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“超快激光加工与微纳制造”专题 前言

    ——清华大学 钟敏霖,北京大学 李焱
激光制造技术历经多年的研究发展,涵盖了以激光表面工程、激光焊接、激光切割、激光制孔、激光标记、激光增材制造等为代表的宏观制造技术,以激光微焊接、激光精密切割、激光精密钻孔、激光烧蚀等为代表的激光微加工技术,和以飞秒激光直写、双光子聚合、干涉光刻、接触离子透镜序列、激光诱导表面纳米结构和纳米颗粒激光制备等为代表的激光微纳制造技术等广泛的研究领域 ...
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单光束飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅机理及应用研究进展(特邀)
王珏晨 张芳腾 邱建荣
浙江大学材料科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室;华南理工大学材料科学与工程学院发光材料与器件国家重点实验室;浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室
[摘要]单光束飞秒激光诱导的玻璃内部纳米光栅结构自发现以来就受到了广泛的关注, 成为飞秒激光与物质相互作用研究领域的一大热点。经过十几年的发展, 这一研究方向在基础研究和应用探索方面均取得了很大的进步。主要综述了飞秒激光诱导玻璃内部自组织纳米光栅的研究现状, 围绕影响纳米光栅形成的关键参数、形成机理和应用探索等方面, 重点介绍了这一研究领域近五年来的进展, 并对当前研究中存在的问题进行了总结和对未来发展前景进行了展望。
飞秒激光直写制备内嵌微透镜、能源器件及生物传感器的研究进展(特邀)
周伟平 王树同 于泳超 郑崇 李若舟 婷琇 白石 马德龙 冯国英 胡安明
北京工业大学激光工程研究院;美国田纳西大学机械航空与生物医疗工程系;四川大学电子信息学院激光微纳工程研究所;光学辐射重点实验室
[摘要]飞秒激光具有超短脉宽和极高峰值强度, 已广泛应用于精细加工与微纳制造领域。目前, 激光直写技术用于柔性器件的制备受到极大的关注。综述了激光直写技术的四个研究方向:1)激光直写微透镜用于广角成像; 2)激光制备纳米金/还原氧化石墨烯微超级电容器; 3)聚酰亚胺基体上多层超级电容器的制备; 4)电容生物传感器的激光制备。同时介绍了本课题组开展的相关研究工作, 可为激光直写制备微纳结构器件的研究与应用及未来发展方向提供参考。
基于飞秒激光直写的三维高定向碳纳米管组装(特邀)
龙婧 熊伟 刘莹 蒋立佳 周云申 李大卫 姜澜 陆永枫
华中科技大学武汉光电国家实验室;美国内布拉斯加林肯大学激光辅助纳米工程实验室;北京理工大学机械与车辆学院
[摘要]介绍了碳纳米管(CNTs)/聚合物复合材料分散性、定向排布和组装方面的研究进展, 并利用双光子聚合(TPP)激光直写技术, 实现了多壁碳纳米管(MWNTs)在三维空间的定向排布和分子组装。通过加入硫醇分子, 提升了MWNTs/聚合物复合材料中CNTs的分散性和掺杂浓度, 增强了CNTs/聚合物复合材料在电学、光学、力学方面的性能, 并成功实现了三维CNTs功能器件的制造。研究结果表明, 通过将TPP激光直写技术与热退火工艺相结合, 可以实现对CNTs簇排列方向和位置的精确控制。
飞秒激光制备微光学元件及其应用(特邀)
曹小文 张雷 于永森 陈岐岱
吉林大学机械科学与工程学院;集成光电子学国家重点联合实验室,吉林大学电子科学与工程学院
