探讨飞秒激光微纳加工技术及其应用

激光微纳加工技术是制造技术中的一种先进高新技术,目前已在工业、机械制造等诸多领域有了广泛的应用。运用这种技术对材料进行加工,可以达到纳米级的加工分辨率,可以大大提高机械加工的精度与效率。本文主要探讨了飞秒激光微纳加工技术的原理与特征,以及该技术在实际中的应用。     

飞秒激光诱导金属功能微结构的机理与应用

介绍了飞秒激光与金属相互作用的机理以及飞秒激光在金属超加工方面的一些最新应用。基于一维双温扩散模型分析了飞秒激光与金属相互作用的超快机制;介绍了飞秒激光加工光电倍增管电极,修复光刻掩膜．诱导白炽灯丝阵列微孔等一些工业应用。     

AlN陶瓷的飞秒激光表面加工及制孔应用

采用飞秒激光对AlN陶瓷进行表面加工实验,分析了激光能量密度和扫描速度对加工表面形貌和尺寸的影响,优选出兼顾加工质量与效率的工艺参数区间,即能量密度10～14 J/cm2,扫描速度20～30 mm/s.基于此,以螺旋扫描轨迹于AlN陶瓷上进行制孔应用,成功实现了无崩边及微裂纹等缺陷的圆孔、方孔及跑道孔加工.该研究验证了飞秒激光加工高质量多孔型的可行性,推动了硬脆材料激光制孔技术在半导体功率器件领域的应用.     

飞秒激光加工聚苯乙烯中的缺陷形成原因

飞秒激光加工是一种高精度加工手段,加工中形成的缺陷对其适用性具有重要的影响。本文开展了聚苯乙烯飞秒激光加工试验,研究了聚苯乙烯在飞秒激光加工过程中的缺陷形成机理,以及光强、速度和环境等加工参数对此类缺陷形成的影响,最后得出了对材料形貌影响最小的加工条件。本研究对于指导聚苯乙烯的飞秒激光加工具有重要的意义。     

飞秒激光加工不锈钢微型悬臂梁的工艺研究

为了研究飞秒激光对不锈钢材料的加工工艺,采用基于飞秒激光材料烧蚀的微细加工方法,深入研究了飞秒激光高效高质量微细加工不锈钢材料的工艺条件与参量优化,并应用于微型不锈钢悬臂梁的制作。分析了激光能量密度、激光扫描速度、重复扫描次数对加工形貌和蚀除速率的影响,制作出了高质量的微米量级的不锈钢微型悬臂梁。结果表明,飞秒激光微细加工是一种极具前途与极具柔性的微机电系统器件加工手段。     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

飞秒激光加工机理及仿真研究进展

目前,微加工和精加工技术的迅速发展对微型化加工技术提出了更高的要求:将加工尺度提高到微米甚至纳米级,并且能够在材料内部实现三维立体微加工.飞秒激光可以突破衍射极限的限制,打破了加工极限,是当前先进制造技术的热点.本文综述了飞秒激光加工的发展历程和机理,并从库仑爆炸模型、微爆炸模型、色心模型以及双光子电离模型等方面对激光加工机理进行了阐述.对于飞秒激光的超快作用过程,仿真是分析加工机理、研究激光与材料作用过程的主要手段.分析了飞秒激光仿真所采用的双温模型、分子动力学模型及复合模型的特点及其适用范围,为飞秒激光加工的理论研究提供依据.最后指出了目前飞秒激光加工技术存在的问题,并对该技术的发展进行了展望.     

飞秒激光时空整形电子动态调控加工微光学元件

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。     

基于激光和表面加工的增减材复合制造

将选择性激光熔化和飞秒激光减材技术相结合已被认为是实现复杂和精细结构近净成形的有效工艺。在SLM工艺中，由于熔池的运动和熔道的重叠，SLM成形件的表面具有一定的周期性结构，这对后续飞秒激光减材影响很大。研究首先测量SLM制备Ti-6Al-4V工件的表面结构，设计飞秒激光减材试验。通过试验和二维数值模型，研究了飞秒激光减材加工过程中表面形貌的演变，预测表面粗糙度值。仿真结果与试验结果非常接近，误差仅为7.63%。此外，该模型还用于研究正负离焦位置的表面移动速度和加工深度：负离焦位置的表面移动速度和加工深度均大于正离焦位置。该关系揭示了飞秒激光减材过程中表面粗糙度降低的机理。     

