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精准能量调控点环光斑激光加工头
【研究背景】 图1所示高斯光斑、平顶圆光斑和环形光斑作用在材料上的光强与温度场分布示意图,常规高斯光束能量分布不均匀,中心能量强边缘能量弱,使用高斯分布聚焦光斑进行激光焊接时,由于光斑中心部分吸收的激光能量高,材料容易熔化气化蒸发,从而产生飞溅、形成凹陷和空洞等缺陷。平顶光斑作用在材料上时,用于热传导的作用,还是会造成中心与边缘的温度场分布不均匀,焊接熔深呈现月牙分布。控制飞溅、凹陷和空洞等缺陷的关键因素是控制激光束的能量分布,减少中心材料温度和以及焊点中心和边缘的温度差。合理设计的环形光斑,有利于获得相对均匀性的温度场分布和相对均匀的熔深分布,减少飞溅、凹陷和空洞等焊接缺陷,是目前高端激光焊接应用的一个技术发展方向。 图1 不同光斑的光强分布和在材料上的温度场分布 【痛点问题】 现有基于摆动扫描方式和点环形模式可调光纤激光器,在一定程度上解决了激光焊接的飞溅问题,但是存在结构复杂,设备制造成本和维护成本高,而且不太适合高精密或大功率厚板的激光焊接。 【解决方案】 本成果从激光光学聚焦头的设计上,提出了申请专利技术的基于衍射光学元件和折射光学元件的环形光斑或点环产生方法,结构设计灵活方便,可适用于高精密激光焊接、高反射材料加工和高功率厚板激光焊接。 (1)基于衍射光学元件的环形光斑产生方法 为了解决能量分布不均匀以及光束敏感性的问题,本成果通过螺旋相位板产生涡旋光束来获得环形光斑进行焊接。螺旋相位板是一种具有固定折射率的透明板,其一面是平面结构,相对面具有螺旋形状结构,类似于旋转台阶,如图2所示。 图2 螺旋相位板结构 螺旋相位板其厚度随着方位角的变化而变化。高斯分布的激光束从螺旋相位板平面端面入射,光束中心与螺旋相位板中心对齐,出射的光束相位被改变,附加一个螺旋相位因子,能量分布变为环形分布,出射的光束变为涡旋光束,其中l为涡旋光束的拓扑荷数,影响涡旋光束能量较低区域的大小。螺旋相位板的台阶高度通常为微米量级,并且初始光束都是通过扩束系统扩束的,基本没有发散,因此,螺旋相位板对光束光强基本没有衰减,而只是改变光束的相位。利用螺旋相位板产生的涡旋光束解决了能量分布均匀性的问题,同时用螺旋相位板产生的涡旋光束的稳定性好,环形的能量分布特点,不容易受到外界其他因素影响,可以较为稳定地保持光斑均匀性。本成果具体产生涡旋光束的光路图如图3所示。表1给出了不同拓扑数涡旋光束的光场分布。 图3 产生涡旋光束的光路图 表1 不同拓扑数涡旋光束的光场分布 本成果设计加工了产生涡旋光束的衍射光学元件,通过组合获得了不同拓扑数的涡旋光束,图4给出实验生产的涡旋光束,相对其他方法产生的环形光斑,采用涡旋光束方式产生环形光斑的好处是,离开焦面还能保持环状光强分布。除了在激光增材制造有用外,这种光束未来在切割、焊接、打孔等方式都有应用,可以获得更好的温度场分布和更好的激光加工效果。 图4 实验生产的涡旋光束 (2)基于折射光学元件的环形光斑或点环光斑产生方法 图5为基于折射光学元件的环形光斑的产生方法,包括透射式的和全反射式的结构,后面根据不同的焊接温度场分布设计不同组合的环形光斑。 (a)三镜方案 (b)两镜方案 (c)单镜方案 图5 基于折射光学元件的环形光斑的产生方法
华中科技大学 2022-09-27
教师备授课系统 | 一键备课/精准教学
产品详细介绍
深圳伟东云教育科技有限公司 2021-08-23
典型城市系统氮物质流的时空特征与变化规律
