“激光微纳制造”专题前言
——梅雪松 段吉安 李明 李晓炜
[摘要]随着高端制造需求的日益增加，传统的制造手段已远远不能满足航空航天和电子制造等领域中精密零部件（如飞机发动机、惯性导航和半导体芯片等）的精细制造需求。因此，激光微纳制造技术应运而生，并始终矗立于基础科学前沿及制造领域尖端位置，成为国家战略新兴产业发展的重大关键技术之一，对我国的国防安全与国民经济建设起到了愈来愈重要的作用...
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北京航空航天大学机械工程及自动化学院
[摘要]针对航空航天薄壁类金属结构件多次化铣过程中的激光刻型需求，研究了激光刻型轨迹规划、光机电协同控制优化、刻型参数自适应匹配与优化等关键技术。在多轴联动数控激光刻型加工机床构成与设计、激光器与激光光路系统设计、光机电协同控制系统开发的基础上，研制出六轴五联动数控激光刻型机床原理样机和工程样机，实现了大型环形薄壁类化铣零件的一次、二次激光刻型加工，各项技术指标均达到设计要求，且该样机在航空制造企业和重点型号中实现了工程应用。
北京工业大学材料与制造学部
[摘要]深空探测是21世纪人类进行空间技术创新、太空资源探索与利用的重要途径，准直器是深空探测器的关键部件。大深度、高空间分辨率栅格准直器的制造在国际上一直是个难题。本文以我国自主研制的硬X射线调制望远镜卫星(HXMT)中能望远镜高精度准直器为例，介绍了自主研发的大深度、高空间分辨率准直器跨尺度栅格结构的激光精密微焊接制造方法、关键工艺技术及成套装备。对于壁厚为70 μm、准直孔尺寸为1.17 mm×4.68 mm、深度为67 mm的钽片跨尺度栅格结构，准直孔尺寸精度控制在±20 μm之内。
西安交通大学机械工程学院
[摘要]电子器件的高质量和高密度互联对激光加工硬脆电子陶瓷基板表面孔的质量提出了更高的要求。综述了长脉冲毫秒激光、短脉冲纳秒激光和超快激光加工的电子陶瓷基板孔的形貌特征，主要包括孔的表面形貌特征(如孔口圆度、孔表面喷溅物、孔表面微裂纹和孔表面热影响区等)及孔的侧壁形貌特征(如孔的锥度、孔侧壁重铸层和孔侧壁表面微裂纹等)。
哈尔滨工业大学机电工程学院
[摘要]随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展，组成元件逐步迈向微型化和精细化，这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比，激光加工可实现“非接触”加工，加工材料的适应性好、柔性大。但单一的激光加工得到的切口存在明显的锥度，且易出现热影响区、毛刺、裂纹等缺陷。水导激光加工技术利用水射流“同轴”全反射导引激光，兼具高质量和高效加工的优势，因而得到了广泛研究和应用。为对水导激光加工技术进行较为详尽的综述，本文首先讨论了水射流的形成、衰减和发散过程，然后从水的光学特性、全反射形成条件以及耦合能束传输等方面对激光-水射流耦合进行了分析，最后介绍了水导激光在金属、半导体以及复合材料等领域的应用现状，并针对现有技术的不足，对其发展趋势进行了展望。
中国科学院半导体研究所全固态光源实验室
[摘要]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。
华侨大学制造工程研究院
[摘要]金刚石微槽在微电子散热器件和光学器件等领域都有非常大的潜在应用价值。系统研究了激光脉冲能量、扫描速度、扫描次数、重复频率和离焦量对金刚石微槽形貌、微槽宽度、微槽深度及微槽深度与宽度的比值的影响规律。研究结果表明，金刚石微槽的深度与激光脉冲能量、扫描次数呈正相关，随着激光脉冲能量和扫描次数的增大，微槽深度逐渐增加，并且当激光脉冲能量达到200 μJ，扫描次数增加到30时，微槽深度趋于稳定；金刚石微槽的深度与扫描速度呈负相关，当扫描速度为5 mm/s时，可获得深度较大的微槽；微槽的深度随着激光重复频率的增大而增加，当激光重复频率达到60 kHz时，微槽的深度趋于稳定。当离焦量从负值变化到正值时，微槽的深度先增加后减小，当离焦量为－1 mm时，微槽的深度达到最大。在激光脉冲能量为200 μJ，扫描速度为5 mm/s，扫描次数为30，重复频率为60 kHz，离焦量为－1 mm的优化参数下，能够获得微槽深度与微槽宽度的比值大于12的金刚石微槽。
