Author Affiliations
Abstract
1 The University of Tokyo, Department of Bioengineering, Tokyo, Japan
2 The University of Tokyo, Department of Precision Engineering, Tokyo, Japan
3 The University of Tokyo, Medical Device Development and Regulation Research Center, Tokyo, Japan
4 Saitama University, Department of Electronics and Information Sciences, Saitama, Japan
Spatiotemporal shaping of ultrashort pulses is pivotal for various technologies, such as burst laser ablation and ultrafast imaging. However, the difficulty of pulse stretching to subnanosecond intervals and independent control of the spatial profile for each pulse limit their advancement. We present a pulse manipulation technique for producing spectrally separated GHz burst pulses from a single ultrashort pulse, where each pulse is spatially shapable. We demonstrated the production of pulse trains at intervals of 0.1 to 3 ns in the 800- and 400-nm wavelength bands and applied them to ultrafast single-shot transmission spectroscopic imaging (4 Gfps) of laser ablation dynamics with two-color sequentially timed all-optical mapping photography. Furthermore, we demonstrated the production of pulse trains containing a shifted or dual-peak pulse as examples of individual spatial shaping of GHz burst pulses. Our proposed technique brings unprecedented spatiotemporal manipulation of GHz burst pulses, which can be useful for a wide range of laser applications.
pulse stretching spatiotemporal shaping ultrashort pulse trains ultrafast imaging burst laser ablation transmission spectroscopic imaging 
Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016002
汪晖 1温秋玲 1,2,*黄辉 1,2黄国钦 1,2[ ... ]吴贤 3
作者单位
摘要
1 华侨大学 制造工程研究院,厦门 361021
2 高性能工具全国重点实验室,厦门 361021
3 华侨大学 机电及自动化学院,厦门 361021
为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理,进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明,金刚石被加工区域出现了沿着110晶向的微裂纹,在微槽边缘区域形成了周期为100~230 nm的纳米条纹,微槽中心区域形成了周期为460~640 nm的纳米条纹,且纳米条纹的形貌与激光加工参数密切相关。通过实验获得了金刚石的烧蚀阈值为3.20 J/cm2,且当激光能量密度为24.34 J/cm2时,金刚石的烧蚀速率为44.8 nm/pulse,材料去除率为4.34×10-10 g/pulse。拉曼检测发现,微槽底部的金刚石发生了石墨化,理论计算的石墨层厚度为11.1 nm。根据不同激光能量密度下拉曼峰的频移计算飞秒激光辐照后金刚石微槽内的残余应力,当激光能量密度增加至24.34 J/cm2时,残余拉应力增大至1 389 MPa。温度场仿真结果表明,飞秒激光加工金刚石的材料去除主要是以金刚石升华为主,且飞秒激光辐照能量大多集中在金刚石的表层,几乎不会通过热传导扩散到金刚石内部。
飞秒激光烧蚀 CVD单晶金刚石 纳米条纹 烧蚀速率 石墨化 残余应力 温度场 Femtosecond laser ablation CVD single crystal diamond Nano-ripples Ablation rate Graphitization Residual stress Temperature field 
光子学报
2023, 52(12): 1214001
陈文彬 1冯吉军 1,*廖洋 2夏新成 1[ ... ]赵新洛 3,**
作者单位
摘要
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室,上海 200093
2 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
3 上海大学低维碳与器件物理研究所物理系,上海 200444
