得高信噪比CARS信号的问题。展望了今后的发展趋势:通过高时间分辨的测量,获得湍流火焰中温度的瞬时演化规律,并建立各种复杂火焰的温度演化信息数据库,为研究各种发动机机理提供支撑。

关键词：飞秒激光相干反斯托克斯拉曼散射光谱高温湍流燃烧场温度测量

基于飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射的非稳态燃烧场温度测量

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光学学报 2024年

作者：葛慧云胜章媛宋凯元王伟张盛夏元钦河北工业大学先进激光技术研究中心河北省先进激光与装备重点实验室哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室

飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱具有高时空分辨率、高精确度以及高光谱采集效率，是获得高温湍流燃烧场温度信息的高效工具。针对非稳态高温燃烧场的测温需求，本文利用飞秒啁啾探测脉冲整形相干反斯托克斯拉曼散射（fs CPP）测温方法... 详细信息

飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱具有高时空分辨率、高精确度以及高光谱采集效率，是获得高温湍流燃烧场温度信息的高效工具。针对非稳态高温燃烧场的测温需求，本文利用飞秒啁啾探测脉冲整形相干反斯托克斯拉曼散射（fs CPP）测温方法,对稳态和非稳态火焰在时间分辨为1 ms时分别进行温度测量，测量结果与热电偶以及文献报道的结果符合较好，其准确度达到1.5%，精确度达到4%，实现了对动态高温燃烧场的毫秒级温度监测，验证了飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射光谱在高温非稳态火焰温度测量的准确度和精度的优异性。为大型航空发动机以及超声速发动机进行高速温度测量以及对自制小型高温燃烧装置进行温度标定和性能研究提供了一种可行的方法。

关键词：非线性光学的诊断应用飞秒相干反斯托克斯拉曼散射非稳态燃烧温度测量

用于大尺度模型发动机高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 932-936页

作者：曹振于欣彭江波柳强杨顺华张顺平赵延辉李沛霖高龙张善春哈尔滨工业大学可调谐激光技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学光电子技术研究所黑龙江哈尔滨150001 清华大学精密仪器系北京100084 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

针对大尺度模型发动机试验台工作时间短(~百毫秒到秒量级)和激光能量要求高(>1 mJ)的特点,常规的紫外激光系统不能满足发动机燃烧流场精细化测量需求,要求用于高频平面激光诱导荧光(PLIF)测量的紫外激光系统同时满足脉冲串时间间隔短和... 详细信息

针对大尺度模型发动机试验台工作时间短(~百毫秒到秒量级)和激光能量要求高(>1 mJ)的特点,常规的紫外激光系统不能满足发动机燃烧流场精细化测量需求,要求用于高频平面激光诱导荧光(PLIF)测量的紫外激光系统同时满足脉冲串时间间隔短和激光输出能量高,并且系统具有高可靠性和环境适应性。设计了一套用于真实发动机地面试验台高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统,能够获取有效的火焰动力学数据。脉冲串紫外激光系统采用自主研制的脉冲串模式激光器泵浦染料激光器,具备能量监测、波长监测和片光分布监测等功能,可以校正激光参数对测量结果的影响。其中脉冲串模式激光器采用电光调Q、脉冲串模式和MOPA技术,使输出的泵浦激光具有高脉冲能量(~50 mJ@532 nm)、短脉冲宽度(~10.8 ns)和较高的脉冲串频率(20 Hz)。脉冲串紫外激光系统的串时间间隔为50 ms,是国外激光器脉冲串间隔时间的1/200;系统整体转换效率为6%,紫外单脉冲能量为2.95 mJ@283 nm,是国外连续脉冲激光器典型能量值的7倍。为满足发动机地面试验台测量需求,自主集成了工程可用的高可靠性移动式10 kHz PLIF测量系统,具有抗震、防潮和防尘等功能,提升了高频PLIF系统的环境适应能力。国内首次在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上实现了大尺度模型发动机燃烧流场远距离大视场成像测量(~15 cm),获得了高信噪比的氢燃料及乙烯燃料高动态燃烧过程可视化结果。未来可结合光谱图像特征提取与分析方法对其燃烧状态和动态过程开展研究,为发动机复杂流动燃烧机理研究、CFD仿真和发动机设计水平提升提供支撑。

