飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用

所谓飞秒激光微纳加工,即运用超短脉冲激光的紧聚焦获得的焦点具有超高能量密度,同材料在微尺度的状态下产生非线性反应,对材料产生诱导作用,出现"改性"及"成型"等状况。飞秒激光加工技术优势明显,在材料加工领域内得到了广泛的应用,受到格外的关注与重视。该文在这一基础上,就飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用作简要论述。     

飞秒激光诱导Al_2O_3陶瓷表面微纳结构及润湿特性研究

飞秒激光以其极短脉宽和极高的峰值功率几乎可以胜任任何材料的加工.利用飞秒激光微加工平台,通过单点烧蚀和线扫描微加工的方式,在工业级氧化铝陶瓷材料表面诱导出随机分布的纳米结构和条纹结构,条纹结构的周期约为314 nm.文章研究了激光脉冲个数、扫描速度和偏振方向等参数对氧化铝陶瓷表面微纳结构形成的影响.结合激光直写技术,在陶瓷表面诱导出大面积的微纳结构分布,分析了加工前后陶瓷表面润湿特性的变化,实现了陶瓷表面改性.     

多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究

为了提高飞秒激光微加工的精度,研究了多脉冲飞秒激光烧蚀积累效应形成的机理。以铜靶为例,利用时域有限差分法(FDTD)对双温方程进行求解,得到了电子、离子亚系统温度及激光烧蚀阈值随反射率变化的规律。结果表明:在多脉冲激光烧蚀中前一个脉冲激光破坏了靶材表面的结构,使激光的反射率下降,导致后一脉冲激光烧蚀阈值大幅度下降。这解释了多脉冲飞秒激光烧蚀中烧蚀阈值不断变化的现象。同时,它表明在多脉冲飞秒激光加工过程中,我们必须考虑反射率的变化对激光烧蚀的影响才能实现高精微加工。     

基于纳飞秒双脉冲激光的蓝宝石蚀除研究

蓝宝石作为一种典型的宽带隙半导体材料具有良好的理化特性,在机械电子、航空航天、微电子等领域具有广阔的应用前景.本文提出采用纳飞秒双束激光进行蓝宝石加工的方法,利用飞秒脉冲峰值功率高的特性,通过多光子电离与碰撞电离,激发蓝宝石表面自由电子从而提高了蓝宝石对纳秒激光的吸收率,同时利用纳秒激光能量相对较大,技术成熟的优势,实现对蓝宝石材料的高质高效加工.为了揭示纳飞秒双束激光与蓝宝石材料的能量耦合机制,采用Fokker-Plank方程、Drude模型、双温模型对飞秒激光诱发的自由电子的演化过程及自由电子与入射激光之间的相互作用进行研究,并通过有限元仿真模拟了纳飞秒双激光与蓝宝石材料相互作用的能量耦合过程与蚀除过程,分析了纳飞秒双脉冲激光作用下,不同脉冲延时下等离子浓度的时空演化规律及其对入射激光吸收系数及反射率等表面光学特性的影响规律,揭示了纳飞秒双激光高效高质加工蓝宝石材料的机理.该研究对实现蓝宝石等宽带隙半导体等脆硬材料的高质高效加工具有重要意义.     

飞秒激光声光扫描

飞秒激光的声光扫描具有快速、高精度和高重复性的优点，在显微成像、微细加工和光存储等领域具有广泛的应用前景，但受到严重色散效应的制约．该文综述了飞秒激光声光扫描研究的最新进展，给出了飞秒激光经声光扫描后的时空间色散与时间色散效应基本描述，介绍了飞秒高斯脉冲经声光扫描后脉冲宽度演化的理论进展，分析了各种用于飞秒激光声光扫描的色散补偿技术的特点，最后介绍了目前面临的挑战．     

短脉冲激光加工微结构及其成型技术研究（英文）

短脉冲激光具有高精度、非接触和高可控性等优点,可以针对各种材料进行表面精细加工。如在医用钛合金表面加工出不同形貌、尺寸的微结构,能够有效地改善植入物表面生物活性。利用短脉冲激光在材料加工上的优势,开展了纳秒激光脉冲烧蚀试验,探究纳秒激光与钛合金间的相互作用。阐明钛合金表面火山坑微结构的形成机理,并开展多脉冲激光参数试验,研究激光参数对微结构成型的影响,建立参数与特征尺寸间的映射关系。该研究可以获得具有特定尺寸、高加工质量的微结构,有助于短脉冲激光微加工技术的应用,具有良好的学术和工程意义。     