北京师范大学环境学院徐琳瑜教授课题组研究成果在《Nature Communications》以研究论文(Research Article)形式在线发表。研究以广州为例,在城市生态系统层面构建氮物质流核算模拟模型,在不确定条件下全面刻画氮物质流过程,从活性氮产生、流动、积累、环境负荷等方面出发,分析了1995-2015年间氮平衡在源、通量和归趋上的变化。结果显示,人为扰动不仅强化了活性氮输入,而且极大改变了城市生态系统中活性氮的分布格局。以往全国尺度的研究认为活性氮主要累积于陆地中,而本研究发现在城市尺度活性氮大量富集于大气中,而不是陆地中。人工固氮(Haber-Bosch N fixation, HBNF)倾向于生产供人类消费的合成氨产品(如塑料、橡胶等),而不是用于生产农业用的化肥,进而导致合成氨产品在人类子系统中的积累。工业活性氮在人类子系统中迅速积累,这可能作为已有学者报道的全球未知氮汇的一种解释。 研究表明,在城市中应该更关注化石燃料燃烧、工业含氮产品、食品氮消费等引起的活性氮输入及环境损失。特别地,工业合成氨产品延缓了活性氮向环境的释放,这种由活性氮释放延迟引起的遗留效应(legacy effect)可能对环境和人类健康造成巨大威胁。因此,要提高工业合成氨产品的再利用率,降低工业合成氨产品生产、使用以及处理全过程中的活性氮损失。
北京师范大学 2021-02-01
基于深度时空分析的综合能源数据挖掘与预测技术
本成果针对城市水电气热等综合能源数据来源广泛,结构复杂,且与用户、时间、空间信息关系紧密的特点,构建了高性能综合能源数据分析平台,提出了细粒度的能源数据分析理论框架及方法,并将其应用于智慧城市建设。
南开大学 2021-02-01
典型城市系统氮物质流的时空特征与变化规律
北京师范大学环境学院徐琳瑜教授课题组研究成果在《Nature Communications》以研究论文(Research Article)形式在线发表。研究以广州为例,在城市生态系统层面构建氮物质流核算模拟模型,在不确定条件下全面刻画氮物质流过程,从活性氮产生、流动、积累、环境负荷等方面出发,分析了1995-2015年间氮平衡在源、通量和归趋上的变化。结果显示,人为扰动不仅强化了活性氮输入,而且极大改变了城市生态系统中活性氮的分布格局。以往全国尺度的研究认为活性氮主要累积于陆地中,而本研究发现在城市尺度活性氮大量富集于大气中,而不是陆地中。人工固氮(Haber-Bosch N fixation, HBNF)倾向于生产供人类消费的合成氨产品(如塑料、橡胶等),而不是用于生产农业用的化肥,进而导致合成氨产品在人类子系统中的积累。工业活性氮在人类子系统中迅速积累,这可能作为已有学者报道的全球未知氮汇的一种解释。 研究表明,在城市中应该更关注化石燃料燃烧、工业含氮产品、食品氮消费等引起的活性氮输入及环境损失。特别地,工业合成氨产品延缓了活性氮向环境的释放,这种由活性氮释放延迟引起的遗留效应(legacy effect)可能对环境和人类健康造成巨大威胁。因此,要提高工业合成氨产品的再利用率,降低工业合成氨产品生产、使用以及处理全过程中的活性氮损失。
北京师范大学 2021-04-10
“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统” 国家重大科研仪器
基于金属纳米粒子的局域表面等离激元因其高局域强度,小局域尺度,高灵敏度等特点,被大量应用在不同领域。但是,几个飞秒的超短模式寿命(dephasing time)大大限制了其应用的广泛性和实用性。该工作设计的多层结构实现了局域表面等离激元和传播表面等离激元的强耦合(图1(a))。动态数值模拟结果也清晰地证明在强耦合下局域表面等离激元模式和传播表面等离激元模式之间的能量交换。近场方面,光电子显微镜对表面等离激元模式进行直接成像,大大突破了原有的远场探测技术的限制。并且结合不同激发光源,实现不同维度的探测。结合波长可调的激光光源,光电子显微镜在频域记录下表面等离激元模式随波长变化的强度演化过程(图1(b))。