北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势，但在微纳结构多样化制造方面存在局限性，限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性，揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律，在微球底部实现了可控的光场空间分布，实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步，通过优化制备参数（前驱液浓度比、激光辐照功率及辐照时间），成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球（AgNPs/AgMRs/MS）复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构（AgNPs/AgMRs）中的光场耦合，即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离激元共振以及复合结构定向发射等，实现了10-14 mol/L的痕量检测，增强因子可达9.50×109，为光化学还原制备高性能介质-金属复合SERS衬底提供了新思路。
光谱学 表面增强拉曼光谱 多级银微纳结构 光化学还原 介质微球
北京工业大学材料与制造学部 激光工程研究院，北京 100124
利用稀土离子掺杂材料、有机染料以及量子点等荧光材料实现荧光温度传感在航空航天、生物医疗、食品储存等领域具有重要意义。其中，无机卤化物钙钛矿量子点（PeQDs）荧光材料由于具有量子产率高，温度依赖性强等特点，在荧光温度传感领域展现了巨大的应用前景。然而，PeQDs只有一个光致荧光（PL）峰，其强度和位置极易受到浓度和尺寸等因素的干扰，因此用单一PL峰进行温度传感的准确性较低。在本工作中，我们提出了一种微球腔阵列（MCA）耦合PeQDs薄膜（MCA/PeQDs）的新型温度传感结构，利用MCA/PeQDs结构与PeQDs薄膜具有温度依赖性的PL峰值强度比实现温度传感。该结构通过微球腔中回音壁模式（WGMs）增强的Purcell效应提高了自发辐射速率，抑制了声子辅助猝灭效应，从而实现了较好的PeQDs荧光增强。结果表明，在223～373 K范围内，当PeQDs浓度为0.131 6 mg/mL、微球腔直径为（19±1）μm时，该结构的绝对灵敏度（Sa）与相对灵敏度（Sr）可达到0.75 K-1和1.95%·K-1。本工作克服了使用单个PL峰进行温度传感准确性差的缺点，为荧光材料在高性能荧光温度传感器中的应用开辟了新的途径。
温度传感 微球腔 无机卤化物钙钛矿量子点 荧光增强 temperature sensing microsphere cavity inorganic halide perovskite quantum dots fluorescence enhancement
1 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 北京 100124
2 北京石油化工学院新材料与化工学院, 北京 102617
3 北京印刷学院印刷与包装工程学院, 北京 102627
ZnO是第三代半导体的代表之一, 可作为紫外光致发光与多共振模式激光的载体, 尤其以光学气化过饱和析出法(OVSP)制备的ZnO微米晶近年来在光催化、 高效多彩光源、 高效电致发光等方面显示出重要优势, 但其制备成本较高、 生产效率低下, 阻碍了其大规模器件化的发展。 针对上述问题, 基于有限元分析的结果, 设计并搭建了一套工作波长在1 080 nm, 功率18%(@2500W)激光加热的微米晶生长装置。 以ZnO为原料验证了所研制装置的可行性与实用性。 结果表明, 该装置制备产物与OVSP法制备产物在形貌、 结构、 发光性能上非常接近, 生产效率得到极大提高(~500%)。 利用研制的生长装置, 成功制备出了具有完整六边形截面形貌的富受主型ZnO单晶微米棒, 其直径约为3.8 μm, 长度达10~20 μm。 通过拉曼光谱发现, ZnO微米棒的拉曼峰清晰尖锐, 位于437 cm-1处的拉曼峰对应模式, 所制备微米棒为结晶性较好的六方纤锌矿结构。 通过对ZnO微米棒荧光光谱的分析, 发现其与OVSP法所制备的ZnO微米管具有类似的紫外双峰结构, 表明微米棒内存在大量与锌空位(VZn)相关的受主缺陷。 在80~280 K范围内, 随着温度升高, ZnO微米棒的荧光发光峰强度出现“热猝灭-负热猝灭-热猝灭”的反常行为。 研究发现, 在166~200 K范围内出现的负热猝灭行为与导带底以下477 meV处存在的中间态能级(陷阱中心)有关, 在200~280 K范围内出现的热猝灭现象与导带底以下600 meV处非辐射复合中心有关。 两者的出现与所制备的ZnO微米棒氧空位(VO)缺陷相关。 所研制的激光生长装置具有较高的可行性与实用性, 该制备方法为富受主型ZnO单晶微米棒的快速批量生长奠定了技术基础, 同时对其在光电器件领域的应用也具有重要意义。
ZnO微米晶 激光材料加工 拉曼光谱 光致发光光谱 ZnO microcrystal Laser material processing Raman spectrum PL spectrum 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3000
