1 1.江苏大学 新材料研究院, 镇江 212013
2 2.江苏大学 先进制造与现代装备技术研究所, 镇江 212013
3 3.江苏大学 机械工程学院, 镇江 212013
4 4.江苏大学 微纳光电子与太赫兹技术研究所, 镇江 212013
为改善碳化硅的表面润湿性能, 本研究利用脉冲激光加工表面处理和化学改性分别改善了碳化硅的表面形貌和表面能。实验选用皮秒激光加工方式构造表面微织构, 利用激光共聚焦显微镜分析了微织构的微观形貌, 并进一步分析了烧蚀形态与激光自身特性和加工参数之间的联系。研究发现, 激光加工效果以烧蚀为主, 重熔为辅, 而由于碳化硅烧蚀阈值和激光能量在光斑中的高斯分布特性, 形成的微织构的烧蚀凹槽呈倒三角形。此外, 选用的氟硅烷修饰剂使碳化硅表面从亲水表面转变为疏水表面; 通过改变加工参数获得不同微织构并进行氟硅烷修饰后, 碳化硅表面接触角最大提高到157°, 达到了超疏水效果。为了进一步探讨微织构对疏水性的影响原理, 提出了一个基于实际形貌参数的固液接触角模型。该模型阐释了接触角随微织构特征参数变化的机制, 固、气、液两两之间的接触面积影响了表面润湿性, 这为寻找具有最佳疏水性能的微织构提供了新的理论指导。
碳化硅 微织构 疏水性 皮秒激光加工 silicon carbide micro-texture hydrophobicity picosecond laser processing
碳化硅具有优秀的物理化学性能，是制作耐高温高压电子器件的关键材料，应用前景广阔。碳化硅硬度大，传统的机械切割存在崩边大、芯片破损和晶圆利用率低等问题，隐形切割因切割质量好和加工效率高脱颖而出。在多脉冲模式下采用控制变量法研究了碳化硅晶圆隐形切割时激光单脉冲能量、进给间距、脉冲重复频率、脉冲宽度和扫描速度对上下表面烧蚀道宽度、崩边尺寸和断面形貌的影响规律。针对多脉冲模式下存在的崩边大和断面粗糙度高等问题，采用脉冲串模式切割。结果表明，脉冲串模式可以更有效地实现内部改质，从而减小崩边，降低断面粗糙度。
激光技术 超快激光 碳化硅 隐形切割 脉冲串模式 崩边 断面粗糙度 中国激光
2023, 50(20): 2002405
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院，江苏 镇江 212013
镁合金具有比强度高、可加工性好等优势，但其耐蚀性欠佳，成为阻碍其进一步推广应用的瓶颈。采用纳秒激光在AZ91D镁合金表面进行微织构加工，并辅以低温热处理，获得了不同润湿性的表面。通过表征不同润湿性镁合金的表面形貌和成分、静态接触角以及耐蚀性，研究了镁合金表面激光调控润湿性的方法以及镁合金耐蚀性提高的机理。实验结果表明：激光加工和后续的低温热处理促使表面的C元素含量升高；表面形貌和表面C元素可以协同调控表面的润湿性；激光加工可以促使镁合金表面形成氧化膜，有助于提升镁合金的抗盐雾腐蚀能力；亲水性微织构表面的耐蚀性优于原始表面；超疏水Cassie表面具有优异的抗盐雾腐蚀性能，这是由于盐雾液滴在其表面的停留时间短。
激光技术 激光微织构 润湿性 盐雾腐蚀 热处理 腐蚀层 中国激光
2023, 50(16): 1602205
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院，江苏 镇江 212013
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
基于空间光调制器外光路分束进行并行加工是提高超快激光加工效率的有效方法。高均匀度分束算法是实现外光路分束的关键。在实际光路中，由于光路不完全满足理论条件，经典的GS算法生成的多光束均匀度远低于理论值，不满足阵列化激光加工的要求。基于GS?GA算法的思想与图像处理技术，在程序设计中引入了实时反馈的功能，以达到提高分束均匀度的目的。并采用加载菲涅耳透镜相位的方式分离零级光，避免重建光场离轴带来的畸变。最终实现了均匀度接近94%的分束，并通过加工实验验证了高均匀度分束算法在精密加工中的应用效果。
激光技术 空间光调制 分束整形 超快激光精密加工 遗传算法 GS算法 中国激光
2023, 50(16): 1602401
红外与激光工程
2023, 52(2): 20220782
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013
铝合金由于其优良的物理化学性能，在工业生产中得到了广泛应用，但铝合金的高反射率和高热导率限制了激光加工技术在铝合金精密加工中的应用。采用控制变量法研究了铝合金单步法旋切打孔技术中的激光重复频率、扫描次数、扫描速度、进给次数对微孔出入口形貌和锥度的影响规律。针对铝合金单步法旋切打孔中存在的锥度大和出入口形貌差等问题，提出了三步法旋切打孔方法。结果表明，该方法可以有效地减小微孔的锥度，改善出入口形貌，减少孔口周围的飞溅物堆积。主要原因是该方法可以有效地促进打孔过程中熔渣和等离子体的排出，减少其对激光能量的扰动，提高了激光能量的稳定性和均匀性。
激光技术 飞秒激光 旋切打孔 铝合金 锥度 中国激光
2022, 49(22): 2202020
薛钊 1,1,2,2张海婷 1,1,2,2杨茂生 1,1,2,2宋效先 1,1,2,2,3,">">*[ ... ]姚建铨 1,1,2,2,3,3
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院，江苏 镇江 212013
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
设计了一种基于图形化石墨烯的太赫兹吸收器，呈现出可调谐超宽频的吸收特性。其顶部为超薄石墨烯层，中间为电介质层，底部为金层。通过改变中间介质层的厚度和顶层石墨烯的费米能级，对太赫兹吸收器进行设计与仿真，而石墨烯的费米能级可以通过改变栅极电压来调控。结果表明，该吸收器在低频部分呈现超宽频吸收，当吸收器的介质层厚度为30 μm时，吸收特性达到最优，并且通过改变石墨烯的费米能级，能够动态调控吸收器的吸收特性，使得吸收峰值点和带宽发生动态变化，吸收峰值点在431 GHz区间内移动，实现了吸收器的可调谐功能。当石墨烯的费米能级为0.4 eV时，吸收率超过90%的频带宽度为1.8744 THz，吸收器峰值吸收率为99.3357%，达到了完美吸收。
光谱学 太赫兹波 吸收器 图形化石墨烯 可调谐宽光谱 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0530002