结合超快泵浦探测技术,光电子显微镜在时域记录下表面等离激元模式随时间变化的演化趋势。该工作更加深入并直观地探测强耦合体系中的能量转换过程,并通过强耦合中失谐量的改变实现模式寿命的操控,相较于未耦合的局域表面等离模式,强耦合的模式寿命由6飞秒(10-15秒)提高到10飞秒。这一研究成果对进一步发展基于表面等离激元的人工光合成、生物传感等应用具有重要的指导价值。图1、(a)光电子显微镜和多层结构示意图,(b)远场和近场探测曲线、不同波长激光激发下光电子显微镜记录的局域表面等离激元模式分布图。 此研究是由北京大学和日本北海道大学共同合作完成,北京大学物理学院博士生杨京寰和重大仪器项目的国际合作者、北海道大学助理教授孙泉为该文章的共同第一作者,北京大学龚旗煌院士和北海道大学Misawa教授为共同通讯作者。除了自然科学基金委的国家重大科研仪器研制项目,该工作还得到了科技部、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、极端光学协同创新中心、“2011计划”量子物质科学协同创新中心、日本文部科学省及学术振兴会、北海道大学纳米技术平台等单位的支持。目前国家重大科研仪器研制项目“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”的研制正在有序推进中,已经取得了一批包括此工作在内的阶段性成果。该实验系统的核心仪器是附带低能电子显微功能的光电子显微镜(PEEM), 其激发光的波长覆盖范围从极紫外到近红外(图2)。下一步该实验系统有望在二维材料、光电材料与器件、表面介观物理等研究领域大显身手、发挥积极作用。图2、北京大学研究团队的飞秒纳米时空分辨系统
北京大学 2021-04-11
人口流动驱动新冠肺炎疫情在全国的时空分布
西南交通大学​​经济管理学院2017级硕士研究生袁韵在导师指导下与国内外多名教授共同合作研究,于伦敦时间2020年4月29日在国际顶级期刊《自然》(Nature)在线发表论文《人口流动驱动新冠肺炎疫情在全国的时空分布》(Population Flow Drives Spatio-Temporal Distribution of COVID-19 in China)。该论文构建了“人口流动-风险源模型”,模型能利用有关人口流动的匿名整合数据准确预测新冠肺炎疫情的扩散时间和地域分布,便于决策者进行有效地风险评估和资源分配。在开发该模型时,研究人员基于匿名移动电话位移数据,对在2020年1月1日至1月24日期间武汉流出或途经武汉的11478484人次进行了分析,这些人口迁移至全国31个省的296个地级市。他们的研究显示,湖北省的封城举措是非常正确的,它能及时控制传染源的传播,有效降低了各地疫情的风险。此外,研究人员发现,根据2020年2月19日武汉外流人口的分布,能够准确预测到全国新冠病毒感染者的相关频率和地理位置分布。此外,通过“人口流动-风险源模型”衍生出的一个疫情发展的基准趋势和一个指数,可以用来评估随着时间的推移不同地区新冠病毒传播的风险。与大多数流行病学预测模型不同的是,他们团队构建的模型基于人口的实际流动情况来预测疫情的地域分布和传播趋势。对于新冠肺炎疫情,该模型至少提前一周预测了全国范围内的病例感染情况和地理分布。团队的研究结果能够对各地疫情风险的大小进行预警,并探测出社区传播严重的地区,在疫情发展的早期为相关部门提供决策依据,以便其能够及时采取应急措施。论文作者在摘要中提到,任何国家的决策者都可以使用这种方法,利用现有的人口流动数据进行快速而准确的风险评估,并在疫情爆发之前规划有限的资源分配。