1 中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京 100083
2 北京市全固态激光先进制造工程技术研究中心，北京 100083
3 中央民族大学 理学院，北京 100081
4 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
透明硬脆材料由于其优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性以及光电性能，广泛应用于半导体与电子领域。传统透明硬脆材料切片方法效率低、材料损耗大，制约了硬脆材料的推广应用。激光剥离技术是近年来新兴的一种透明硬脆材料切片新方法，较传统金刚线切割方法大幅提升硬脆材料的切片效率和材料利用率，目前已发展成为硬脆材料激光加工领域学术研究与产业应用的焦点。文中深入分析透明硬脆材料激光剥离物理过程，归纳激光剥离过程关键科学问题：透明硬脆材料对激光的非线性吸收、激光作用下材料内部微观结构演化与缺陷扩展规律，以及激光光场调控对材料改质影响机制等。基于这些科学问题，综述了近年来激光剥离不同类型透明硬脆材料的研究进展，目前用于激光剥离的材料已涵盖了SiC、Si、GaN、金刚石等半导体材料，蓝宝石、多晶Al2O3、氧化锆等陶瓷材料，激光剥离技术已发展出超快激光双脉冲诱导剥离、超快激光-化学辅助剥离、多激光复合剥离等。激光剥离物理过程是一个典型的激光-材料-热学-力学多学科交叉问题，尽管在实验结果方面获得了显著突破和迅猛发展，但目前对于工艺机理仍缺乏深入的理论与数值建模研究。未来透明硬脆材料激光剥离技术将会朝着百微米以下超薄厚度剥离、改质层低损伤、工艺自适应等方向发展，将为半导体与电子等领域快速发展提供更大的技术支撑。
超快激光 硬脆材料 剥离 非线性吸收 缺陷扩展 光场调控 ultrafast laser hard and brittle materials splitting nonlinear absorption defect extension optical field modulation 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230487
1 中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 北京市全固态激光先进制造工程技术研究中心，北京 100083
针对航空复合材料挖补修复工艺对损伤区高效高质量去除的需求，研究了碳纤维复合材料纳秒脉冲激光剥蚀机理、工艺优化和缺陷控制方法，基于各向异性传热原理研究了激光扫描角度对材料去除率的影响规律，探索了激光扫描速度和填充间距对非匀质材料的热-机械剥蚀的影响机制。结果表明：碳纤维复合材料显著的各向异性传热使得去除深度随激光扫描角度的增大而减小，激光扫描角度为0°时去除深度为220 μm，激光扫描角度为90°时去除深度为150 μm；由于热-机械剥蚀的混合作用，两个方向上的光斑搭接率存在临界值，在该临界值处材料去除效率出现峰值。进行了18层的阶梯形去除，精度控制在±20 μm。通过实验测试与数据分析，优化了碳纤维复合材料逐层精细剥蚀扫描策略与工艺方案，为碳纤维激光精细制造提供了参考。
激光技术 脉冲激光 碳纤维复合材料 挖补修复 热-机械剥蚀 逐层去除 中国激光
2022, 49(10): 1002405
1 中国科学院光电技术研究所自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院半导体研究所全固态光源实验室, 北京 100083
3 中国科学院大学, 北京 100049
基于烧蚀气化材料去除机理, 利用高重复频率脉冲激光对低热导率树脂基涂漆的定量去除进行理论及实验研究。研究了二维振镜系统激光清洗扫描方式的选取, 以及脉冲激光作用于材料表面光斑的分布特性。对材料表面的温度变化进行理论仿真后发现, 脉冲间隔对材料温度变化的影响较小。进行了高重复频率脉冲激光烧蚀气化去除低热导率涂漆的实验, 结果表明:作用于涂漆表面的脉冲数与烧蚀气化去除深度线性相关, 从而建立了二者之间的一维线性关系方程。
激光技术 激光清洗 烧蚀气化 高重复频率 涂漆
中国科学院半导体研究所全固态光源实验室, 北京 100083
以钛合金Ti6Al4V与纯金属铅Pb为研究对象, 对激光熔钎焊接的焊缝界面裂纹与应力状态进行了实验观察和数值仿真, 探讨了异种金属激光焊接熔池中形成界面的现象, 以及界面上微观裂纹形成原因。计算结果显示, 界面两侧材料具有明显的力学性能差异, 由此导致焊缝界面上存在应力不连续, 最大等效应力出现在焊缝界面端部, 裂纹可能由此萌生并扩展至整个界面。
激光熔钎焊 界面 应力状态 裂纹 laser welding-brazing interface stress state crack