利用重复频率为1 kHz的钛蓝宝石飞秒激光烧蚀悬浮在甲醇中的单壁碳纳米管制备碳炔。利用表面增强拉曼光谱仪和紫外可见吸收光谱仪对样品溶液进行光谱表征,并用高效液相色谱仪对样品进行分离,确认有碳炔(CnH2n=6,8,10,12,14,16)生成,其中的主要产物是C8H2。对制备碳炔的最佳激光功率与最佳加工时间进行了研究,结果显示:当激光单脉冲能量为0.52 mJ、加工时间为1.5 h时,可以获得最高的碳炔产率。对碳炔的合成机制进行了较深入的解释。激光功率密度存在饱和阈值,该饱和阈值与C2自由基的碎裂程度有关,激光功率密度超过饱和阈值后会打破C2自由的“反向” 第四键,进而影响C2自由基合成碳炔。因此,随着激光单脉冲能量增大,碳炔的产率呈现先增加后降低的现象。本研究可为碳炔的大规模制备提供重要参考。
激光技术 碳炔 飞秒激光烧蚀 激光功率密度饱和阈值 单壁碳纳米管 laser technique polyynes femtosecond laser ablation laser power density saturation threshold single-walled carbon nanotubes 
中国激光
2023, 50(20): 2002404
作者单位
摘要
1 长春理工大学 国家纳米操纵与制造国际联合研究中心,吉林长春30022
2 佛山科学技术学院 机电工程与自动化学院,广东佛山585
为了实现大面积图案化铜微纳结构的制备,基于液相下激光烧蚀技术,以硅片为衬底,将其浸没在含有Cu2O微米粒子的乙醇溶液中,采用纳秒脉冲激光进行加工。研究了激光功率、扫描速度和扫描次数对铜微纳结构的影响,分析了图案化铜微纳结构的形成机制,并研究了图案化铜微纳结构的浸润特性。扫描电子显微镜结果表明,随着激光功率、扫描速度和扫描次数的增加,图案化铜微纳结构中的铜颗粒熔融现象加剧,光斑中心区域的纳米颗粒粒径逐渐增大,光斑交界处形成呈现周期性分布的微米量级单元结构。能量色散X射线光谱证明少量Cu元素分布在光斑中心区域,大量Cu元素集中在光斑交界处。随着扫描次数的增加,样品表面粗糙度和纯净水/食用油接触角均呈现先上升后下降的趋势。当扫描次数为6时,表面平均粗糙度为(1.3±0.11)μm,纯净水接触角可达(155.2±1.5)°,食用油接触角达(100.0±1.3)°。该大面积图案化铜微纳结构制备方法简单快速,无粉尘污染,在微流体芯片、集水系统和废水处理等领域具有广泛的应用前景。
激光烧蚀 图案化铜微纳结构 浸润特性 二元结构 laser ablation patterned Cu micro-nano structure wetting characteristic binary structure 
光学 精密工程
2023, 31(15): 2248
张喆 1,2宋琦 1,3张昆鹏 1薛美 1[ ... ]张紫辰 1,**
作者单位
摘要
1 中国科学院微电子研究所微电子仪器设备研发中心,北京 100029
2 中国科学院大学微电子学院,北京 100049
3 长春理工大学国家纳米测量与制造技术中心,吉林 长春 130022
硅是半导体领域使用最广泛的材料,近几年随着制程工艺的发展,传统的机械划片方法已经无法满足更高的加工质量要求。现有激光开槽与金刚石刀结合的划片工艺,多采用纳秒多光束的激光加工方式。介绍了能量呈平顶分布的飞秒激光开槽硅晶圆技术的双温数值仿真模型与实验,使用波长为517 nm的飞秒激光,基于有限元模型分析了飞秒脉冲加热硅表面的能量沉积过程和热场的演化过程,研究了激光功率、光斑间隔和能量分布等激光加工参数对工艺效果的影响。最后通过实验,实现了硅晶圆表面槽宽可控、槽底均匀、槽侧壁陡直的开槽工艺。实验结果表明,平顶飞秒激光划槽工艺在未来硅晶圆划片及微结构制备中具有很大的工程应用潜力。
激光技术 飞秒激光 双温模型 光束整形 激光烧蚀 晶圆划片 laser technique femtosecond laser two temperature model beam shaping laser ablation wafer dicing 
中国激光
2023, 50(20): 2002202
作者单位
摘要
1 西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程系生物医学信息工程教育部重点实验室,陕西 西安 710049
2 南京医科大学生物医学工程与信息学院,江苏 南京 211100
3 清华大学医学院生物医学工程系,北京 100084
4 西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室生物医学光子学与传感研究所,陕西 西安 710049
微创介入治疗近年来发展迅速,具有重要临床价值。然而,微创条件下手术视野与操作范围受限,手术结果高度依赖医生经验。为解决这一问题,临床关注的焦点是如何实现手术信息的可视化、手术定量信息的获取和治疗范围的精准控制。光学辅助与激光消融技术在解决该问题上发挥了重要作用。增强现实技术提供新的可视化方式,光学追踪与传感为术中提供多维的定量信息,而激光消融则提供了精准治疗的途径。同时,光学技术与计算机视觉、人工智能、材料科学等多学科结合,推动微创介入朝着智能化、精准化、个性化的方向发展。聚焦于微创介入中的光学辅助与激光消融技术,主要从增强现实、光学追踪与感知、激光消融三方面,对相关研究进展进行综述。
医用光学 增强现实 光学追踪与感知 激光消融 微创介入 medical optics augmented reality optical tracking and sensing laser ablation minimally invasive intervention 
中国激光
2023, 50(15): 1507201
明兴祖 1,2李学坤 2,*米承继 2何国旗 2[ ... ]明瑞 2,**
作者单位
摘要
1 湖北文理学院 机械工程学院,襄阳 441053
2 湖南工业大学 机械工程学院,株洲 412007
3 株洲齿轮有限责任公司技术中心,株洲 412000
针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm2且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm2、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。
飞秒激光 能量累积 变离焦量 复耦合模型 曲面加工 18Cr2Ni4WA 激光烧蚀 齿面形貌 Femtosecond laser Energy accumulation Variable defocus volume Complex coupling model Surface machining 18Cr2Ni4WA Laser ablation Tooth surface morphology 