北京理工大学机电学院
[摘要]飞秒激光加工具有精度高、无污染、材料适用性广、热效应小等特点，在加工微光学元件方面有着独特的优势。通过对飞秒激光进行时间和空间整形，调控电子动态及其后续的电子-声子作用过程，能够有效提高加工精度和加工效率，解决微光学元件在实际加工中的质量和成本问题。本文以微透镜、光栅和波带片为例，综述了常见微光学元件的飞秒激光加工现状，介绍了时空整形飞秒激光调控电子动态的基本原理，总结了飞秒激光进行时空整形的主要实现途径，展示了这些方法在加工微光学元件上的典型应用和研究进展，最后分析讨论了时空整形飞秒激光用于加工微光学元件所面临的挑战和今后的研究重点。
中南大学机电工程学院
[摘要]超短脉冲激光凭借其脉宽窄、峰值功率高的特点，可以实现高精度材料生长、改性和去除等形式的加工，具有良好的材料适应性和工艺兼容性，在微电/光互连领域取得了开拓性应用进展，已成为近年来先进制造的新兴关键技术。本文简要介绍超短脉冲激光实现微光电子器件制造的基本机制，包括多光子还原、表面等离子体共振和双光子聚合等，重点阐述超短脉冲激光加工在微光/电互连领域的应用研究进展，并对超短脉冲激光加工在该领域的发展方向进行总结和展望。
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院
[摘要]具有深微孔结构的铌酸锂晶体可以成为具有优良光波选择性调制功能的光子晶体器件。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、化学刻蚀或常规激光制孔等方法很难获得光子晶体所需的高深径比微孔。本文基于飞秒脉冲高峰值功率、超短脉宽的基本特点，通过对光束进行贝塞尔整形以及对光束与铌酸锂晶体的相互作用进行调控和研究，用飞秒单脉冲在铌酸锂晶体内部一步制备出深径比约为700∶1的大面积均匀微孔阵列。测试结果表明，设计并制备的高深径比微孔阵列光子晶体结构对450～510 nm波长范围内的光束具有明显的选择透过性。
吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点实验室
[摘要]面向大数据存储，总结当前冷数据存储的主要方式及特点，针对长寿命和高容量的需求，介绍飞秒激光永久光存储的概念和基本存储内涵；围绕透明介质材料体内改性的类型，依次介绍三维光存储和五维光存储的历史发展过程；阐述了当前具有双折射特性的存储单元形成机制，超百层的高密度存储技术，225 kB/s单通道、潜在MB/s多通道的快速直写机制；并从纳米区域的电场连续性边界条件和光学衍射极限出发，展望飞秒激光永久光存储在存储容量和写入速度方面的挑战。
西安交通大学电子与信息学部电子科学与工程学院
[摘要]随着科技的发展，柔性电子器件在医疗健康、柔性机器人以及人机交互领域中的应用越来越广泛。柔性电子器件的关键在于柔性电极材料，传统柔性电极材料如结构化的金属薄膜、金属纳米颗粒/线以及导电聚合物等存在高延展性与高导电性无法同时满足的问题。镓基液态金属作为一种室温下呈现液态的金属材料，具备金属高导电性的同时也具有无限延展性，是一种理想的柔性电极材料，是近年来的研究热点。对液态金属进行图案化处理是制备液态金属基柔性电子器件的必要环节。重点介绍了以浸润性调控的方法实现液态金属图案化的工艺。激光作为一种精密加工方式，被常用来制备各种功能表面，同时也是调控液体浸润性的主要手段之一。结合激光的高精密加工能力与液态金属优异的电学性能，能够实现高分辨率、多功能以及高集成度的液态金属电子器件制备。综述了近年来国内外在激光制备液态金属柔性电子器件方面的主要工作，并展望了未来激光制备高性能液态金属电子器件的前景。
北京航空航天大学机械工程与自动化学院
[摘要]随着社会发展和医疗健康事业的进步，医用金属植入物等医疗器械在临床应用中出现的细菌感染、生物相容性不佳等瓶颈亟待解决。近年来，飞秒激光以其加工精度高、适用材料广、热效应低、灵活可靠等优势，成为医用材料表面改性备受关注的新技术。本文针对体液光谱检测、植入物表面细胞行为调控、口腔抗菌这三个具体临床应用场景，简述了制备表面微纳复合结构实现生物功能的基本原理，以及多功能微纳复合结构的制备原理，梳理了飞秒激光诱导微纳结构的应用进展及研究现状，以期为相关研究人员提供线索和依据。