[摘要]近年来, 微光学元件的制备与应用受到人们的广泛关注。微光学元件体积小、重量轻及制造成本低, 并且易于与微机电系统相集成, 能够实现普通光学元件难以实现的功能, 在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域, 突显出重要的应用价值。飞秒激光因其超短的脉冲宽度和超高的瞬时功率, 能够实现超高精度的微纳加工, 轻松突破衍射极限。飞秒激光加工技术对材料没有选择性, 加工过程也非常灵活, 可以进行任意复杂结构的加工, 丰富了微光学元件的制备种类。飞秒激光还能在现有结构或系统上进行集成加工, 极大扩展了微光学元件的应用。简要概述了微光学元件的优点及一些常用的制备方法, 同时对飞秒激光加工技术进行了简单概括, 对近年来飞秒激光制备各种微光学元件的实验和应用研究进行了综述, 最后对微光学元件未来的研究方向进行了预测和展望。
激光微加工技术制备生物医用器械的现状与进展(特邀)
卢立斌 王海鹏 管迎春 周伟
北京航空航天大学机械工程与自动化学院;北京航空航天大学国际交叉研究院;College of Engineering, Nanyang Technological University
[摘要]激光微加工具有超快、超精密的特性, 在医疗器械加工中有着独特的优势, 尤其是针对具有良好生物相容性材料的微加工有着不可替代的作用。系统总结了激光微加工制备技术在生物医学领域的若干最新应用, 重点讨论了生物材料表面微加工、医学元件和血管支架微结构制备以及三维生物支架快速成型等技术, 并进一步指出现有激光微加工制备生物医用材料的局限和发展趋势。
双螺旋微结构的双光子聚合制备 (特邀)
刘力谱 张世杰 杨宏 龚旗煌 李焱
北京大学物理学院现代光学研究所
[摘要]通过拉盖尔-高斯(LG)模式光束的等权重线性叠加, 制备了焦斑形貌为双螺旋的光束。选择模式面内斜率为3的直线上的5个模式进行叠加, 增加了双螺旋焦斑的螺旋圈数,增强了手性并增加了谱宽, 但是同时旁瓣光较强, 双光子聚合过程中双螺旋的两个主瓣会发生粘连。提出的紧聚焦下的双高斯函数和阶跃函数相结合的优化方法, 可明显抑制旁瓣光并制备出纯相位板。将符合要求的纯相位板加载到空间光调制器中, 通过单次曝光聚合, 最终得到了高螺旋圈数且无粘连的双螺旋微结构。
飞秒激光诱导金属银纳米布线加工精度的研究 (特邀)
柳森 王欢 张永来
吉林大学电子科学与工程学院
[摘要]对飞秒激光诱导银纳米布线的加工精度进行研究,并将其应用于微纳器件的加工领域。对飞秒激光与银离子前驱体溶液的相互作用进行了实验, 通过对飞秒激光功率、曝光时间、前驱体溶液中表面活性剂种类以及浓度的调控, 利用扫描电子显微镜对布线结构进行表征, 得到140 nm宽的银纳米线。利用飞秒激光制备出一组银微纳图案和微型催化反应器。该研究为银微纳结构图案制备以及复杂衬底上金属功能器件集成提供了新的技术。
基于空间光调制器的能量可控飞秒激光加工 (特邀)
饶生龙 吴培超 张晨初 胡衍雷 杨亮 劳召欣 吴东
中国科学技术大学精密机械与精密仪器系
[摘要]针对飞秒激光微纳加工技术中激光与加工样品相对运动的控制、聚焦光斑能量的控制中存在的问题, 提出一种基于硅基液晶空间光调制器动态加载计算全息图同时控制焦点位置和能量的新型加工方法。该方法通过加载叠加闪耀光栅的全息图, 控制单点运动来扫描加工二维结构, 无需平台移动。进一步控制全息图的挖空区域, 可以调制入射光斑的能量, 进而控制被加工点阵的形貌。利用这一加工效应, 成功实现各种可控环状结构的加工, 并在光学显微镜下测试达到相应效果, 证明这种加工方法在飞秒激光微纳加工领域具有可行性。
飞秒激光前向转移诱导产生金属纳米结构薄膜