飞秒激光微孔加工发展综述

随着飞秒激光器的成熟,飞秒激光的应用越来越广泛。由于飞秒激光独特的属性,在微孔加工中具有明显的优势。本文介绍了飞秒激光与材料之间的相互作用机理、飞秒激光打孔的理论研究发展、打孔方式的研究以及各种飞秒激光加工参数的探索。总结了目前发展遇到的问题,未来的发展趋势并提出自己的观点。     

多元等离子体共振纳米结构的飞秒激光加工与拉曼检测应用

以多元金属纳米薄膜(金、银)为基底,利用飞秒激光加工技术制备得到多元等离子体纳米结构,并研究了其局域表面等离子体共振效应(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)和表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)性能。利用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)软件模拟了不同情况下(单层金膜、金银双层金属薄膜的平面以及阵列结构)的电场分布情况。根据仿真结果,相较于平面金属膜来说,飞秒激光制备的微纳结构阵列附近区域产生电磁场增强,集中在结构边缘处,且其强度变化与预期结果基本保持一致。此外,使用浓度为10-4 M和10-6 M的罗丹明(R6G)溶液进行SERS性能测试。测试的结果表明,单层平面金膜基本没有SERS峰值信号出现,而单层金膜上制备的等离子体纳米结构附近出现峰值信号,双层金属薄膜上制备的等离子体纳米结构展现出更高的SERS峰值信号。多元金属等离子体纳米结构展示出更强的局域表面等离子体共振效应,从而在表面增强拉曼散射、光催化、生物传感等领域具有广泛的应用。     

飞秒激光加工镍基高温合金叶片气膜孔的试验研究北大核心CSCD

分析了飞秒激光与镍基高温合金的相互作用机理,对于飞秒激光加工的热影响区极小做出了理论解释;对单脉冲的激光光源项进行改进,使用螺旋加工法,进行了飞秒激光加工镍基高温合金气膜孔加工试验,得到了激光功率、离焦量、单层进给量、单层扫描时间对于加工质量的影响规律,找到了最优工艺参数,对设计激光加工工艺参数提供理论参考。     

“飞秒激光微加工——打孔”的文献综述

飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术,具有非接触、效率高、加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维结构微加工等传统技术无法比拟的诸多优点,其应用领域相当广泛。文章描述了飞秒激光加工透明材料时,激光能量沉积在光学趋肤层,热效应极小的特性。指出了目前打孔普遍利用激光的直写技术,针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。     

飞秒激光加工金属材料的相变研究进展

飞秒激光加工金属的材料相变机理是目前的研究热点问题之一。为了对目前材料相变机制研究进展有一个综合性的认识,调研了近些年来国内外关于飞秒激光与金属相互作用机理的研究工作。通过对比各研究团队的研究角度、方法手段、结论成果,总结出目前与金属相变相关的机械和热机械蚀除机制、液相爆炸模型以及气化蒸发模型等几种理论模型,总结了分子动力学仿真和流体力学仿真等数值模拟方法。发现各理论和模型都只是在某些特定条件下能对材料相变机理进行研究和阐释,还缺少能够实现跨尺度(时间和空间维度)、高效率研究的理论模型,同时也对未来的研究趋势作了一定的展望。     

飞秒激光制备PMMA表面微结构的作用机理和润湿性研究

采用飞秒激光微加工技术对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行微加工,研究PMMA表面不同微结构的润湿性。首先对飞秒激光去除透明聚合物材料的机理进行研究并建立了材料去除模型,制备出PMMA表面光栅结构和方柱结构;采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析。结果表明:飞秒激光加工PMMA表面微结构可以将PMMA润湿性从亲水向疏水状态转变,微结构间距过小会导致激光加工时飞溅的熔融物堆积在结构通道。     

激光微技术的发展现状

介绍了激光微加工技术的特点,与其它微加工技术相比,激光微加工具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率等优点,既可以通过去除方式,也可以通过材料堆积进行微加工成型。综述了几种常用的激光微加工技术及其发展趋势,微机电系统（MEMS）技术的进一步成熟,必将带动激光微技术快速发展。     

倒锥微孔阵列的激光微加工技术研究进展

激光微加工技术凭借其加工效率高、加工材料广泛、无物理损伤以及操控性强等优点在高精度机械部件的加工上有较好的应用前景,易加工出尺寸微小、数量庞大、高品质的倒锥微孔阵列.首先对激光加工微孔的工作原理和特点进行了介绍,综述了激光在加工微孔阵列、倒锥微孔以及倒锥微孔阵列的研究现状,详细介绍了准分子激光、飞秒激光、纳秒激光在加工...     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。