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时空干涉的飞秒激光空间整形技术是一种新型图形化激光加工方法，相比传统技术更加简单灵活并有更高的效率。然而此技术中的缩束系统造成的成像畸变严重影响了加工的准确性。本文模拟并分析了该系统中的畸变现象，利用空间光调制器的相位全息图补偿畸变引起的空间光场的位置变化和光强分布不均。此方法可使曝光处干涉图案的最大偏移量由10.66 μm趋近于0，在实验中将相对最大偏差由60.42%降至8%以下，并使该处二维光强分布趋近于平顶光。该算法降低了时空干涉的飞秒激光空间整形技术对于缩束成像系统的设计需求，节省了成本与时间。基于以上方法，在不锈钢表面拼接加工出了1.5 mm×1.5 mm的具备多级别防伪能力的二维码图案。

摘 要 飞秒激光精微修正技术是采用具有高能量密度的超短脉宽激光对面齿轮齿面进行精微加工的一种新型加工方法。本文考虑齿轮材料成分间互温感应，建立飞秒激光烧蚀面齿轮材料动能量热模型，仿真分析了飞秒激光修正面齿轮齿面温度场的演变规律，得出随着激光能量密度的增大，电子温度急剧升高,电子温度远大于晶格温度，烧蚀凹坑深度和直径均增大。实验观测了烧蚀凹坑的齿面形貌，证实了动能量热模型的正确性，为飞秒激光精微烧蚀面齿轮的研究提供理论指导。

为了提高面齿轮的飞秒激光精微加工质量，研究面齿轮材料18Cr2Ni4WA的烧蚀特性。考虑材料的电子亚系统和晶格亚系统的能量耦合作用，建立双温模型，采用有限差分法仿真分析脉冲宽度、平均功率对烧蚀材料的电子和晶格温度的影响规律，结果表明：当电子与晶格温度达到热平衡，且超过材料的熔点时，齿面产生烧蚀；当电子和晶格的温度均远高于材料的沸点温度时，主要通过相爆炸实现材料去除；材料烧蚀深度一般为40nm左右的区域，避免了热效应对表层质量的影响。通过飞秒激光微加工系统与实验，得出高斯分布的飞秒激光烧蚀材料18Cr2Ni4WA的单脉冲烧蚀阈值为0.29 J/cm2，观测分析平均功率和脉冲数对烧蚀形貌的影响，以及烧蚀区域飞秒激光诱导形成的波纹结构，避免产生二次烧蚀和二次波纹，这些为提高面齿轮齿面质量提供技术基础。

摘 要 微透镜阵列作为重要的微光学元件，以其良好的成像性能及小型化、轻型化的优点，广泛应用于光通信、光信号处理、波前传感、光场调控、数据存储、医学诊断等领域。飞秒激光加工技术具有可控度高、灵活性好、无需掩膜、加工精度高等优势，成为近年来微透镜阵列的重要加工方式。本文综述了微透镜阵列飞秒激光加工方法的研究进展，包括飞秒激光双光子聚合加工和化学刻蚀辅助飞秒激光烧蚀加工，介绍了微透镜阵列的应用，分析了微透镜阵列的飞秒激光加工方法存在的问题和发展趋势。

纳米线的空间定位与接头连接对制备和组装高性能的纳米功能单元至关重要,开发新材料体系的高性能互连结构一直是研究重点之一。使用单脉冲能量密度为22.3 mJ/cm ²的聚焦飞秒激光成功实现p型氧化铜(CuO)纳米线之间的互连,聚焦激光能量场会由CuO纳米线的几何效应在接头处产生局域场增强效应,在纳米线接头的界面处发生原子扩散,促使CuO互连结构在施加偏压为10 V的情况下所获得的电流响应强度较连接前提升3个数量级以上,达到与母材相同的水平,基于该结构的光电探测器在功率为25.3 mW卤素灯照射的条件下获得与母材性能一致的电流增幅比值。所得结果为制备基于纳米连接的小型化、高性能和多功能化的纳米线网络单元奠定基础。

