激光热力效应对不同材料电化学刻蚀形貌的作用研究

在所构建的纳秒脉冲激光电化学复合加工(LECM)系统中,利用激光辐照和脉冲电化学复合加工的方法,在相同的工艺参数下,分别对304不锈钢、7075铝合金、1060纯铝等金属和脆性材料硅进行了加工试验。探讨了激光热力效应促进电化学加工的机理,并对不同金属材料的极化曲线进行了测量。通过扫描电子显微镜(SEM)对比分析了不同材料复合加工表面的微观形貌;并通过超景深三维显微镜对不同材料的加工深度、宽度与深宽比进行了分析。试验结果表明,在激光热力作用下,铝合金的电化学刻蚀质量和表面形貌较好,且可以加工出深宽比较大的微结构;脆性材料则存在微颗粒的冲击崩离。     

激光声特性与激光脉冲能量对应关系研究

分析了激光脉冲能量与激光声特性的对应关系.采用脉冲能量可调的Nd∶ YAG激光器产生激光声信号,利用水听器测量激光声信号.结果表明,激光脉冲能量在70～300mJ范围内变化时,随着激光脉冲能量的增加,激光声信号峰值声压具有线性增加的趋势,等离子体膨胀声波与空泡溃灭声波的时间间隔也相应增加,等离子体膨胀声波的峰值声压比空泡溃灭声波的峰值声压低,激光声信号的主频与脉冲能量的对应关系较弱.     

脉冲激光热力冲击效应对电沉积的作用

脉冲激光电化学复合沉积利用激光的热力冲击效应可以有效提高沉积效率,改善加工质量。在所构建的纳秒脉冲激光电化学沉积加工系统中,利用激光辐照和电化学沉积的方法对铜进行了复合沉积试验。分析了激光的热力冲击效应对电沉积的作用机理,激光产生的力效应使阴极基片发生弹性变形,改变了电极电势和电流密度,提高了电沉积质量。通过加工试验,研究了激光平均功率密度对沉积质量和沉积效率的影响,并进行了讨论。试验结果表明,激光平均功率密度介于100~400 kW/cm2时可以获得较好的沉积层质量。激光平均功率密度在200 kW/cm2左右,沉积速率取得最大值。     

激光辅助复合电沉积加工速率及表面质量研究

为了解决纳米复合电沉积加工速率慢、颗粒易团聚以及沉积层表面质量差等问题,采用构建高能脉冲激光辅助纳米复合电沉积的方法,利用激光辐照产生定域微区搅拌,缓解颗粒团聚现象,加速电化学反应速率,提高沉积层表面质量,并对加工过程进行了有限元仿真和实验验证。结果表明,激光与电化学复合能够明显的提高复合沉积速率,且激光的冲击作用能够提高晶粒的结合性,进而促进镀层的致密化;同时此冲击作用也能降低纳米粒子的团聚几率,细化镀层晶粒。此研究结果对电解加工技术的发展具有一定帮助。     

纳秒激光电化学复合掩模的微细加工

在激光传输光路中加入掩模对激光束进行空间调制,采用纳秒脉冲激光器、纳秒脉冲电源和1 mol/L的NaNO3电解液对304不锈钢进行掩模微刻蚀加工试验研究。利用伏安法测定304不锈钢阳极电流随平均电压的变化规律;选用平均电压1.5 V、脉冲频率2.0 MHz、脉冲宽度60 ns、激光能量160 mJ的工艺参数,在所构建的试验系统中,分别进行了激光电化学复合掩模和盐溶液中的激光掩模加工试验。结果表明:在阳极钝化区内,纳秒脉冲激光电化学复合加工能够显著提高加工速率和加工表面质量,实现了线宽约为130μm、热影响区小的微细刻蚀加工,证实了纳秒脉冲激光电化学掩模加工在微细加工中具有很大潜力。     