基于PC平台的高精度激光微加工系统的研制

介绍了自主设计高精度皮秒激光微加工系统及其控制单元。首先在加工系统整体方案的设计上充分考虑了激光器的选择、光束质量、控制方式等对加工精度的影响。将高斯光束转化为平顶光束引入激光微加工。其次使用了一种位置比较脉冲的光机同步技术,使得激光脉冲在空间上均匀分布,改善了加工效果。最后在系统中加入了路径规划、实时监测及同步显示等功能,实现系统加工线宽达到3.64μm,绝对定位精度小于1μm的激光微加工。     

飞秒激光在蓝宝石晶体表面加工微细结构的实验研究

由于蓝宝石晶体具有很高的硬度和耐磨蚀性,很难进行机械和化学腐蚀加工。笔者利用波长780 nm、频率1 kHz和脉冲宽度164 fs的飞秒脉冲激光在蓝宝石晶体表面进行了微细结构加工的实验研究。采用飞秒激光静态照射蓝宝石晶体表面,通过飞秒激光烧蚀孔的直径和脉冲能量的关系,计算了飞秒激光烧蚀蓝宝石晶体的两种烧蚀状态下的烧蚀阈值和有效烧蚀半径。通过直线扫描实验,在不同实验条件下在蓝宝石晶体表面加工微槽,获得微槽的宽度和深度与飞秒激光主要参数之间的关系。研究结果表明,微槽的加工表面可通过增加扫描次数而得到明显的提高,且扫描次数的增加对微槽的宽度和深度基本无影响。利用聚焦的飞秒激光束沿着轨迹扫描,在蓝宝石晶体表面加工出比较清洁的微小结构,可以为实现微结构的精密加工提供指导。     

YAG激光在不锈钢上打孔质量影响因素分析

激光打孔是目前小孔加工中应用广泛的加工方法,其加工孔径可以小至几微米。本文利用YAG激光在1mm厚的不锈钢材料00Cr25Ni20上进行打孔试验,记录上下孔径的测量数据,并采用无交互作用的正交试验方法系统分析了激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率等因素对激光打孔上、下孔径的影响程度,为激光打孔工艺参数的选择提供了依据。     

PZT压电厚膜的飞秒激光烧蚀及图形化研究

利用飞秒激光实现了对PZT厚膜(十几至上百微米)材料的精确烧蚀和图形化研究.飞秒激光脉宽为130fs,重复频率为1kHz.首先利用飞秒激光脉冲能量与烧蚀点大小的关系,得到飞秒激光烧蚀PZT厚膜的能量阈值为100J/cm2,然后利用功率为50～300mW的飞秒激光对PZT压电厚膜进行烧蚀和图形化研究.结合飞秒激光加工的无热影响和无掩膜等特性,在一定的扫描控制下,可以实现对PZT厚膜高精度和高效率的加工.最后,在功率为300mW、扫描速率为5mm/s条件下实现了对PZT厚膜驱动器的图形化.经测试表明,图形化以后,PZT驱动器驱动性能有明显(30%)地提高.     

激光微加工技术在惯性约束聚变研究中的应用

介绍了激光微加工技术的发展及应用概况,重点阐述了利用激光微加工技术制备惯性约束聚变研究中X光成像所用针孔、针孔阵列、狭缝及靶元件的实例,分析了影响加工质量的相关因素,提出了进一步拓展该项应用技术的方向。     

利用双温模型理论分析飞秒激光烧蚀金过程

为了了解飞秒激光脉冲烧蚀金过程中的电子温度和晶格温度变化。利用显式有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金的过程中电子和晶格的温度场进行一维数值计算。理论研究了不同激光脉宽和电声耦合系数对金属表层电子和晶格温度的影响,同时还研究了双脉冲激光烧蚀金过程中电子和晶格温度的变化。得出激光脉冲越短,加工热效应越小,多脉冲具有热累积效应。因此,为了实现飞秒激光冷加工,应该采用单个超短脉冲降低热效应。     

300 MHz、139 fs全光纤超短脉冲激光器

高重复频率超短脉冲光纤激光器在高效加工、生物光学成像等方面具有广泛的应用价值。报道了基于非线性偏振演化效应的高重复频率、百飞秒、集成化光纤激光源。通过集成结构实现重频300.25 MHz、脉冲宽度139 fs的脉冲激光。在384.2 mW的平均泵浦功率下,该激光器连续工作12 h,光谱输出形状未发生变化。其中在6 h内,重复频率漂移量约为25 Hz。此外,该激光器在泵浦功率为512.8 mW时,可以实现自启动,因此,这种结构简单,高重复频率的超短脉冲锁模光纤激光器是一种具有广泛应用潜力的激光源。     