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京松宇喷涂厂, 北京 101113
烘烤炉高温烧结固化是传统的聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙稀(FEP)、聚全氟代烷氧基聚合物(PFA)涂层制备工艺。针对传统工艺的诸多缺陷，提出激光辐照固化技术。在室温空气条件下，利用1070 nm 连续光纤激光辐照系统取代原有高温烘烤固化工艺来制备三种氟聚合物涂层。同时，通过控制激光扫描路径，制备出图形化的PTFE、FEP、PFA 氟聚合物涂层，得出制备三种涂层的最佳工艺参数。分析发现制备机理是利用激光的热效应，使三种涂层膜处于熔融状态，发生交联固化而成。
材料 激光辐照 聚四氟乙烯 聚全氟乙丙稀 聚全氟代烷氧基聚合物 交联固化 涂层
基于皮秒激光的“冷加工”特点，进行了用皮秒激光辐照结合快速化学腐蚀(NaOH 溶液：质量分数为4%，不大于3 min，80 ℃水浴)调控工艺制备高效减反射晶硅表面微结构的研究，在400~1000 nm 波长的宽光谱范围内，获得了微-纳双结构微孔阵列和圆顶锥形周期性阵列两种减反射表面，前者的平均反射率低于5%，后者的平均反射率低于10%。制备过程中工艺可控性强，无需掩膜和真空环境。研究了激光工艺参数和化学腐蚀参数的不同调控匹配在微结构单元形成中的作用机制，分析了所制备表面微结构的减反射机理，为太阳能电池和其他半导体器件中硅基减反射表面微结构的低成本激光可控制造提供了重要的指导。
激光技术 皮秒激光 功能表面微结构 高效减反射 晶硅
采用皮秒激光对石英玻璃进行打孔实验，探究了石英玻璃在532 nm皮秒激光作用下的损伤阈值，同时通过控制变量法研究了激光能量密度、脉冲持续时间和激光重复频率等参数对石英玻璃加工孔径与深度的影响，并对这种规律进行简要的分析。通过实验最终得出皮秒量级下石英玻璃的损伤阈值约为2.01 J/cm2，并发现所加工石英玻璃的孔径与深度在一定范围内与激光能量密度和加工时间成正比，但增速最终趋于平缓；激光重复频率对小孔加工质量亦有重要影响。最后，在得到的损伤阈值和加工规律基础上对加工参数进行了初步优化，获得了无裂纹、表面形貌规整的小孔加工效果。
激光技术 激光微加工 损伤阈值 532 nm皮秒激光 石英玻璃 中国激光
2013, 40(s1): s103009
以10～12 mm厚致密Al2O3陶瓷为研究对象，采用CO2激光，以离散通孔密排分离新技术，实现了厚板陶瓷直线、曲线等自由加工路径的激光无损切割。采用扫描电镜(SEM)和激光共聚焦显微分析方法研究了切缝表面的熔凝层结构，评价了无损切割的良好质量。以激光切割过程的高速摄像CCD分析为基础，对激光峰值功率、占空比、频率、打孔时间等特征工艺参数进行了优化分析，给出了厚度不小于10 mm致密陶瓷激光无损切割的优化工艺参数，脉冲峰值功率2.7～3.5 kW，脉冲频率约50 Hz， 脉冲占空比30%～50%，通孔时间0.1～0.5 s。该技术直线切割速度可达15～20 mm/min。
激光技术 无损切割 陶瓷厚板 通孔密排
介绍了硬脆性陶瓷激光切割技术研究的若干新进展，着重从工艺角度系统地分析总结了激光加工陶瓷减少热损伤的4 大类型：传统工艺的优化参数法、多道切割法、应力引导控制裂纹切割法以及辅助切割法。结合实际研究经验，针对陶瓷不同薄厚类型及三维切割需求，提出了目前该技术所需解决的主要问题及相关思考。
激光加工 陶瓷 激光无损切割
通过建立脉冲激光陶瓷打孔二维温度场模型,计算了相应的热应力分布,预测了打孔过程中的两种裂纹形态——径向裂纹和环形裂纹,并由此预测出激光脉冲切割过程中的两种裂纹扩展方式——发散型和回归型,提出通过降低加工处温度、减少热影响区以及增大孔径(或切缝宽度),可以达到降低热应力,抑制加工裂纹产生的目的。通过讨论模型参数和激光加工工艺参数之间的对应关系,提出低占空比、高辅助气体压力和离焦加工是激光加工工艺参数优化的基本方向,通过对氧化铝陶瓷和单晶硅的激光加工实验,对裂纹的产生及扩展预测进行了验证,并对加工参数优化实现了陶瓷的激光无裂纹加工。
激光技术 激光加工陶瓷 裂纹行为 温度场模型 切割实验
1 北京工业大学国家产学研激光技术中心, 北京 100022
2 北京工业大学应用数理学院， 北京 100022
介绍了以Al2O3,Ta2O5,BaTiO3,Na0.5K0.5NbO3(NKN)等多种功能陶瓷为研究对象，在功能陶瓷激光烧结技术工艺特点及其特殊烧结效应等方面的实验研究结果。研究表明，采用激光烧结陶瓷技术的关键问题是建立合适的温度场，需要保证烧结时陶瓷径向温度场的基本均衡稳定及合适的轴向温度梯度;对于熔点接近2000 ℃的高熔点陶瓷，激光烧结功率密度上限为103～104 W/cm2;此外激光波长的选择定则、样品支架的选择及功率曲线调节方式的确定也不容忽视。激光烧结陶瓷具有特殊的物相和显微结构特点：易获得平衡相图中没有的新相，晶粒生长易具有取向性，可以在不添加烧结助剂的情况下通过液相传质完成高熔点陶瓷的致密烧结。该技术作为一项新型的陶瓷快速制备技术，有律可循，但还存在很多值得深入探究的地方。
激光技术 激光烧结技术 功能陶瓷 工艺特点 烧结效应
