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
1 之江实验室，浙江 杭州 311121
2 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
3 浙江大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310058
大数据时代海量数据的产生和积累对存储性能提出了更高的要求，因此实现低能耗、长期安全、高效的数据存储是数字化社会建设的当务之急。聚焦以玻璃作为存储介质的光存储技术，概述了该技术的研究进展和维度复用情况，并对其面临的挑战和机遇进行了展望。同时探讨了光场调控技术与深度学习技术在光存储领域中的潜在应用，以期为该领域的研究者提供相关参考。
全息 激光材料加工 光存储 玻璃 多维复用 光场调控 深度学习 中国激光
2023, 50(18): 1813002
1 青岛理工大学山东省激光绿色智能制造与设备协同创新中心，山东 青岛 266520
2 工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
4 北京长峰科威光电技术有限公司，北京 100195
5 中国科学院大学，北京 100049
6 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555
为抑制光学系统内部的杂散光反射，设计了一种具有非对称特征的新型微结构。该微结构通过减少镜面反射的方式，防止外部杂散光到达光学系统像面位置。为实现对非对称微结构的激光高速加工制备，提出了激光振镜加工系统进行倾斜加工的新方式。设计了新型的高速激光加工平台，制备了非对称的铝基微结构，并搭建了镜面反射测试实验和仿真综合实验对样品进行对比测试。结果表明，加工样品对杂散光具有良好的抑制效果。当设定入射角度为15°、照明光束为650 nm激光时，该微结构与常规的阳极氧化表面相比，抑制杂散光的性能提高了10倍，相对反射率仅为0.008%。
光学设计 微结构制备 纳秒激光 激光材料加工 杂散光抑制 光学学报
2023, 43(11): 1122001
1 温州大学激光加工机器人国际科技合作基地，浙江 温州 325035
2 中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川 广汉618307
3 温州大学激光与光电智能制造研究院，浙江 温州 325105
碳纤维复合增强材料（CFRP）作为一种力学性能优异的新材料，已经成为航空和汽车轻量化领域的优选材料。因此实现CFRP与铝合金的高强度连接是提升CFRP与铝合金复合结构件整体强度的关键。提出了一种激光阶梯扫描制备倒钩阵列的方法，并将该方法与硅烷表面改性相结合，实现了铝合金与CFRP接头的高强度连接。实验结果表明：激光阶梯扫描制备的倒钩阵列大大增强了胶接界面之间的机械互锁效应，进而增强了接头强度。硅烷偶联剂改性后铝合金与黏结剂之间出现了硅烷过渡层，接头强度得到进一步提升。与砂纸粗化处理相比，激光处理后强度提升了24.6%，达到16.7 MPa，硅烷改性后强度得到进一步提升，达到17.4 MPa。
激光技术 脉冲激光器 激光材料加工 碳纤维增强塑料 胶接接头 拉伸剪切强度 中国激光
2023, 50(12): 1202203
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 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
2 东南大学附属中大医院骨科，江苏 南京 210009
为了获得飞秒激光工艺参数对生物组织融合效果的影响规律，基于单因子试验法，分析了激光功率、离焦量等工艺参数对离体皮肤组织融合形貌、切口抗拉强度及热损伤的影响规律。结果表明，激光功率及扫描速度对焊后离体皮肤组织外观形貌及切口抗拉强度具有重要影响，激光功率对组织热损伤具有决定性影响；降低激光功率及扫描速度，采用多次重复扫描方法，焊后离体皮肤组织的切口抗拉强度较大；在保证一定连接强度的条件下，焊接后组织热损伤参数在10－3数量级左右。在此基础上，对工艺参数进行优化，结果表明，在该工艺条件下，组织切口可实现全层融合，外观形貌良好，热损伤低于采用连续激光得到同等抗拉强度时组织所产生的热损伤。
医用光学 组织焊接 激光材料加工 热效应 组织性能 参数优化 中国激光
2022, 49(20): 2007107
1 安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243000
