1960年，梅曼博士研制出红宝石激光器。经过60年的发展，激光在社会生活的各个领域发挥着重要的作用，成为日常生活、工业生产、应用研究中的重要工具。激光加工技术是指通过激光与物质的相互作用，改变材料的物态、成分、组织、应力等性质的技术，具有应用对象广泛、非接触加工、尺寸控制能力强、无污染等特点。典型的激光加工技术包括激光去除加工、激光焊接、激光表面改性、激光3D打印、激光复合加工等。目前，激光加工技术已应用于**、航天、信息、生物医疗等领域。

超快激光具有极短的脉宽和极高的峰值强度,已被广泛应用于等离激元纳米材料的加工。在极高的激光功率密度下,等离激元纳米材料中的自由电子吸收入射光子能量成为热电子,然后通过电子与晶格的耦合作用使得晶格温度升高,诱导等离激元纳米材料产生光热形变。根据激光功率密度与熔化沸腾阈值的关系,综述了等离激元材料的三种光热形变——阈值熔化、表面原子扩散和激光烧蚀的不同原理;同时还介绍了等离激元纳米材料超快激光光热形变在多维光存储、结构色彩色打印和信息加密隐写等领域的应用。

光纤功能器件具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀、易于集成复用等独特优势,在微机械结构、生物医疗、海洋探测、航空航天等领域有着巨大的应用前景。飞秒激光具有超窄的脉冲宽度,在与材料相互作用时能够有效地避免热效应,具有较高的加工精度,因此被广泛应用于光纤功能器件制备。目前,利用飞秒激光直写技术、飞秒激光双光子聚合技术和飞秒激光水击穿技术等已制备出稳定可靠的三维高分辨率微纳光纤功能器件。主要介绍了光纤光栅、光纤干涉仪、光波导等光纤功能器件的飞秒激光加工技术发展状况,展望了飞秒激光加工技术的应用前景。

超短脉冲的时空特性已经展示了对材料改性的重要影响,在过去十几年迅速成为飞秒激光微加工领域的研究热点。为此,简要从飞秒脉冲时空耦合的基本概念出发,回顾了实验中观察到的时空耦合效应及基于时空耦合的时空聚焦技术,介绍了时空聚焦技术在加工领域的应用,重点讨论了时空耦合对透明材料内部的非互逆性直写及不对称纳米光栅结构的影响。

飞秒激光在材料表面诱导产生亚波长周期结构不仅可以改变材料表面的物化性质,而且具有无掩模制作和一步成型等优点,在多个领域具有广阔的应用前景。然而,目前结构形成存在排列规整性差、形状单一、制备效率低等问题。为此,综述了单束飞秒激光在金属表面高效制备规整性一维亚波长周期结构的研究进展,提出了利用时间延迟多束飞秒激光对金属和半导体表面一维亚波长周期结构产生特征(包括规整性、空间周期、排列方向等)进行灵活调控的新方法,成功实现了形貌特征分别为圆包、三角形、菱形、椭圆状、条纹-纳米颗粒复合等多种二维亚波长周期结构的制备,发现了表面结构调控产生过程中出现的超快物理新现象,阐明了时间延迟飞秒激光束与材料作用过程之间的瞬态关联作用。

当高强度短/超短脉冲激光聚焦于靶材表面或介质内部时,若其峰值功率密度超过某一阈值,靶材表面或介质内部会形成等离子体,等离子体与工件相互作用进行材料去除,这一过程称为激光诱导等离子体微加工(LIPMM)。这一加工技术可以高效吸收激光能量,具有损伤小、效率高、应用广等特点,已被广泛应用于微加工领域。为此介绍了LIPMM的微加工原理,进一步阐述了以固体为靶材和以液体为介质的LIPMM的研究进展,对LIPMM未来所面对的问题和发展方向进行了总结和展望。