天津大学机械工程学院
[摘要]微夹持器是微操作系统的重要组成部分。作为微操作系统末端执行器，微夹持器钳口端面在工作过程中容易出现磨损、吸附杂质、结冰或结霜等问题，而且目前微夹持器大多是一体化加工而成，整体更换将造成资源浪费。本文设计了一种可拆卸式微夹持器，利用中心波长为1064 nm的纳秒激光器，在执行操作的钳口端面上加工出粗糙的微纳结构，使用无毒害的硬脂酸溶液浸泡改性，获得仿生超疏水表面。通过电化学实验，测试了仿生超疏水表面在酸、盐和碱环境中的耐腐蚀性能，通过自清洁、抗结冰和抗菌实验测试了该表面的防污、防冻和防菌性能。实验结果表明：仿生超疏水表面能够有效抵抗酸、盐和碱环境中的腐蚀，具有良好的防腐性能；有效防止灰尘、水滴和细菌等杂质粘附于钳口端面，保证钳口端面的清洁与卫生；在低温环境中，有效防止端面结霜或结冰，使微夹持器能够在恶劣环境中正常工作。
三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室
[摘要]制备超疏水表面是一种新型的抗冰方法。为提高硅橡胶复合绝缘子表面的抗冰性能，采用D80M多功能激光雕刻机进行加工，得到不同类型、不同尺寸参数的复合织构绝缘子伞裙表面。通过测试不同织构表面绝缘子的接触角，得到疏水性能最佳的表面织构类型及尺寸参数。同时，以延缓水滴在试样表面发生结冰的时间为评价标准，利用可程式恒温恒湿试验机设定环境温度为－10 ℃，测试水滴在不同织构化试样表面的凝结时间。结果表明：表面织构化明显提升了复合绝缘子伞裙表面的疏水性，使其达到超疏水性；尺寸和间距均为350 μm的正方形＋圆形织构的疏水性和抗覆冰性能最优，且抗冰耐久性良好。
安徽建筑大学机械与电气工程学院
[摘要]为了降低金属植入物与人体之间的排斥反应以及提高医用植入物材料的生物活性，本研究团队利用不同的表面加工方法对Zr55Cu30Ni5Al10表面进行改性，以制备天然骨的仿生微纳结构；然后将加工后的样品浸泡于模拟体液中，使其表面生成羟基磷灰石(HA)，研究不同加工方法下样品表面的润湿性以及HA沉积特性。结果表明：相较于传统的表面改性方法，纳秒激光结合飞秒激光的加工方法具有更加优异的加工效果，加工表面的水接触角由62°减小到26°，亲水性得到了大幅提升；纳秒激光结合飞秒激光加工的微纳结构不仅为HA的沉积提供了更多空间，而且其上的纳米颗粒有利于Ca2＋与PO3－4的集聚，加速HA晶核的形成，从而生成均匀、稳定的HA沉积层，提高Zr55Cu30Ni5Al10表面HA的沉积效果。
山东大学机械工程学院先进射流工程技术研究中心
[摘要]钛以其优异的力学性能和良好的生物相容性而被广泛用于制造医疗植入体。为提高钛在人体内的稳定性、抗菌性等，需对其表面进行修饰改性。本研究采用飞秒和皮秒激光在钛表面加工出微凹槽和微凸起结构，对比了两种激光技术在钛表面加工的微凸起和微凹槽结构在表面形貌、亲疏水性和生物相容性等方面的差异。表面形貌、轮廓、元素的表征结果表明两种激光加工结构的尺寸主要受能量密度的影响，而形状受光斑重叠率的影响较大，皮秒激光加工表面的氧含量较高。由于飞秒和皮秒激光改性钛表面微织构形貌的差异，水接触角(以下简称“接触角”)从初始的40.25°分别降为9.88°和0°。通过对比样品在空气、真空、生理盐水中保存3 d后的表面接触角发现，皮秒激光加工样品表面能保持稳定的超亲水性；经硅烷处理后，飞秒激光改性表面的接触角可达152.80°，而皮秒激光改性表面的接触角为146.38°。细胞黏附和增殖的实验结果表明飞秒激光加工的微凸起或微凹槽线阵有利于细胞的黏附和排列，而皮秒激光加工的微凸起或微凹槽线阵有利于促进细胞的铺展和迁移。
湖北工业大学机械工程学院