采用干法转移方法制备Au电极-CuO/ZnO纳米线异质结构,通过飞秒激光辐照,基于表面等离子激元的能量局域化输入实现了异质结构的纳米连接,改善了异质结构界面的接触状态,促进了载流子传输通道的导通。辐照前后的电学测试结果表明,激光处理后p型和n型纳米线场效应管的背栅调控性能有明显提升。当栅极电压达到±20 V后,二者的电流有明显的夹止趋势。此外,基于CuO和ZnO纳米线的p型和n型场效应管特性,制备了一种p-CuO/n-ZnO纳米线半导体倒相器。结果表明,激光辐照后的倒相器具有稳定的电压调控能力,为自下而上的微纳电子器件组装提供了新思路。

氧化石墨烯的还原与表面结构化有助于提升传感器、储能器等微型电子器件的性能。相比于其他工艺手段,采用飞秒激光辐照方法可以快速实现氧化石墨烯的同步还原和表面纳结构成型。本文首次对比了1030 nm和257 nm两种飞秒激光波长辐照下氧化石墨烯的形貌与结构特征,发现1030 nm激光辐照产生的条纹周期纳结构主要由入射激光与表面等离激元干涉作用而形成,257 nm激光辐照产生的沟槽微纳结构主要归因于光化学作用。通过拉曼测试和电化学阻抗谱分析表明,相比于257 nm激光作用,1030 nm激光辐照下氧化石墨烯还原程度更高,电极反应过程中接触电阻更小且有利于电荷转移和离子的扩散。

碳纳米管因其独特的电学特性及一维纳米结构成为取代硅材料的重要电子材料,利用碳纳米管制备的微纳米电子器件具有尺寸小、响应快、功耗低等优点,但如何实现碳纳米管与金属电极之间可靠及有效的连接一直是构筑碳纳米管电子器件的难点与重点。针对该问题,首先,采用飞秒脉冲激光辐照技术诱导多壁碳纳米管与不同金属电极(金、镍)产生不同形式的连接;然后,通过测试互连前后多壁碳纳米管与金属电极之间的伏安特性曲线和界面接触电阻验证了该连接方法的可重复性及有效性,为后续大规模制备高性能碳纳米管场效应晶体管提供了一定的基础。

柔性纳米多孔金属材料在柔性传感、柔性储能等领域具有巨大的应用前景。采用脱合金法、等离子体烧结法、热压法制备的纳米多孔金属材料具有较高的弹性模量和屈服强度,不能满足柔性器件的发展需求。为了解决该问题,通过采用高峰值功率的飞秒激光辐照具有良好柔韧性、导电性及抗氧化性银(Ag)纳米线的方法来制备柔性纳米多孔Ag材料。纳米压痕仪测试了柔性纳米多孔Ag材料的力学性能,实验结果表明,柔性纳米多孔Ag材料的力学性能随着飞秒激光辐照功率的增加而增强。此外,X射线衍射仪测试了柔性纳米多孔Ag材料的晶粒尺寸,发现柔性纳米多孔Ag材料的晶粒尺寸随飞秒激光辐照功率的增大而减小。最后,对飞秒激光辐照法、脱合金法、等离子体烧结法、热压法制备的纳米多孔金属材料的屈服强度进行对比分析,当纳米多孔金属材料的晶粒尺寸为50 nm时,飞秒激光辐照制备的柔性纳米金属多孔材料屈服强度最小(0.8 Mpa)。

研究了金属-氧化物异质材料纳米连接过程中的飞秒激光能量输入特征,实现了纳米材料快速低损伤互连的同时,保证了器件功能的完整性。研究了纳米连接对Pt-TiO₂跨尺度互连结构电学性能调控的影响。实验结果表明:当入射光能量密度为5.02 mJ/cm ²时,纳米线与电极接触区域形成具有稳定结合强度的互连接头。模拟结果显示,飞秒激光辐照一侧产生局部“热点”,增强了接头区域的光学吸收。互连接头的形成,降低了异质界面的接触势垒。同时,基于互连结构模拟神经元突触传递,实现了更加稳定的电学性能调控。