余佳 何书通 宋寰宇 王清月 胡明列
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室,光电信息技术科学教育部重点实验室
[摘要]使用掺镱光子晶体光纤飞秒激光放大系统作为加工光源, 利用激光诱导前向转移(LIFT)技术对铜膜进行加工, 产生纳米结构。通过控制飞秒激光光源参数, 得到不同纳米结构的金属薄膜。在功率较低时, 能够得到纳米团簇; 随着功率升高, 团簇尺寸变大; 到达一定功率时, 出现纳米线结构。通过实验分析了飞秒激光与材料相互作用时发生的物理过程。利用该机理, 对20, 40, 200 nm三种厚度的铜膜在相同实验条件下的实验结果进行比较, 获得了产生纳米团簇和纳米线结构薄膜的最佳条件。
飞秒激光在钨表面制备二维周期复合结构的研究
乔红贞 王飞 张楠 杨建军
南开大学现代光学研究所,光学信息技术科学教育部重点实验室;商丘师范学院物理与电气信息学院
[摘要]通过控制飞秒激光脉冲分别在线偏振和角向偏振条件下的入射脉冲个数, 在金属钨材料表面获得了周期性亚波长条纹和金属纳米线复合而成的新型微纳米结构。实验结果表明, 线偏振激光脉冲诱导形成亚波长表面条纹结构的周期和脊面宽度随脉冲个数的增加而减小; 在两种不同偏振情况下, 飞秒激光脉冲在样品表面诱导形成的金属纳米线结构随激光脉冲个数的增加逐渐趋于消失, 而形成微纳米结构的区域面积随激光脉冲个数逐渐增加而增大, 并在飞秒激光脉冲个数为150时趋于不变。
飞秒激光在不同羟基浓度纯石英玻璃内部诱导缺陷研究
黄媛媛 钱静 邵冲云 李虹瑾 戴晔 赵全忠
上海大学物理系;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;中国科学院大学;中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术研发中心
[摘要]采用飞秒激光脉冲辐照不同羟基浓度的纯石英玻璃, 诱导其内部产生缺陷。系统研究了羟基浓度、激光脉宽和激光功率对缺陷类型和浓度的影响。石英玻璃的显微荧光谱、吸收谱和发射谱测试表明, 飞秒激光诱导石英玻璃可以产生非桥氧空穴中心(NBOHC)、非弛豫氧空位[ODC(Ⅱ)]和E′心3种缺陷; 低羟基浓度石英玻璃易产生ODC(Ⅱ)缺陷, 高羟基浓度石英玻璃易产生NBOHC缺陷。用波长为254 nm的紫外灯激发飞秒激光辐照后的高羟基浓度石英玻璃可观察到明显的红色荧光(波长为650nm), 其发光强度与飞秒激光的脉宽和功率相关, 发光强度随激光脉宽的增加先增加后减小, 随激光功率的增加先增加后趋于平缓。
不同晶面单晶硅在飞秒激光作用下的行为特性
张欣 黄婷 肖荣诗
北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室
[摘要]不同晶面单晶硅的物理性能和化学性能的微小差异会对微纳加工结果产生明显影响。利用电子背散射衍射(EBSD)技术,研究了不同晶面单晶硅在飞秒激光作用下的行为特性。结果表明, (111)面单晶硅在飞秒激光能量密度低于和高于破坏阈值时分别形成非晶区和刻蚀区, 而(100)面单晶硅在不同能量飞秒激光的作用下只形成刻蚀区。飞秒激光在微纳加工领域得到广泛应用, 对晶体材料的不同晶面在飞秒激光作用下的行为特性的研究有助于制造新型微纳器件。
带热障涂层的高温合金飞秒激光旋切打孔
张学谦 邢松龄 刘磊 李勇 佟浩 邹贵生
清华大学机械工程系;清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室