关键词：燃烧诊断脉冲串激光器平面激光诱导荧光大尺度模型发动机

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增材制造TiAl合金的研究进展

金属学报 2024年第1期60卷 1-15页

作者：陈玉勇时国浩杜之明张宇常帅哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室哈尔滨150001

轻质耐热的TiAl合金是航空航天和民用工业等领域最具潜力的高温结构材料之一。然而,由于其低的延展性和断裂韧性,制造TiAl零部件具有挑战性。目前,增材制造工艺被认为是制造TiAl零件具有前途的技术之一。本文在介绍增材制造技术原理和... 详细信息

轻质耐热的TiAl合金是航空航天和民用工业等领域最具潜力的高温结构材料之一。然而,由于其低的延展性和断裂韧性,制造TiAl零部件具有挑战性。目前,增材制造工艺被认为是制造TiAl零件具有前途的技术之一。本文在介绍增材制造技术原理和特点的基础上,综述了激光金属沉积(LMD)、选区激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)制备TiAl合金的工艺-组织-性能关系,并对该技术未来的发展趋势进行了展望。

关键词： TiAl合金激光金属沉积选区激光熔化电子束熔化

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硫族MAX相硼化物的物相稳定性和性能预测

无机材料学报 2024年第2期39卷 225-232,I0001-I0003页

作者：张宇晨陆知遥赫晓东宋广平朱春城郑永挺柏跃磊哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室/复合材料与结构研究所哈尔滨150080 哈尔滨师范大学化学与化工学院哈尔滨150025

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te... 详细信息

Zr2SB、Hf2SB、Zr2SeB、Hf2SeB、Hf2TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物,与典型MAX相相比,具有明显不同的性质,因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M=Zr,Hf;A=S,Se,Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现,只有M2AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物,这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te,M−B与M−A键长逐渐增加,键刚度减小导致弹性模量降低。而且,这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是,最弱键和最强键的刚度比(kmin/kmax)较高,显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相,均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M2AB等压热容及热膨胀系数(TEC),均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低,这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系,而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。

关键词：第一性原理 MAX相硼化物物相稳定性力学行为热学性能

基于5 kHz平面激光诱导荧光的射流火焰局部熄火时空特性分析

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光学精密工程 2024年第9期32卷 1307-1319页

作者：高龙彭江波于欣杨超博曹振袁勋刘文备哈尔滨工业大学航天学院光电子技术研究所黑龙江哈尔滨150006

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值... 详细信息

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值等图像处理方法引入平面激光诱导荧光图像的预处理,在局部断裂结构数量特征的基础上,提取局部断裂结构长度和空间位置等特征;基于上述特征深入解析局部熄火的时空分布特性,进一步完善高频平面激光诱导荧光诊断与分析方法。研究表明:双边滤波算法处理后,图像峰值信噪比为34.3 dB,结构相似度为0.93,噪声水平显著降低,获得了较好的去噪效果;使用竖直滑窗局部自适应方法进行图像分割的F1分数达到93.30%;断裂结构累计数量随时间线性增加,当射流马赫数由0.5增至1.6时,单侧图像断裂结构的每秒累计数量从790.7增至9 217.2,并且局部熄火频率与射流马赫数呈指数关系;断裂结构主要分布区域为火焰臂及上侧中央燃料区。本研究进一步拓展了高频平面激光诱导荧光技术的应用能力,证明了高频平面激光诱导荧光技术用于局部熄火时空分布特性研究的可行性。

关键词：激光诱导荧光光谱诊断高速射流火焰 OH基局部熄火图像特征