飞秒激光直写技术相比于传统加工方式以及其他先进的微纳米加工手段在可控微纳米结构加工方面具有一定的优势,如无需掩模、适合任意材料、热效应小等,因此被用来制备多样化的仿生微纳米结构表面,开发各种领域的应用,如自清洁、油水分离、水雾收集等。分析了利用飞秒激光在不同材料上制备多样微纳米结构的形成机理和设计思路,总结了国内外有关通过飞秒激光制备仿生微纳米表面的最新研究进展,并从表面润湿性的相关概念及理论模型、飞秒激光可控制备多样微纳米结构以及相关工业生活应用等方面进行了探索研究。最后分析了目前飞秒激光加工技术在微纳米制造领域存在的困难和挑战,并对未来其在相关领域的发展进行了展望。

人类社会信息技术的快速发展不仅使得信息传递更加快捷,同时也对信息数据的存储产生了巨大的需求。如何对呈指数化增加的数据进行高速可靠、低能耗、低成本的长期存储已成为信息社会继续发展亟需解决的难题。为此,介绍了以玻璃为存储介质的光存储技术的发展现状,总结了玻璃介质光存储的应用方案,并对以玻璃作为存储介质的光存储技术未来发展趋势进行了展望。

超快激光具有脉冲能量高、加工精度高、热影响区小等特性,在材料加工尤其是微纳加工和表面改性中具有独特优势。介绍了超快激光加工金属材料的典型数值模拟方法,综述了近十几年来关于超快激光加工金属材料过程中烧蚀、等离子体效应和周期性表面结构形成机理的数值模拟研究进展,讨论了阐述三种机理的若干种模型和局限,总结了当前超快激光加工数值模拟所面临的挑战,并对今后的研究重点进行了展望。

利用飞秒激光扫描医用锆基块体非晶合金表面制备直线结构,通过扫描电镜观察分析试样表面微观形貌变化,使用接触角测量仪测量加工前后及放置3个月后试样的接触角,并同时使用X射线光电子能谱仪对表面化学成分进行测量分析,最后利用电化学工作站测试其耐腐蚀性。从测试结果可以看出:加工前的锆基块体非晶合金表面表现出一定的亲水性,通过飞秒激光处理后,变为超亲水;在室内用密封袋封装3个月后,飞秒激光加工后的表面的接触角显著增大;测量加工前后样品腐蚀时的开路电压分别为-0.96 V、-0.93 V。经飞秒加工后的非晶合金开路电压更高,与未加工样品相比耐腐蚀性更强。实验结果表明:经飞秒激光表面处理后的非晶合金具有更好的亲水性和耐腐蚀性,增强了作为医用植入体在人体内的适用性。

为提高海洋设施聚合物涂层表面的抗生物污损性能,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物为研究对象,采用皮秒激光直接刻蚀方法,在PDMS聚合物膜表面制备了单向微沟槽、网格微沟槽、微凹坑等不同微纳结构。利用激光共聚焦显微镜观察了试样表面粗糙度和微纳结构特征,利用接触角测量仪测量了去离子水在不同试样表面的静态接触角和动态接触角。研究分析了皮秒激光加工参数对三类微纳结构PDMS膜表面粗糙度、静态接触角和动态接触角的影响,获得了具有超疏水性和强脱附性的微纳结构PDMS膜表面的皮秒激光加工方法,即:在PDMS膜表面制备网格微沟槽或微凹坑类微纳结构,微单元间距为50 μm,皮秒激光加工工艺参数为激光能量密度1.536×10 14 W/m 2,激光扫描速率200 mm/s,激光重复加工5次。研究表明,利用皮秒激光刻蚀技术在 PDMS膜表面加工制备优化设计的微纳结构,可以改善表面的超疏水性和脱附性能。聚合物膜层表面微纳结构的皮秒激光刻蚀技术在预防海洋生物污损方面具有发展潜力。

用纳秒光纤激光加工结合表面活性剂调控的方式制备了(超)疏水/(超)亲水铝膜,研究了(超)疏水/(超)亲水铝膜表面的润湿性以及雾水收集实验。实验步骤如下:采用纳秒光纤激光钻孔技术加工微孔阵列于35 μm厚的铝箔上;在底部铝膜表面喷涂Glaco涂层试剂两三次,Glaco试剂中的疏水二氧化硅颗粒黏附在其表面,以改变铝膜表面的润湿性;通过激光二次扫描获得(超)疏水/(超)亲水铝膜。保持通孔量一致,研究了不同孔径下(超)疏水/(超)亲水铝膜的润湿状态、液滴渗透情况以及最佳的雾水收集孔径。结果表明:通孔量一致时,孔径的不同影响(超)疏水/(超)亲水铝膜的润湿状态和水滴的渗透时间以及雾水收集的功能,(超)疏水/(超)亲水铝膜的最佳雾水收集孔径为108 μm,其雾水收集量高达最低雾水收集量的31.3倍左右。

