1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
采用单脉冲飞秒激光辐照单晶硅片和铜板，在材料表面产生烧蚀，并激发黑体辐射光谱。利用ICCD在纳秒尺度对激光诱导等离子体的辐射光谱进行测量，使用最小二乘法将采集光谱与普朗克曲线进行拟合，并用有限差分热扩散模型对温度变化曲线进行拟合，证明了黑体辐射法测量飞秒激光加工材料表面激光诱导等离子体温度的有效性。采用单脉冲激光（中心波长1030 nm，脉宽184 fs，1 mJ单脉冲能量）分别加工单晶硅片和铜板表面，测量了纳秒尺度时间分辨的激光诱导等离子体温度。对于单晶硅片和铜板，测量到以零时刻为中心的平均温度分别为231000 K和226000 K，衰减弛豫时间分别为4.41 ns和2.97 ns。
测量 激光材料加工 超快激光 光谱学 黑体辐射 温度测量 中国激光
2023, 50(24): 2402204
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Field Laser Physics and CAS Center for Excellence in Ultra-intense Laser Science, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
High-repetition rate femtosecond lasers are shown to drive heat accumulation processes that are attractive for femtosecond laser-induced subwavelength periodic surface structures on silicon. Femtosecond laser micromachining is no longer a nonthermal process, as long as the repetition rate reaches up to 100 kHz due to heat accumulation. Moreover, a higher repetition rate generates much better defined ripple structures on the silicon surface, based on the fact that accumulated heat raises lattice temperature to the melting point of silicon (1687 K), with more intense surface plasmons excited simultaneously. Comparison of the surface morphology on repetition rate and on the overlapping rate confirms that repetition rate and pulse overlapping rate are two competing factors that are responsible for the period of ripple structures. Ripple period drifts longer because of a higher repetition rate due to increasing electron density; however, the period of laser structured surface is significantly reduced with the pulse overlapping rate. The Maxwell–Garnett effect is confirmed to account for the ripple period-decreasing trend with the pulse overlapping rate.
laser materials processing femtosecond laser subwavelength periodic surface structures Chinese Optics Letters
2023, 21(5): 051402
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京 100049
金属玻璃是在熔融状态下急速冷却降温形成的新型合金，它具有优异的物理、化学性能，在航空、化工、**等领域具有巨大的应用潜力。金属玻璃的制备工艺已经十分成熟，不同基底以及大尺寸块状金属玻璃的制备已经实现，但其高质高效的加工还面临许多问题。高温、高应变条件下，传统的加工方式容易使金属玻璃发生晶化和氧化，导致材料失去优异性能，使金属玻璃的应用受阻。近年来，随着超快激光器件的成熟，超快激光加工以其热效应小、加工精度高、不容易发生晶化和氧化等特点，为金属玻璃高质高效、低损耗加工提供了可能。同时针对超短脉冲激光与金属玻璃相互作用的机理也有了更加深入的研究。本文主要介绍金属玻璃的特殊性能、超短脉冲激光加工金属玻璃的机理及研究现状，并对超短脉冲激光加工金属玻璃存在的相关问题进行了总结和展望。
激光加工 金属玻璃 飞秒激光 晶化 氧化 激光与光电子学进展
2021, 58(15): 1516027
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Technology Center, Huagong Laser Engineering Co., Ltd., Wuhan 430000, China
One-step precipitation of Ag nanoparticles in Ag+-doped silicate glasses was achieved through a focused picosecond laser with a high repetition rate. Absorption spectra and transmission electron microscopy (TEM) confirmed that metallic Ag nanoparticles were precipitated within glass samples in the laser-written domain. The surface plasmon absorbance fits well with the experimental absorption spectrum. The nonlinear absorption coefficient β is determined to be 2.47 × 10-14 m/W by fitting the open aperture Z-scan curve, which originated from the intraband transition in the Ag band. The formation mechanism of Ag-glass nanocomposites is discussed as well.