不同环境压强下激光空泡特性研究

构建了激光空泡测量实验平台,使用脉冲激光聚焦击穿水介质产生激光空泡,由水听器对激光空泡溃灭辐射声信号进行接收,利用充气泵对高压水箱内的气压进行精确控制。通过仿真计算和实验对不同环境压强下的激光空泡特征和其溃灭时辐射声信号的峰值变化特性进行了研究。结果表明:当环境压强处在0.1~0.7 MPa 范围内变化时,随着环境压强的增大,激光空泡首次脉动周期和空泡最大半径逐渐减小,两者的变化速率逐渐减小。空泡溃灭时辐射声信号的峰值声压在0.1~0.4 MPa内逐渐增大,在0.4~0.7MPa 内逐渐减小,且增大速率大于减小速率。     

激光诱导双空泡声波特性研究

利用高功率激光与液体物质相互作用产生双空泡,采用高速照相机、高频测量水听器对激光双空泡的生长过程及辐射的声波信号进行了测量,对不同双空泡间距、不同激光能量产生的以及不同方位的声波分别进行采集,并与单空泡声波进行比较,对其特性进行分析。分析结果表明:双空泡之间距离的减小与作用激光能量的增大,引起空化声波声压逐渐增大;而双空泡声波频率峰值始终保持在1kHz,与实验条件的改变无关;双空泡声波相对于单空泡声波声压增大,频率峰值并没有发生明显的改变。     

脉冲激光冲击效应对定域电沉积铜晶粒及其表面形貌的影响

为了研究脉冲激光冲击效应对定域电沉积铜晶粒及其表面形貌的影响,搭建了脉冲激光电化学复合沉积实验系统,并进行了理论分析和实验验证。对沉积过程中的冲击效应进行了检测,采用扫描电子显微镜观察沉积体的表面形貌。结果表明,利用脉冲激光与电沉积液的相互作用,可细化定域电沉积晶粒。此外,激光能量增大时,沉积体晶粒细化,宽度增大,沉积体表面形貌更加平整,内部气孔减少。     

激光水下打靶力学效应的测试与分析

采用自行研制的光纤力学传感器研究了在不同能量的脉冲激光作用下，水中靶材的力学效应。实验和理论分析研究结果表明，水中靶材依次受到激光烧蚀压力及空泡溃灭产生两次射流冲击力的作用，冲击力幅值随作用激光能量的增加均先上升后下降；而射流产生时刻及空泡溃灭时刻随激光能量增加呈单调递增趋势；且射流产生的时刻早于空泡溃灭的时刻。     

准分子激光电化学刻蚀硅的刻蚀质量研究

为了解决现有硅刻蚀工艺中存在的刻蚀质量等问题,采用激光加工技术和电化学加工技术相结合的工艺对硅进行了刻蚀,研究了该复合工艺的工艺特性。实验中采用248nm-KrF准分子激光作光源聚焦照射浸在KOH溶液中的阳极n-Si上,实现激光诱导电化学刻蚀。在实验的基础上,研究了激光电化学刻蚀Si的刻蚀孔的基本形貌,并对横向刻蚀和背面冲击等质量问题进行了分析。结果表明,该工艺刻蚀的孔表面质量好、垂直度高;解决了碱液中Si各向异性刻蚀的自停止问题,具有加工大深宽比微结构的能力;也具有不需光刻显影就能进行图形加工的优越性。     

不同盐度海水的光击穿声辐射特性研究

强激光聚焦于水下时,通过光击穿机制辐射强声波信号。水体介质的盐度不同,在同等的激光参数、光学系统条件下,光击穿辐射的声波在强度、脉冲波形、频谱特征上具有一定的差异性。为研究水介质盐度对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了不同水体盐度参数对光击穿辐射声信号的影响。结论：激光击穿水介质伴随空泡脉动、声信号辐射效应;激光声信号脉冲宽度与水体盐度无关;空泡尺寸和激光声信号强度与激光脉冲能量成正比关系;水体盐度与激光声信号的强度早非线性变化关系。研究结果有助于激光声在海洋中的应用。     

约束层刚性对激光诱导冲击波影响的研究

用不同的实验方法研究了约束层的厚度和弹性与激光冲击强化效果和变形量的关系,进而说明约束层本身的刚性对激光诱导冲击波的影响。实验表明,采用一定厚度的约束层,既能有效利用激光能量,又能获得较大的激光冲击波峰压;一定刚性的约束层比弹性约束层更能有效提高激光冲击波的峰压,从而能得到更好的激光冲击效果。     

激光诱导声信号通信技术的初步研究

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器.分析了激光声信号的时频域数学模型,通过实验对单个激光声信号的时频域特征进行了研究,对激光声通信的信号调制方式进行了理论分析和实验验证.研究结果表明:激光声信号的脉宽约为20s,其能量主要集中在200 kHz内,这其中100~200 kHz内的能量占到的比例大约有50%,通过对激光声信号进行幅度调制和频率调制,可以有效实现激光声通信过程.     

