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.     

飞秒激光偏振角及入射角对金属表面周期结构的影响

飞秒激光对金属Cu、Ag材料表面的烧蚀作用源于飞秒激光超高强的脉冲功率密度,基于表面散射波模型的理论,在实验上探究P偏振飞秒激光偏振角和入射角对金属表面周期性微纳光栅结构的影响.首次通过偏振角及入射角的双重改变,得到入射角阈值规律,并且得到斜入射时光栅周期随入射角增大的事实.     

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.     

飞秒激光微爆加工铌酸锂晶体

利用紧聚焦飞秒激光脉冲入射到铌酸锂（LiNbO3）晶体中引起微爆,可以在晶体内部进行微爆加工．与各向同性的熔融石英不同,因为铌酸锂晶体的各向异性,微爆加工点在垂直晶轴的截面上表现出强烈的各向异性．我们利用狭缝光阑对入射飞秒高斯光束进行整形,改变了光束的能量分布,成功地减小加工点的各向异性,获得尺寸较一致的微爆单元．另外发现由于折射率失配的存在,飞秒脉冲激光聚焦深度不一样时,微爆加工点在沿晶轴方向的截面形状和尺寸都有很大的变化,对此也进行了理论和实验上的分析．     

基于数字全息的金属薄膜热形变测量

提出了一种利用数字全息来检测飞秒激光脉冲激发金属薄膜产生的表面热形变的方法.主要研究了2束飞秒脉冲激光在低于烧蚀阈值的条件下激发金属薄膜表面所产生的热形变.通过菲涅耳离轴数字全息,记录金属薄膜表面在激光脉冲激发前后的2幅全息图.通过数值再现得出2幅全息图的相位差分布,再由相位差分布确定金属薄膜表面产生的热形变.实验结果表明,低于烧蚀阈值的条件下,飞秒脉冲激光激发金属薄膜的表面形变主要由热效应引起,其分布可以通过热传导微分方程和热弹性理论来模拟计算,数值模拟结果与实验结果相一致.在脉冲激光与物质相互作用及利用所提方法探测光热物理参数方面可以提供理论与实验支持.     

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．     

316L不锈钢表面微织构激光加工工艺参数

结合微织构对摩擦表面的减摩思想,基于套管电极的性能和材料,采用激光加工技术及正交实验法优化了纳秒激光对316 L医用不锈钢材料的加工工艺参数.将激光加工后的直线型沟槽的宽度和深度作为正交实验的2个指标,激光功率P、重复频率f、扫描速度v及扫描次数n作为正交实验的4种因素.实验结果表明:对于沟槽宽度,激光加工因素顺序为n...     

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。     

Effects of cavity-dispersion noncoaxiality on the generation of ultrabroadband femtosecond pulses

The effects of cavity-dispersion noncoaxiality （CDN） on the generation of ultrabroadband femtosecond pulses in KLM Ti：sapphire laser were investigated theoretically and experimentally. It was predicted that when the laser sub-cavity works near the coaxial operation point, the limitation of CDN on the bandwidth broadening is minimum, which is favorable for ultrabroadband pulse generation. On the basis of this prediction, femtosecond pulses with bandwidth of 650 to 1000 nm were directly generated from a home built KLM Ti：sapphire laser. To our knowledge, they are the broadest bandwidth pulses produced from KLM Ti：sapphire laser with similar oscillator configuration and gain crystal length of 3 mm.     

纳秒强激光烧蚀铝靶的数值模拟研究

为研究强激光对金属表面的破坏效应,文中利用热传导理论和相变的等效温度处理方法,建立了激光烧蚀金属过程的二维计算模型,并利用有限元分析方法对纳秒单脉冲强激光作用铝靶过程进行了数值模拟计算,获得了激光辐照下铝靶烧蚀形状和温度场分布特征. 结果表明,在激光单脉冲能量一定的情况下,脉宽越长,烧蚀形状愈加细长;大光斑的烧蚀半径要小于光斑尺寸,且光斑增大到一定程度后烧蚀半径因功率密度下降而减小.     