仿生超滑表面由于能抗各种液体甚至动植物黏附,因而具有非常重要的研究价值和广泛的应用前景。飞秒激光微加工技术具有材料普适性强、加工精度高、可控性强等特点,在制备和调控特殊浸润性表面方面具有非常突出的优势。从仿生制造的角度出发,首先介绍了飞秒激光微加工在构建和控制超疏水表面、水下超疏油表面的相关研究进展,分析了其在实际应用中的局限和不足;概述了超滑表面的制备原则及飞秒激光制备超滑表面的工艺方法,系统地总结了飞秒激光制备的各类超滑表面,及其对多种液体和气泡的操控;介绍了超滑表面的一些典型应用;最后总结和讨论了飞秒激光制备超滑表面研究和应用中存在的问题及发展前景。

飞秒激光具有超快超强超精密的优势,使其成为加工石墨烯的理想的方式之一。本文介绍了飞秒激光加工石墨烯材料,包括飞秒激光加工石墨烯薄膜材料和飞秒激光液相烧蚀加工石墨烯材料。同时,重点介绍了飞秒激光加工石墨烯材料的应用,包括在微电路和光电子器件、集成传感器和机械装置、微型超级电容器中的应用。

飞秒激光直写是一种高效灵活的三维精密材料加工技术,在许多领域得到了广泛的应用。光波导是集成光子学器件的一种基本结构,能够将光场限制在微小的通道内进行无衍射的传输。激光晶体是全固态激光器的常用增益介质,利用飞秒激光直写技术在激光晶体上构建光波导结构,并保持晶体的原有属性,从而可以制备低成本、高效率的波导激光器件。从飞秒激光诱导晶体产生的两类结构改性(折射率改变)出发,综述了飞秒激光直写激光晶体光波导的种类、特性以及应用,并对相关领域的应用前景进行了展望。

飞秒激光凭借其超短脉宽和极高峰值功率,在微纳加工中发挥了重要的优势,而飞秒激光的加工效率制约其在工业领域的应用。近年来,研究者成功将空间光调制器应用于飞秒激光加工,实现飞秒激光加工效率和灵活性的进一步提高。本文综述了近年来硅基液晶空间光调制器在飞秒激光加工领域的研究进展,主要包括多焦点并行加工、结构光场并行加工和矢量光场加工,分析了三种方法的优势和不足。并从光场均匀性和衍射效率两个方面,讨论了近年来对光场质量的研究。最后探讨了该领域目前存在的问题,并对未来提出了展望。

微孔作为一种常见结构,已被广泛应用于航空、生物、化工、新能源等领域。飞秒激光具有的超短脉冲宽度和超强峰值功率使其在高质量、高深径比微孔加工方面独具优势。综述了近年来飞秒激光非金属微孔加工方法及其应用的研究进展,包括飞秒激光时域/空域整形的电子动态调控微孔加工、飞秒激光辐照辅助化学刻蚀微孔加工、真空环境微孔加工、后表面液体辅助微孔加工以及控制环境温度微孔加工等,并分析了飞秒激光非金属微孔加工在机理以及工艺等方面面临的挑战。

水下气体浸润性表面在许多领域都具有重要的作用,近年来受到了各国研究人员的密切关注。飞秒激光微纳制造技术作为一种全新的非接触式加工手段,近年来在调控材料表面水下气体浸润性方面进行了许多探索性研究。总结飞秒激光微纳制造技术在水下气体浸润性表面的最新研究进展,从水下超疏气表面、水下超亲气表面、水下超疏气-超亲气转换以及水下气体运输四个方面进行阐述,最后结合当前的研究状况指出该领域目前所存在的问题以及对前景的展望。