Acoustic events and "optophonic" cochlear responses induced by pulsed near-infrared laser

Optical stimulation of neural tissue within the cochlea was described as a possible alternative to electrical stimulation. Most optical stimulation was performed with pulsed lasers operating with near-infrared (NIR) light and in thermal confinement. Under these conditions, the coexistence of laser-induced optoacoustic stimulation of the cochlea ("optophony") has not been analyzed yet. This study demonstrates that pulsed 1850-nm laser light used for neural stimulation also results in sound pressure levels up to 62 dB peak-to-peak equivalent sound pressure level (SPL) in air. The sound field was confined to a small volume along the laser beam. In dry nitrogen, laser-induced acoustic events disappeared. Hydrophone measurements demonstrated pressure waves for laser fibers immersed in water. In hearing rats, laser-evoked signals were recorded from the cochlea without targeting neural tissue. The signals showed a two-domain response differing in amplitude and latency functions, as well as sensitivity to white-noise masking. The first component had characteristics of a cochlear microphonic potential, and the second component was characteristic for a compound action potential. The present data demonstrate that laser-evoked acoustic events can stimulate a hearing cochlea. Whenever optical stimulation is used, care must be taken to distinguish between such "optophony" and the true optoneural response.     

激光声水下目标探测器的设计

针对一种水下目标的声探测方法设计了激光声水下目标探测器。对激光声信号产生机理进行研究,并开展了水下探测器发射声信号检测的实验。结果表明:强脉冲激光聚焦于液体介质可以产生爆炸性球面声源,探测器内部的声反射面将球面声信号转变为高指向性的平面波信号。通过对探测器的发射信号和接收的目标回波信号进行数值计算,发现探测器发射信号具有窄波束指向性、高距离分辨力和远探测距离等特点,可以满足水下目标探测的应用需求。     

激光热力强化电化学沉积试验研究

为了进一步揭示激光的热力效应对电化学沉积的强化作用,构建了激光电化学复合沉积试验系统,进行了理论分析和实验验证。采用激光循环往复的扫描方式照射沉积区域制备沉积层试样,对沉积过程中的力效应和热效应进行测试,最后采用扫描电子显微镜对沉积层的表面形貌和截面形貌进行观察对比。结果表明,激光的热力效应能加快金属离子的还原反应,促进晶核形成和晶粒细化,在激光能量为0.2mJ（20kHz）时,能获得良好的沉积速率（0.198mg/min）;在激光能量为0.4mJ（20kHz）时,沉积层的拉伸强度性能较好,达到256.38 MPa。此研究结果对电解加工技术的发展是有一定帮助的。     

调Q激光作用水中靶材表面引起的力学效应分析

在分析强激光作用下水中靶材产生的力学效应和力学特性基础上,用基于光偏转原理制做的光纤力学传感器测量了不同激光能量的水下靶材表面的瞬态压力,得到了调Q-Nd：YAG激光等离子体冲击波和空泡射流的压力信号,并从耦合动量角度进行比较,计算出等离子体烧蚀力的冲量和射流的冲量.结果表明,空泡射流的力学效应与等离子体冲击波的一样重要,有时甚至更明显.     

含气量对粘性液体中空泡声波频谱特性的影响

通过压电陶瓷(PZT)水听器获取粘性液体中激光空泡脉动辐射的声波,结合分析液体粘性与空泡含气量对空泡最大半径以及脉动周期的影响,实验研究了含气量对粘性液体中空泡声波频谱特性的影响。分析结果表明,在入射激光能量不变的情况下,激光空泡第1次脉动过程中泡内的含气量随着液体粘度的增加而减少,空泡脉动辐射声波的峰值频率有向高频移动的趋势。