利用飞秒激光烧蚀加工金属掩模板

本论文主要描述了飞秒激光加工的特征和机理,应用高重复频率、低能量的飞秒脉冲来直接烧蚀金属铬膜层。用放大倍数/数值孔径为10×/0.25的显微物镜对中心波长为812nm、脉冲宽度为90fs、重复频率为75MHz的飞秒脉冲进行聚焦后,对玻璃基底厚度为145nm铬膜层进行烧蚀,制成了线宽为5μm、周期为40μm的栅格状掩模板和空间点阵结构掩模板,加工的金属铬掩模板可以作为透射式光学元件使用,测得了掩模板的衍射图样。这一研究对于加工微电子模板和微光学元件有着应用的价值。     

飞秒激光在银膜表面诱导亚波长周期条纹的超快成像研究

采用440 nm空间分辨、亚皮秒时间分辨的泵浦探测成像技术,本文研究了800 nm飞秒激光脉冲照射银膜表面后亚波长周期条纹的形成动力学.分析了1~6个飞秒脉冲照射下银膜表面条纹结构的演化过程.第一个激光脉冲在薄膜表面诱导凹槽等缺陷结构;第二个激光脉冲以后表面开始出现亚波长周期条纹,并且在更多脉冲照射时进行纵向和横向生长.条纹在50~70 ps以后开始出现,随延迟时间增加不断加深变长,在演化过程中条纹位置保持不变;形成过程在1 000 ps内基本结束.研究结果表明,飞秒激光在薄膜表面诱导凹槽等缺陷结构在后面的激光脉冲照射表面过程中激发了表面等离激元,进而导致的周期性能量沉积在亚波长周期条纹形成过程中起了关键作用,材料表面的熔化导致了之前形成的条纹变浅以及部分消失.     

飞秒脉冲通过体全息光栅弱耦合衍射特性分析

由Kogelnik单色衍射效率公式推导出了飞秒激光脉冲光在弱耦合情况下的衍射效率频谱,分析了飞秒激光脉冲通过体全息光栅弱耦合衍射特性。衍射光的频谱分布与读出飞秒脉冲的宽度Δτ、体全息光栅的周期Λ,厚度d以及晶体折射率调制度Δn0有密切关系。通过控制光栅的写入和读出过程,选择适当的参量数值,可以得到不同衍射强度和不同频率成分的衍射光。对于研究飞秒脉冲光通过光折变光栅传播特性以及飞秒超短脉冲用于光学信息处理有应用意义。     

飞秒激光烧蚀透明材料特性

飞秒激光的超短超强特性使它在烧蚀透明材料的机制上与长脉冲有着本质的区别,飞秒激光的烧蚀闽值由导带内的自由电子数确定,在多光子电离和雪崩电离的基础上,模拟计算出不同脉冲宽度下,融石英的烧蚀闽值。     

钛宝石飞秒激光系统及其应用

目前最为成熟的飞秒激光系统是基于啁啾脉冲放大技术（CPA）的太瓦级钛宝石飞秒激光系统。本文以东莞理工学院光电子技术实验室的钛宝石飞秒激光系统为例,主要介绍飞秒激光系统的组成和一些主流应用,为飞秒激光系统的搭建与商业化提供了可参考的路线和方向。     

超衍射相位板设计

对超衍射理论进行了研究和分析,通过利用优化算法设计了对应于横向、纵向,特别是三维超衍射的3种二元相位元件;模拟结果表明在飞秒激光微加工系统中,考虑双光子效应,这种相位元件的超衍射性能尤为理想.讨论了光源的光谱范围对相位元件超衍射效果的影响,结果表明当光谱较窄时,超衍射性能几乎与使用单波长光源时一样.所设计的超衍射相位元件可以应用于飞秒激光加工系统.     

脉冲激光加工氮化硅陶瓷表面形貌影响

脉冲激光加工作为一种高材料去除率的非接触加工技术,相较于传统机械加工技术,在陶瓷复杂结构的制备方面有广泛的选择性.利用不同规格参数的脉冲激光在氮化硅表面加工出沟槽结构,并通过三维超大景深显微系统观察烧蚀后的表面形貌,以此阐述脉冲激光单项参数对于氮化硅陶瓷加工表面的作用.结果表明,激光功率的改变对于氮化硅陶瓷加工表面有着显著的影响,伴随激光功率的提升,其作用于材料的深度越大.当激光功率提升至35W时,激光作用深度最高涨幅达181.3%.激光扫描速率的减慢对于沟槽表面质量提高同样具有积极作用,表面形貌会随着激光扫描速率的减慢而有所改善.