晶体材料微加工技术是制备微电子器件、微机电系统器件的关键技术。飞秒激光辐照结合湿法腐蚀加工技术不仅可以去除飞秒激光诱导微结构表面缺陷,提高微结构表面光滑度,还在制备高纵横比结构、内部通道等方面具有独特的优势,为晶体加工开辟了新的道路。本文概述了飞秒激光辐照结合湿法腐蚀加工技术特点、原理和优势,总结了其在硅、碳化硅、蓝宝石晶体材料微结构制备中的研究进展,讨论了该技术的不足及其未来发展。

光纤光栅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可塑性强、体积小、质量轻、与光纤系统天然兼容等特点,已被广泛应用于光纤传感、光纤通信、光纤激光器等领域,并发挥了重要作用。目前,常见的光纤光栅制作方法主要有紫外曝光法、CO2激光刻写和飞秒激光刻写。飞秒激光刻写技术的出现大大简化了光纤光栅制作流程,由于其成栅机理不同于常见的紫外曝光法,无需对光纤进行载氢处理,非常有利于在超大芯径光纤上制备高性能光栅。根据是否使用相位模板,基于飞秒的光栅制备总体分为直写和相位模板辅助刻写两种方式。本文从刻写方式的角度对国内外基于飞秒激光的光纤光栅研制情况进行了全面综述,详细总结分析了各种刻写方式的特点与光栅的应用场合,指出其在分布式光纤传感、光纤通信波分复用、多波长激光器、大功率光纤激光器等方面具有潜在的重要应用价值和广泛应用前景。

采用数字微镜器件(DMD)无掩模光刻技术,以飞秒激光为光源,结合大面积拼接的方法快速制备了具有较高分辨率和毫米尺寸的大面积微纳结构。提出以单子场投影线扫描的方式进一步改善由于光场能量分布不均匀引起的结构边缘粗糙的问题,极大地降低了线条的边缘粗糙度,有效地控制了结构的精度。本研究以半导体领域常用的正性光刻胶为主要研究对象,实现了面积为7.4 mm 2的1 μm等间距线阵列和面积为38.7 mm 2的10 μm等间距线阵列结构的快速制备。本研究为大面积微纳结构制备提供了一种新方法,所制备结构可应用于气液流动、药物输运及晶体生长等领域。

近年来,随着研究人员在微纳集成领域(如微流体、微机械、微电子等领域)研究的逐渐深入,不同材料间的连接成为该领域发展的一个瓶颈。超短脉冲激光焊接技术因其热效应精密可控、精度高等优势,逐渐成为了非金属材料焊接领域的研究热点。以玻璃、陶瓷、半导体单晶材料、有机聚合物为例,介绍了超短脉冲激光在非金属材料焊接领域的应用及具体案例,并展望了该技术的未来发展趋势。

利用波长为532 nm、脉宽为90 ns的纳秒激光器,精密五轴运动系统,以及自主研发的计算机辅助制造程序,通过精确控制机械运动和激光辐照参数,在平面和自由曲面上制备了周期性亚波长条纹。研究了不同激光能流密度和扫描速率对条纹形成的影响,发现能流密度F=7.52 J/cm 2和扫描速率v=7 mm/s时,形成最佳条纹。结合激光偏振控制器件,发展了一种同步偏振控制技术,实现对激光偏振方向的同步控制,从而实现对条纹方向的精确操控。同时研究了不同的条纹方向对着色效果的影响。在此基础上,在不锈钢平板上制备了颜色鲜艳、外轮廓清晰的彩色图案,进一步实现了曲面上复杂图案的制备。

基于有限差分时域方法(FDTD),设计了两种具有增强线结构的太赫兹线栅偏振器,用于消除重力和空气扰动对偏振器性能的影响; 利用飞秒激光微加工制备了偏振器,通过时域太赫兹光谱测试偏振器的性能,并将其与商用线栅偏振器进行了比较,发现偏振器的透射率与FDTD结果吻合,具有不连续增强线的偏振器的偏振度和消光比优于商用线栅偏振器。

利用飞秒激光油液辅助的加工方式,在单模光纤端面附近制作出20 μm直径的精密柱形微孔。利用微孔与光纤端面形成了具有明显光拍和游标效应的法布里-珀罗传感器,实现了对环境参数的测量。实验结果显示了传感器对外界温度、湿度、折射率以及气压具有较好的线性响应,传感器具有-0.0669 dB/℃的低温灵敏度、0.74 nm/%RH的湿度灵敏度、6.5 nm/RIU的折射率灵敏度、12.23 pm/℃的高温灵敏度以及1.743 dB/MPa的气压灵敏度。该传感器具有制作简单、性能稳定、结构紧凑等优点。