光子学报
2023, 52(4): 0414002
刘文凤 1,2孙明营 1,*石逸群 1,2郭亚晶 1[ ... ]朱健强 1,**
作者单位
摘要
1 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,上海 201800
2 中国科学院大学,北京 100049
基于亚纳秒间隔的皮秒激光双脉冲,研究了双脉冲时域整形对K9玻璃表面烧蚀特性的调控规律。当子脉冲间隔为667 ps时,不同形状双脉冲下玻璃表面的烧蚀形貌随激光通量增加的变化规律明显不同,而泵浦通量起着决定性作用。当泵浦通量低于阈值时,双脉冲烧蚀特性基本与单脉冲相似;当泵浦通量在阈值附近时,泵浦脉冲对玻璃表面的微纳米尺度的烧蚀会显著增强探测脉冲的烧蚀效应。当泵浦通量高于1.3倍阈值时,泵浦脉冲在玻璃与空气界面附近产生冲击波,探测脉冲被冲击波的高密度前沿界面反射和干涉,在中心烧蚀区域周围产生了圆环状烧蚀形貌,且圆环分布与探测通量密切相关。双脉冲烧蚀的内径尺寸与泵浦通量相关,而外径尺寸与双脉冲的形状、通量均相关。对比研究了子脉冲间隔为333 ps和667 ps时的等通量双脉冲烧蚀形貌,结果发现:低通量下较小的脉冲间隔可以增强烧蚀效应;高于烧蚀阈值的泵浦脉冲会影响探测脉冲的能量沉积;两种脉冲间隔下环状形貌的不同反映了泵浦脉冲产生的冲击波的传输特性不同。最后基于实验结果讨论了双脉冲序列时域整形进行表面烧蚀调控的物理机制。
激光技术 激光烧蚀 皮秒激光 双脉冲 时域整形 laser technique laser ablation picosecond laser dual-pulse temporal shaping 
中国激光
2023, 50(12): 1202201
作者单位
摘要
1 厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院,福建 厦门 361005
2 中国福建能源材料科学与技术创新实验室,福建 厦门 361005
为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期,提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0~30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性,具体分析了激光功率及加工次数对微结构深度及声信号各频率幅值变化的影响。以声信号作为输入,基于人工神经网络对加工质量进行预测。实验结果表明:通过监测激光加工时产生的声信号能够明确反映被烧蚀硅表面是否形成周期性微结构,且微结构宽度不同,其对应的声信号频率组成也不同。在微结构宽度固定的情况下,归一化后的声信号特征参数随微结构深度线性变化,且受到激光功率变化的影响忽略不计。以硅基表面5%的反射率作为加工质量分界线,采用人工神经网络对加工质量的预测结果与实际测量结果的准确率可以超过90%。结果表明:声波在线监测可以有效应用于评估表面加工质量,为抗反射硅表面制备过程的实时监测提供了理论依据。
表面光学 激光烧蚀 抗反射硅基表面 声发射信号 实时监测 人工神经网络 surface optics laser ablation anti-reflective silicon surface acoustic emission signal real-time monitoring artificial neural network 
光学学报
2023, 43(9): 0924001
作者单位
摘要
航天工程大学宇航科学与技术系, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
为研究脉冲激光斜入射烧蚀铝靶冲量耦合机理, 直接测量其宏观冲量耦合特性是其中一种手段, 但激光烧蚀包含多种物理过程, 仅仅研究其宏观力学性能难以深入分析冲量形成机理, 脉冲激光烧蚀形成的等离子体羽流喷射是诱发力学效应的重要过程, 因此, 在研究宏观力学性能的基础上, 通过开展脉冲激光斜入射烧蚀铝靶等离子体羽流及发射光谱特性测量研究, 深入分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理。 围绕单脉冲1064nm激光斜入射烧蚀铝靶开展研究, 首先通过构建高速摄影测量系统和发射光谱测量系统, 获得了典型激光能量密度斜入射烧蚀铝靶产生的等离子体羽流图像、 等离子体光谱图像和等离子体发射光谱, 基于等离子体发射光谱, 利用Boltzmann作图法和Stark展宽法, 分别研究了脉冲激光多种斜入射角度下等离子体温度、 电子数密度随能量密度的变化关系; 通过搭建扭摆微冲量测量系统, 研究了脉冲激光多种斜入射角度下, 沿着激光入射方向的冲量耦合系数随能量密度的变化。 研究中遵循从羽流微尺度演化过程到冲量宏观力学性能测量分析的研究思路。 实验结果表明, 随着能量密度的增加, 等离子体羽流发光强度增强, 羽流离化程度增加, 等离子体温度、 电子数密度均先迅速增加, 冲量耦合系数也迅速增加; 当能量密度大于15 J·cm-2时, 由于等离子体屏蔽效应, 等离子体温度、 电子数密度均逐渐趋于饱和, 最终导致冲量耦合系数随着能量密度的增加而减小; 此外, 随着入射角度的增加, 等离子体温度、 电子数密度均逐渐减小, 导致冲量耦合系数也随之减小。 研究结果表明, 利用高速摄影和发射光谱可较好地分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理, 研究结果可为激光空间碎片清除、 空间微推力器、 空间非合作目标消旋等空间应用的关键参数优化提供参考。
激光烧蚀 斜入射 等离子体羽流 高速摄影 发射光谱 等离子体屏蔽 冲量耦合 Laser ablation Oblique incidence Plasma plume Fast photography Optical emission spectroscopy Plasma shielding Impulse coupling 
光谱学与光谱分析
2023, 43(3): 933

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