Author Affiliations
Abstract
1 School of Opto-electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China
2 College of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
3 Department of Physics, School of Science, Shanghai University, Shanghai 200444, China
4 School of Telecommunications, Qilu University of Technology, Jinan 250306, China
5 Institute of Micro-nano Optoelectronics and Terahertz Technology, College of Information Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
6 e-mail: haiyun1990yao@163.com
7 e-mail: 2111803010@stmail.ujs.edu.cn
8 e-mail: lianglanju123@163.com
Biosensors are a focus of research on terahertz metasurfaces. However, reports of ultra-sensitive biosensors based on Dirac points are rare. Here, a new terahertz metasurface is proposed that consists of patterned graphene and perovskites. This serves as an ultra-sensitive Dirac-point-based biosensor for qualitative detection of sericin. Theoretically, sericin may make graphene n-doped and drive the Fermi level to shift from the valence band to the Dirac point, causing a dramatic decrease in conductivity. Correspondingly, the dielectric environment on the metasurface undergoes significant change, which is suited for ultra-sensitive biosensing. In addition, metal halide perovskites, which are up-to-date optoelectronic materials, have a positive effect on the phase during terahertz wave transmission. Thus, this sensor was used to successfully detect sericin with a detection limit of 780 pg/mL, achieved by changing the amplitude and phase. The detection limit of this sensor is as much as one order of magnitude lower than that of sensors in published works. These results show that the Dirac-point-based biosensor is a promising platform for a wide range of ultra-sensitive and qualitative detection in biosensing and biological sciences.
Photonics Research
2022, 10(2): 02000280
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院, 江苏 镇江 212013
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
基于不同形状和大小的谐振环对电磁场具有不同的响应原理,设计了对4个频带具有电磁响应的、由圆形谐振环结构组成的太赫兹吸收器。采用时域有限差分法(FDTD)研究了该吸收器的特性,通过改变顶层金属环形图案几何尺寸、中间层电介质厚度以及顶层金属圆环处的硅电导变化率,对太赫兹多频带吸收器进行设计与仿真。在耦合后的多频吸收器的吸收峰中,低频部分被完美吸收,高频部分吸收率由70%增至94%。同时,随着电导率变化,低频分别从0.775 THz和1.064 THz移动到0.697 THz和1.017 THz,分别移动了78 GHz和47 GHz,实现了连续频率调谐。
材料 太赫兹波 超材料吸收器 隐身材料 电导率 中国激光
2019, 46(12): 1214003
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院, 江苏 镇江 212013
梯度润湿性表面能够自主驱动液滴进行可控的定向流动,具有重要的应用价值。采用纳秒激光在304不锈钢表面加工微结构,并辅以低温热处理方法,获得了激光快速加工梯度润湿性表面。采用扫描电子显微镜、能谱分析和接触角测量仪分别观察和表征了加工表面的微结构、化学成分及接触角,采用高速相机观察液滴在梯度润湿性表面的流动状态。实验结果表明:采用激光加工后,表面C元素含量是影响表面亲疏水性的重要因素;对于304不锈钢,激光加工后通过200 ℃的短时加热,可以促进表面C元素含量发生快速变化,实现接触角的快速固化;合理设计靶材表面的微结构,可以获得具有不同接触角的均匀润湿性表面;通过合理设计表面微结构的分布,可以获得不同润湿性梯度的表面;通过改变表面微结构的分布,可以控制靶材表面液滴的流动距离和流速。
激光技术 激光微织构 润湿性 热处理 梯度 流体流速 化学成分 中国激光
2019, 46(10): 1002001