2 江苏康众数字医疗科技股份有限公司，江苏 苏州 215000
由于钨（W）的高熔点等固有特性，获得高致密度的W及W合金制件一直是个难题。采用不同方法研究了W-Re合金的选择性激光熔化中工艺参数调整及铼（Re）加入的条件对成形试样致密度、微观形貌以及力学性能的影响。结果表明，一定工艺参数范围内，W-Re合金制件的致密度与激光功率成正比，与扫描速度成反比。且当激光功率为180 W，扫描速度为600 mm/s，扫描间距为0.03 mm时，致密度达到了最大值96.1%。通过优化工艺参数，减少了孔洞的出现，达到了细晶强化，使得最高硬度达到550 HV。分析物相可知，Re的置换固溶使W衍射峰发生向右偏移，在高温下，Re对W起到固溶强化作用。对比纯W与W-Re合金可以发现，加入Re后，选择性激光熔化W-Re合金试样的致密度、硬度及裂纹的大小和形态均优于纯W试样。
激光光学 激光材料加工 致密度 选择性激光熔化 W-Re合金 孔洞 裂纹 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0114003
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 北京工业大学跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室, 北京 100124
为解决动压气浮轴承球面螺旋槽加工难度大的问题,提出一种基于Bézier曲面分割法的光斑重叠率补偿方法。通过研究平均功率、扫描速度、离焦量对TN85金属陶瓷激光刻蚀深度和宽度的影响,确定优化参数;采用1064 nm波长的皮秒激光配以二维x-y扫描振镜,在TN85金属陶瓷球面上完成了粗糙度Ra约为65 nm、深度为(4±1)μm、高度落差为4.5 mm的12条圆周分布螺旋槽阵列加工,加工时间小于10 min。所提方法实现了激光二维振镜对曲面螺旋刻槽深度可控的高精加工,兼顾精度效率,具有良好的工程化应用优势和发展前景。
超快光学 材料加工 球面 螺旋槽 激光 光斑重叠率 中国激光
2021, 48(14): 1402016
1 南京农业大学工学院，江苏 南京 210031
2 南京工业职业技术大学交通工程学院，江苏 南京 210023
3 江苏省智能化农业装备重点实验室（南京农业大学），江苏 南京 210031
为研究激光加工参数对镍基合金镀层表面微结构形貌的影响，采用电沉积法在45钢表面制备了Ni-Co-Si3N4复合镀层，使用波长为1070 nm的光纤激光器对镀层表面进行加工。采用单因素法研究激光单脉冲能量密度、脉冲宽度和脉冲数量3个参数对微结构形貌的影响，得到微结构内径、外径、中心点高度、边缘高度和最低点高度等表征参数的演化规律。研究结果表明：激光与Ni-Co-Si3N4复合镀层相互作用，形成了球冠状凸包、W状凹坑、火山口凹坑、两个同轴火山口叠加状凹坑4种典型形貌；激光单脉冲能量密度增大，使得镀层表面微结构形貌由球冠状凸包向两个同轴火山口叠加状凹坑转变，脉冲宽度增加使得镀层表面微结构形貌由火山口凹坑向球冠状凸包转变，脉冲数量的增加可以增大火山口凹坑的深度与边缘凸起高度。
激光光学 激光材料加工 镍基镀层 表面微结构 表面形貌 脉冲激光 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0914002
1 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 香港城市大学生物医疗工程系, 香港 999077
3 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
实现纳米材料焊接的纳米连接技术不仅是研制高性能纳米器件的关键,还是“自下而上”进行纳米结构制造的重要手段,决定着新一代纳米器件的性能及可靠性。其中,纳米钎焊技术对焊接母材损伤小,可以连接同种或不同种类的纳米材料,并获得优异的力学及电学性能,是纳米连接技术的重要发展方向。基于分子动力学,对纳米颗粒钎料在SiO2基底上的激光熔融过程进行了仿真分析,分析了激光辐照导致的不同温度下银纳米颗粒的原子构型变化,并探究了钎料熔融过程。为了探讨基底对熔化过程的影响,进一步分析了基底与纳米颗粒之间的接触角、接触长度以及吸附能变化等。研究结果表明:为了获得可靠的纳米互连结点,激光辐照下温度对纳米颗粒与衬底之间吸附能的调控是影响纳米互连结点稳定性的主要因素。该仿真结果为实现激光熔融纳米颗粒的连接提供了参考。
激光技术 材料加工 激光焊接 纳米钎焊 纳米颗粒 分子动力学