本文的作者之一,美国耶鲁大学教授尼古拉斯·克里斯塔斯基称:“这项研究结果揭示了中国有关新冠病毒案例报告的准确性,从不同来源获得的完全不同的信息(移动通信显示的人口流动)可以很好地预测病例数,这符合流行病学的预期(至少在2月19日之前)。”该项研究发布后,国际上有BBC等30多个新闻媒体报道,国内媒体也有许多报道,其中,央视国际电视CGTN、中国日报、中国科学报、环球时报、文汇报、中新网等政府官方媒体都强调了这项研究对于疫情防控的重要意义。除了文章本身的学术贡献之外,该项研究也表明,中国的疫情研究是国际合作并且是公开透明的:论文于2020年2月18日提交至世界权威学术期刊《自然》并传递给相关的国际机构,第一时间与世界分享了我国抗击疫情的经验。此外,通过论文可以看出,我国武汉以外的疫情数据是有时空规律的,与第三方的手机流动性数据完全契合,以学术证据反驳了国际上的某些谣言和诽谤。
西南交通大学 2021-04-11
基于深度时空分析的综合能源数据挖掘与预测技术
本成果针对城市水电气热等综合能源数据来源广泛,结构复杂, 且与用户、时间、空间信息关系紧密的特点,构建了高性能综合能源 数据分析平台,提出了细粒度的能源数据分析理论框架及方法,并将 其应用于智慧城市建设。 项目特色:  统一高效的综合能源数据存储与计算服务平台,实现数据共享 和业务融合;  综合考虑用户的用电行为、用户间关联关系、时间、日期对用 户能源需求的影响进行建模;  融合分析用户多类能源的综合用电需求,并采用基于隐变量的 聚类算法在隐含用电需求空间中对用户进行聚类。市场应用前景: 建成统一高效的综合能源数据存储与计算服务平台,实现天津城 市电网结构化数据、非结构化数据、采集量测数据的统一存储,提出 的多因素能源使用特性细粒度分析框架,精细刻画用户的能源使用特 性,比传统方法具有更加丰富的涵义和可解释性。成果有效支撑天津 城市电网“十三五”期间的存储需求。为我国智慧城市综合能源数据 分析领域的技术进步发挥了巨大的推动作用
南开大学 2021-04-13
环形交叉口时空优化设计与信号控制技术
传统无信号控制环形交叉口适应于流量较小的交叉口,当流量增加时,往往成为城 市交通拥阻的主要发生地之一,国内大量环形交叉口面临改造问题。 本成果基于杨晓光教授首先提出并践行的“环形交叉口左转二次控制理论”,对环 形交叉口在空间上和时间上形成了优化设计技术,包括机动车交通和慢行交通空间设计 与信号控制技术,以及非常规环形交叉口的布局设计;以及信号控制中的主要参数相位 相序、绿灯时间、相位损失时间的计算方法。 成果给出了信号控制环形交叉口通行能力关键影响因素间的定量关系,可以最佳确 定绿灯间隔时间、环道左转容量等参数。并提出了信号控制环形交叉口直行与左转通行 能力的计算方法,在此基础上,可计算分析信号周期、中心岛半径与环形交叉口通行能 力的最佳组合。 本成果的应用将规范各类环形交叉口的交通秩序,改善城市交通面貌;极大地提高 环形交叉口的通行效率,缓解城市道路交通压力;避免对环形交叉口进行无谓改造,节 省城市建设资金,减少对城市环境等的破坏。
同济大学 2021-04-13
基于仿生视觉的时空超分辨率重建方法研究
目前现有方法通过对常规模型算法的修改,或引入诸多约束条件, 或对先验模型的简单概化、或通过学习(非生物)的方法获取先验知 识参与重建等,以解决时空超分辨率图像重建的求解病态或不适定问 题,仍不同程度地存在着一定的局限性。本项研究受蝇类视觉系统的 启发,与以往研究策略和角度不同,首先,有别于目前面向图像或视 频全域的时空超分辨率信息处理模式,基于生物视觉对感兴趣区域或 目标物体的注意机制,构建多序列图像的时空超分辨率仿蝇重建信息 处理系统模式。其次,通过超视锐度机理、大小场景系统、以及“共 
南京工程学院 2021-01-12
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