nonlinear optical materials laser materials processing microstructure fabrication Chinese Optics Letters
2021, 19(1): 011901
1 上海大学物理系, 上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
3 西安航天复合材料研究所, 陕西 西安 710025
一次性整体成型或传统的加工方式已不能满足聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维增强复合材料精密加工和装配的要求。首先分别采用波长为355 nm的紫外皮秒激光和波长为1030 nm的红外皮秒激光对PBO纤维增强复合材料进行切割加工,加工过程中采用渐进式焦点下移和多道扫描策略;然后采用扫描电子显微镜观察了复合材料的切割截面形貌,分析了材料的物理去除机制和加工热损伤;最后研究了激光功率、扫描速度和方向、脉冲重复频率等激光参数与切割质量、切割效率之间的关系。实验结果表明:紫外皮秒激光可以实现“冷加工”和光化学效应,得到了较高的切割质量;激光焦点随加工进程下移可以有效提高加工质量并改善材料切割表面的一致性。研究结果表明,采用8 W、400 kHz、1000 mm/s的激光参数可以进行高质、高效的材料加工。
激光技术 激光与物质相互作用 皮秒激光 聚对苯撑苯并双噁唑纤维增强复合材料 表面质量 热损伤 加工效率 中国激光
2020, 47(10): 1002004
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 上海大学物理系, 上海 200444
激光加工纤维增强复合材料的常见方法是切割、钻孔和表面处理等,本文综述了激光加工纤维增强复合材料的国内外研究进展,重点聚焦碳纤维增强复合材料的激光加工方法,阐述了激光加工纤维增强复合材料的特点和物理去除机制,总结了激光工艺参数对加工质量和加工效率的影响规律,最后展望了激光加工纤维复合材料的发展与挑战。
激光光学 激光加工 纤维增强复合材料 激光与物质相互作用 热损伤 加工效率 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111432
1 南京航空航天大学机电学院, 南京 江苏 210016
2 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
讨论了国内外提高抗激光损伤性能的技术方法,指出不同方法的优势。主要从微观组织、材料体系、涂层制备方法、损伤阈值、反射率和吸收率等几个角度展开论述。综述了不同材料制备的涂层提高抗激光损伤性能的研究进展,从微观组织、组织颗粒、新研究方法方面展望未来的研究方向:研究颗粒直径对抗激光损伤性能的影响,并将MATLAB、ANSYS等软件应用到提高抗激光损伤性能研究领域。
材料 抗激光损伤性能 激光材料制造 微观形貌 保护涂层 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 110002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室, 上海 201800
4 上海大学物理学院, 上海 200444
采用高温热熔融法制备了CdTe量子点掺杂的硅酸盐玻璃, 测试了其拉曼、吸收和发射光谱, 验证了量子点掺杂玻璃的量子尺寸效应。在飞秒激光（800 nm和960 nm）激发下, CdTe量子点掺杂玻璃产生了上转换荧光, 证明了其为双光子吸收诱导发光, 发现双光子荧光对激发波长有一定的范围要求, 测得CdTe量子点掺杂玻璃的非线性吸收系数可达3.62×10-11 m/W。
材料 量子点 硅酸盐玻璃 上转换荧光 双光子吸收 中国激光
2018, 45(10): 1003003
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 华工激光工程有限责任公司技术中心, 湖北 武汉 430000
3 中国科学院大学, 北京 100049
超短脉冲激光可以直接对玻璃进行焊接,不需要在两片玻璃之间添加吸收介质,也不需要对材料进行热处理,应用前景广阔。利用飞秒激光热累积效应成功实现了石英玻璃之间的焊接,研究了激光重复频率和激光功率对玻璃焊接质量的影响。石英玻璃焊接区由3部分构成,包括顶部的圆形空腔、中部的熔融区域和底部的线形损伤结构,石英玻璃的焊接强度是3部分结构共同作用的结果。实验表明:在保持激光重复频率为500 kHz时,熔融区面积随着激光功率的增大而增大,但是焊接强度出现了先增大后减小的趋势;在保持激光功率为4.14 W时,熔融区面积和焊接强度随激光重复频率增长而减小。此外,还实现了铝硅酸盐玻璃之间和钠钙玻璃之间的焊接,并对不同成分玻璃的焊接端面形貌进行了对比。
激光器 飞秒激光 玻璃焊接 热累积 焊接强度
1 上海大学物理系, 上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术研发中心, 上海 201800
采用飞秒激光脉冲辐照不同羟基浓度的纯石英玻璃, 诱导其内部产生缺陷。系统研究了羟基浓度、激光脉宽和激光功率对缺陷类型和浓度的影响。石英玻璃的显微荧光谱、吸收谱和发射谱测试表明, 飞秒激光诱导石英玻璃可以产生非桥氧空穴中心(NBOHC)、非弛豫氧空位[ODC(Ⅱ)]和E′心3种缺陷; 低羟基浓度石英玻璃易产生ODC(Ⅱ)缺陷, 高羟基浓度石英玻璃易产生NBOHC缺陷。用波长为254 nm的紫外灯激发飞秒激光辐照后的高羟基浓度石英玻璃可观察到明显的红色荧光(波长为650nm), 其发光强度与飞秒激光的脉宽和功率相关, 发光强度随激光脉宽的增加先增加后减小, 随激光功率的增加先增加后趋于平缓。
激光制造 飞秒激光 激光与物质相互作用 荧光 羟基 纯石英玻璃 缺陷