[摘要]针对燃气轮机叶片气膜孔传统加工方法存在的缺陷, 采用飞秒激光旋切带热障涂层的高温合金加工气膜孔, 获得了无裂纹、无附着残渣及无重铸层的锥孔。结合飞秒激光加工过程中材料的去除机理, 分析得出:等角速度旋切造成的孔锥度较大; 材料的去除过程为绝热冷却过程, 即与周边材料几乎没有热交换, 未发生基体材料熔化后重新凝固形成重铸层的过程。然而, 在孔的入口发现黑色附着物, 随着加工次数的增加, 逐步覆盖整个入口边缘的部分。试验过程中可收集到含有镍、锆、氧等元素的纳米颗粒, 证明被去除的材料通过液相爆破的方式以纳米颗粒的形式快速离开基体, 从而解释了加工后在孔壁未发现大量附着残渣粘连的原因。相对于低速单层旋切, 高速多层旋切加工效率更高。
皮秒激光对医用钛合金植入物表面微加工及生物相容性的研究
虞宙 张文杰 胡俊
上海交通大学机械与动力工程学院;上海交通大学附属第九人民医院
[摘要]钛合金具有优良的综合性能, 作为医用金属植入材料广泛应用于临床医学, 而在钛合金植入物表面进行微造型有助于提高钛合金的生物相容性。采用1064 nm波长的皮秒激光在钛合金(Ti-6Al-4V)表面进行微造型实验, 并验证微造型的生物相容性。设计正交实验, 通过扫描电子显微镜、扫描探针显微镜和共聚焦显微镜分析了样件表面形貌, 建立微造型几何尺寸与激光参数的关系, 确立了最优工艺参数, 完成钛合金微造型样件制备。进行了大鼠骨髓间充质干细胞培养和免疫荧光观察细胞骨架实验。实验表明, 微造型对细胞生长起到促进和引导作用。
皮秒激光烧蚀K9玻璃后表面损伤研究
郝艳飞 孙明营 时双 潘雪 朱健强
中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室;中国科学院大学
[摘要]考察了利用皮秒激光烧蚀切割K9玻璃过程中后表面的烧蚀损伤现象, 比较了前、后表面的烧蚀特性, 分析了激光能量密度、扫描次数和扫描速度等因素对后表面损伤的影响。根据后表面烧蚀形貌和质量, 优化了激光单行单次扫描时的激光能量密度和扫描速度等参数。讨论了后表面烧蚀损伤的机理, 提出了抑制后表面损伤的方法。实验结果表明, 激光聚焦在前表面进行烧蚀切割时, 后表面会出现严重的烧蚀损伤, 且后表面烧蚀形貌和规律与前表面的显著不同。
全光纤皮秒激光切割蓝宝石晶圆的实验研究
胡小豹 郝强 郭政儒 曾和平
上海理工大学光电信息与计算机工程学院;华东师范大学,精密光谱科学与技术国家重点实验室
[摘要]搭建了中心波长为1064 nm的光纤激光器装置。全保偏光纤结构的锁模脉冲种子源结合选频单元和全光纤放大器, 实现了重复频率连续可调、脉冲串中脉冲数可选、微焦量级单脉冲能量的皮秒激光输出。通过优化选取激光器的输出参数, 对厚度为110 μm的蓝宝石晶圆进行了切片。观察多种激光参数下切片后的微观形貌, 发现单脉冲能量、脉冲串的脉冲数以及光束的光斑圆度会显著影响切割效果。在重复频率100 kHz、脉冲串内7脉冲、光斑圆度大于97%、平均功率0.37 W、划切速度600 mm/s时, 芯片外观最佳, 良品率高达99.58%。
SiCp/Al复合材料纳秒脉冲光纤激光刻蚀工艺
张寰臻 黄婷 肖荣诗
北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室;河北工程大学理学院
[摘要]研究了在高压辅助气体作用下运用纳秒脉冲激光刻蚀SiC陶瓷颗粒增强Al基复合材料的可行性。结果表明, 刻蚀深度随激光能量的增加而增大。由于刻蚀过程中发生了复杂的冶金反应, 在刻蚀表面很难观察到独立的SiC颗粒。重凝层内Al、Si、C、O元素空间分布相对均匀, 其厚度和表面粗糙度随激光能量的增加而增加, 并呈饱和趋势。高压同轴气体的机械作用是材料蚀除的主要机制。