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。     

飞秒脉冲在磷酸二氢钾晶体中的色散特性

探讨飞秒脉冲在单轴晶体中的色散特性,根据主轴折射率色散方程,在不考虑晶体吸收及其他非线性作用的情况下,研究飞秒脉冲在磷酸二氢钾（monopotassium phosphate,KDP）晶体中的色散特性.由于晶体的色散,入射飞秒脉冲中不同频率的光波在晶体中传播时会引起不同的相位变化,从而改变出射脉冲的波形.通过数值计算得到飞秒脉冲在晶体中的传输特性,发现输出脉冲的脉宽、光强、展宽会随输入脉冲的中心波长、晶体的长度及脉冲光波的偏振方式等因素的变化而变化.所得到的结果,对于倍频研究、脉冲整形以及光学晶体器件的研发等具有一定的参考价值.     

FROG方法诊断飞秒脉冲的振幅与相位

详细讨论了一种基于二次谐波一频谱分辨光闸法 (简称SHG_FROG方法 )的矩阵迭代算法 ,实现了对飞秒脉冲的振幅和相位的诊断 ,得出其脉冲形状为双曲正割型、相位是时间的三次幂形式。     

磁控溅射ZnO薄膜的三阶非线性光学特性

采用磁控溅射技术在SiO_2衬底上制备ZnO薄膜,并通过X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外-可见分光光度计和荧光光谱仪对薄膜的晶体结构、表面形貌、带隙宽度和光致发光性质进行测试表征,结合飞秒激光(波长为800nm,脉宽50fs)和Z扫描方法测量该薄膜的三阶非线性光学特性.结果表明,其三阶非线性折射率和非线性吸收系数均为正值,分别为3.50×10-18 m2/W和2.88×10-11 m/W.     

阶跃相位整形的飞秒激光脉冲时间光强分布

利用飞秒超快脉冲相位整形方法,计算并研究了阶跃相位整形后激光脉冲的时域光强分布特点。研究结果表明,通过改变调制位置和调制深度,高斯激光脉冲可以整形形成强度可调的双脉冲结构,且子脉冲的中心时间和脉宽可以采用调制参数来调节。同时,研究发现阶跃位置的有效可调范围和激光的线宽密切相关。     

强激光烧蚀铝靶实验及数值模拟

为研究强激光对金属铝靶的毁伤效应及作用规律,进行了不同能量强脉冲激光烧蚀铝靶实验。采用纹影高速照相技术,观察了激光作用铝靶过程中形成的溅射产物和冲击波流场,获得了不同激光能量作用下铝靶的烧蚀特征。建立了强激光烧蚀铝靶的2维计算模型,对脉冲激光作用铝靶过程进行了数值模拟计算,获得了激光脉冲能量对铝靶烧蚀深度的影响规律。对连续强激光大光斑烧蚀铝靶过程进行了数值模拟计算,对比分析了有重力和无重力作用下烧蚀深度以及烧蚀形貌特征。结果表明,在重力作用下烧蚀深度小于无重力作用下的情况,而烧蚀面积大于无重力作用下的烧蚀面积。      

飞秒激光烧蚀炸药的冲击压力数值模拟

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体,飞秒激光烧蚀炸药技术可用于精密加工炸药元件和安全处理废旧弹药.为深入探讨飞秒激光烧蚀炸药作用规律,采用非线性有限元计算方法,建立了飞秒激光烧蚀炸药过程的起爆计算模型,对飞秒激光烧蚀LX-17和LX-10两种炸药过程进行了数值模拟计算,获得了不同飞秒激光能量作用下等离子体和炸药中的压力分布规律.计算结果表明,在飞秒激光烧蚀炸药的过程中,烧蚀产物等离子体和激光作用区外附近炸药的初始压力较高,但是由于激光烧蚀区域极小,炸药内冲击波压力迅速衰减,没有发生起爆现象.