钛合金与钢焊接易生成金属间化合物, 对焊缝性能有显著影响。为探索钛合金与钢激光焊接的可行性, 对钛合金与合金钢进行了激光焊接工艺实验, 对比了钛合金与合金钢激光对焊、激光搭接焊及激光搭接熔钎焊三种工艺。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱及 XRD对焊缝微观结构、断口形貌及元素成分进行了分析。结果显示, 钛合金与合金钢激光对焊与搭接焊熔池中元素扩散充分, 生成脆性金属间化合物, 使焊缝塑性降低甚至开裂。激光搭接熔钎焊方法通过优化焊接过程热输入, 可以控制熔池大小, 减缓元素扩散, 抑制金属间化合物的形成, 将金属间化合物的分布控制在有限区域内, 有助于提高钛合金与钢的焊接质量。
激光焊接 搭接熔钎焊 工艺实验 金属间化合物 laser welding lap brazing process experiments intermetallic compounds
中国科学院力学研究所先进制造工艺力学实验室， 北京 100190
温度场是影响激光焊接焊缝成形质量的关键因素。针对非熔透型激光搭接焊接头焊缝成“钉头”状的特点，通过分析焊接时材料吸收激光能量的分布情况，提出了高斯面热源加线性递增式柱热源的复合体热源模型。模型考虑板间接触热阻的影响，并将计算结果和试验结果进行了对比，发现模拟出的焊缝形状和试验吻合较好；此外基于本模型对焊缝各处的热循环与焊缝组织形貌及显微硬度的关系进行了分析。结果表明，焊缝组织形貌及显微硬度除与加热和冷却速率有关外，峰值温度对其也有重要影响；在热循环基本一致的情况下焊缝的性能相似。该模型较准确地模拟了薄板激光深熔焊接熔池温度场，对研究激光深熔焊接温度场问题和激光工艺参数的优化选择具有参考价值。
激光技术 激光搭接焊 数值模拟 温度场 吸收系数 热循环 接触热阻
北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 首都师范大学物理系, 北京 100048
利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对11种常见毒品进行了实验探测并得到它们在0.2～2.6 THz范围内的吸收谱, 然后利用径向基(RBF)神经网络对11种毒品的太赫兹吸收光谱进行了训练和识别。训练和识别的光谱在输入网络之前都经过归一化处理, 识别率达到了96%。RBF神经网络模型是用Matlab语言编制。识别结果表明, 利用RBF神经网络可以实现对不同种类毒品的识别, 而且训练和识别的速度非常快, 几乎是实时的。这也是RBF神经网络优于误差逆传播(BP)神经网络和自组织特征映射(SOM)网络的特点。因此, RBF神经网络为太赫兹技术用于毒品的检测和识别提供了一种有效而快捷的方法。
光谱学 毒品识别 太赫兹吸收光谱 径向基神经网络
采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对2种常见消炎用粉针类药品和4种胶囊、片剂、冲剂类药品进行实验研究并得到它们在0.2～2 THz频率范围的特征吸收光谱, 对这些光谱进行了分析比较, 用支持向量机(SVM)对太赫兹吸收光谱进行了识别分类。首先, 用归一化预处理后的6种药品的太赫兹吸收光谱训练libsvm模型; 然后, 选用与训练光谱不同时间测得的6种药品太赫兹吸收光谱作为检测光谱, 经过归一化预处理后分别输入到训练好的libsvm模型中进行识别。研究表明, 各种药物由于其化学成分的不同, 显示出不同的太赫兹吸收光谱。用支持向量机可以实现对不同种类药品的识别。这些结果为太赫兹光谱技术用于药品的检测和识别提供了另一种有效的方法。
光谱学 药品识别 太赫兹吸收 光谱 支持向量机
首都师范大学物理系,北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室,北京100048
在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对9种常见毒品纯品和3种混合物进行实验研究,并得到它们在0. 2～2 THz频率范围的特征吸收光谱的基础上,用支持向量机(SVM)对毒品纯品和混合物的太赫兹吸收光谱进行了识别分类。用归一化预处理后的9种毒品和面粉的太赫兹吸收光谱训练libsvm模型。选用与训练光谱不同时间测得的毒品和混合物的太赫兹吸收光谱作为检测光谱,经过归一化预处理之后分别输入到训练好的libsvm模型中进行识别,识别率达100%。识别结果充分表明,用支持向量机可以实现对不同种类毒品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于毒品的检测和识别提供了另一种有效的方法。
光谱学 毒品识别 太赫兹吸收光谱 支持向量机
现代工程结构要求对异种金属材料进行焊接。激光焊接具有密度高、焊缝深宽比大、热影响区窄以及变形小等特点，成为异种金属材料焊接的有效方法。异种金属激光焊接过程包含多种效应，机制复杂。比如，材料性能差异对焊缝微观组织与宏观性能的影响; 焊接熔池的形成、演化机制; 熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成等。围绕异种金属激光焊接过程中的关键问题，国内外开展了诸多研究工作，对此进行了全面阐述。在此基础上，指出异种金属材料激光焊接研究中的不足及发展方向。
激光焊接 异种金属 熔凝机制 焊接缺陷