[摘要]由于长期暴露在阳光、雨水、高低温等自然环境下，硅橡胶复合绝缘子的使用性能和工作寿命会下降，严重威胁了输电线路的安全稳定运行。因此，提高硅橡胶的耐老化性对于加强户外硅橡胶复合绝缘子的可靠性和延长使用寿命具有重要意义。飞秒脉冲激光能够在硅橡胶表面制备出稳定的超疏水状态，为了进一步研究该表面的耐老化性能，使用氙灯老化试验箱对样品进行700 h的加速老化实验。结果表明，超疏水表面的接触角从163°下降到150°左右，表明超疏水硅橡胶具有优异的耐老化性能。检测结果表明硅橡胶表面在老化过程中所产生的亲水性羟基是导致其表面疏水性下降的主要原因。进一步采用一种简单有效的热处理方法使其疏水性快速得到恢复。在200 ℃的加热环境中可以使老化后的样品表面接触角从150°恢复到163°左右，同时表面滚动角恢复到3°左右。该研究结果为增强硅橡胶在工作环境中的使用性能提供了理论指导，并在延长硅橡胶的使用寿命方面提供了一种新的手段。
华中科技大学武汉光电国家研究中心光学与电子信息学院
[摘要]微纳4D打印是微纳3D打印和智能响应材料的结合，在三维静态结构的基础上增加了材料在刺激响应下变化的新维度，为复杂微纳结构的动态调控开辟了新的路径。具有刺激响应能力的动态微纳器件在微创医学、柔性电子、光场调控等领域都有广阔的应用前景，是微纳领域的研究热点。综述了近年来微纳4D打印领域重要的研究进展和代表性的研究成果，介绍了用于微纳4D打印的典型加工技术和材料体系，系统总结了近年来磁场响应、溶剂响应、pH响应、温度响应、光响应等方面的工作，介绍了微纳4D打印技术在生物医学、微机器人等领域的应用现状和发展趋势。最后讨论分析了微纳4D打印技术当前所面临的挑战和下一步研究的重点方向。
长春理工大学机电工程学院跨尺度微纳制造教育部重点实验室
[摘要]自然界中的微纳结构蕴藏着无尽的功能，为材料科学和工程技术的创新与发展带来了新的机遇。受生物体功能表面的启发，针对仿生表面开发出大量新功能，如结构色、超疏水、自清洁、光学性能调控等。飞秒激光制造是一种可以在微米和纳米尺度上精确控制材料结构的加工方式。通过调控飞秒激光加工参数，可以在多种材料体系中实现超越衍射极限的三维加工。飞秒激光直写加工技术的独特之处在于可以实现材料的跨尺度修饰，通过模拟优化，制备更加复杂的微纳结构。综述了利用飞秒激光技术制备仿生功能微纳结构的新进展，展示了该结构在结构色、表面浸润性、光学性能调控等方面的性能。讨论了飞秒激光制备仿生功能表面的应用前景。最后举例说明了激光微纳制造复杂高分辨率结构的新应用。
暨南大学光子技术研究院，广东省光纤传感与通信技术重点实验室
[摘要]光聚合微纳3D打印作为一种微纳尺度的增材制造技术，在高精度、复杂三维微纳结构的制造方面具有显著优势，已被广泛应用于微机电系统、微纳光子器件、微流体器件、生物工程领域。本文首先介绍了光聚合微纳3D打印技术的光物理/光化学原理，重点对所涉及的各种类型的打印工艺及其应用领域进行综述；然后讨论了一些前沿性的微纳3D打印方法，通过回顾和比较这些最新的技术，阐明了打印分辨率与打印效率之间的关系，以及串行扫描、并行扫描、面投影和体投影的打印模式对微纳3D打印性能的影响；最后对微纳3D打印技术进行全面总结与概述，并对其未来的发展趋势和应用前景予以展望。
西北农林科技大学机械与电子工程学院
[摘要]作为一种典型的微纳光学元件，仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果，在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术，具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征，已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点，阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展，包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜，最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势，为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。