光纤激光器在光纤通信、激光加工等领域具有广泛的应用。光纤Bragg光栅(FBG)是构成全光纤激光器的关键器件。FBG飞秒激光制备技术适用于各种材料的光纤,具有加工工艺简单、可制备耐高温FBG等优点,在光纤激光器中已取得广泛应用。基于此,介绍了FBG飞秒激光制备技术的方法、特点及其在光纤激光器应用中的优势,展示了FBG飞秒激光制备技术在不同波长范围和类型的光纤激光器中的应用研究进展,最后对未来适用于光纤激光器的FBG飞秒激光刻写技术的发展方向进行展望。

凹陷包层波导是一种新型波导,其折射率未变化的波导芯被数量众多的折射率变低的轨迹包围,具有截面形状和大小可以灵活调控的优点。凹陷包层波导芯区保留了材料原本的性质,可以传播横电和横磁两种偏振模式,在集成光子学领域具有重要的发展潜力。利用飞秒激光三维微纳加工技术,可以在多种玻璃和晶体材料中制备凹陷包层波导。除了通过平移和螺旋扫描进行制备,还可以利用焦场整形技术实现快速制备。综述了凹陷包层波导的飞秒激光加工进展及其在波导激光器、频率转换、温度传感、波导光栅滤波器和集成光子学器件等方面的应用。

近年来,石墨烯因具有良好的柔韧性、透明度、导电性、机械强度等优点,已经逐渐成为制备柔性电子器件的重要材料。激光加工技术由于具有加工精度高、可编程、灵活直写等特点,已经在制备石墨烯薄膜柔性电子器件领域扮演着越来越重要的角色。为此,概述了激光还原氧化石墨烯的基本原理和激光调控还原氧化石墨烯的性质如氧含量、导电性、图案化、结构化及杂原子掺杂等方面的研究进展,介绍了典型的由激光还原氧化石墨烯薄膜制备的柔性电子器件,包括传感器、超级电容器、发电机等,提出了目前利用激光还原氧化石墨烯薄膜制备柔性电子器件的局限性,并对其未来发展进行了展望。

从解决陶瓷齿轮加工困难的实际应用需求出发,系统研究1064 nm皮秒激光的输出功率、扫描速度、扫描次数、扫描线间距等工艺参数对陶瓷切削深度、宽度和表面粗糙度的影响;结合齿轮结构的几何特征,采用将柱状工件的曲面加工转换成平面加工的方法,完成了不同齿形(直齿、斜齿)陶瓷齿轮的激光直接高精制造,齿面平均粗糙度Ra≤2 μm,加工效率高,可适用于不同材质齿轮类复杂构型零件的加工。

基于过饱和掺杂硅材料制备的光电探测器表现出低电压高增益、可见光到近红外波段宽光谱响应等优点,主要介绍了飞秒激光过饱和掺杂的作用机制,以及相应硅基光电探测器的国内外研究进展,具体讨论了如何提升器件响应、抑制暗电流、改善材料晶格质量、提升载流子输运能力等问题,介绍了器件在柔性光电子领域的应用拓展,并展望了飞秒激光过饱和掺杂硅基光电探测器的发展前景。

近年来,空间光调制器被广泛应用到超快激光加工像差校正、多焦点平行加工、二维面加工、三维体加工、脉冲时空整形、结构光加工等不同领域。对空间光调制器的原理进行了介绍,阐述了空间光调制器的全息图生成算法,并着重介绍了空间光调制器在超快激光加工领域中的应用。

激光加工纤维增强复合材料的常见方法是切割、钻孔和表面处理等,本文综述了激光加工纤维增强复合材料的国内外研究进展,重点聚焦碳纤维增强复合材料的激光加工方法,阐述了激光加工纤维增强复合材料的特点和物理去除机制,总结了激光工艺参数对加工质量和加工效率的影响规律,最后展望了激光加工纤维复合材料的发展与挑战。