激光诱导化学反应刻蚀石英玻璃的实验研究

针对目前常用的超短脉冲激光加工、激光诱导等离子加工、纳秒紫外激光加工石英玻璃刻蚀率低下的问题,提出一种能够大范围、高刻蚀率、低裂损刻蚀石英玻璃的新方法,即利用1064nm红外激光诱导Ba(OH)2化学反应刻蚀。本文主要从不同能量密度激光诱导化学反应刻蚀机理进行分析,实验表明,当激光能量密度超过16 J/cm2时,石英玻璃被刻蚀;当激光能量密度在16~24 J/cm2之间时,仅物理作用去蚀石英玻璃,故刻蚀率随激光能量变化较小;当激光能量密度在24~42 J/cm2之间时,刻蚀率随激光能量密度变化较大,该阶段Ba(OH)2以及其分解生成的BaO在高温条件下都与石英玻璃主要成分SiO2发生化学反应并生成BaSiO3,故刻蚀率较高;激光能量密度在42~46 J/cm2时,化学反应速率趋于饱和,故该阶段刻蚀率随激光能量密度变化较小。     

异种金属氧化物辅助激光刻蚀蓝宝石的研究

为了提高蓝宝石对普通红外激光的吸收效率, 采用金属氧化物涂层辅助1064nm红外光纤激光器刻蚀蓝宝石。通过单因素研究方法, 研究了不同金属氧化物涂层的刻槽阈值以及激光能量和金属氧化物涂层对刻蚀率的影响, 对6种金属氧化物涂层辅助激光刻蚀的差异以及刻蚀机理进行了理论分析和实验验证。结果表明, TiO₂涂层的刻槽阈值最低约为8.5J/cm2、激光能量为77.7J/cm2时, TiO₂涂层的刻蚀率最高约为107.3×104μm3/s; 刻蚀率随着激光能量的增大先增大后趋于平缓且有所降低; 刻槽阈值和刻蚀率主要与涂层吸收激光能力、热导率以及熔沸点有关, 其中受涂层吸收激光能力和熔沸点的影响较大。此研究结果对激光加工蓝宝石的工业应用提供一定的技术基础。     

157nm激光微加工过程中激光参量对刻蚀性能的影响

为了研究157nm激光工艺参量对刻蚀件能的影响,采用157nm深紫外激光对两种宽禁带材料(石英玻璃和蓝宝石)进行微刻蚀试验,得到了理想的工艺参量范围,蓝宝石的刻蚀速率大约是石英玻璃的一半,并且蓝宝石的刻蚀表面要比石英玻璃粗糙得多.随着刻蚀深度的增加,光解生成物的脱出变得困难,从而导致刻蚀速率的降低.选用较高的扫描速率和...     

透明材料的深紫外激光三维微刻蚀工艺

157nm深紫外激光因其波长短且具有较高的光子能量,被视为较理想的微刻蚀工具之一.介绍了157nm深紫外激光的刻蚀机理,并利用先进的157nm激光微加工设备,进行了一系列微刻蚀实验.研究了激光工艺参数对石英玻璃的刻蚀效率和表面粗糙度的影响,进行了多种三维微结构的加工试验,证实了157nm激光微刻蚀工艺在制备MOEMS器件方面的实用性.     

水辅助激光无重铸层钻孔Al2O3陶瓷实验研究

为了解决传统加工过程中重铸层无法消除的问题，采用超快皮秒激光创新性地在水介质中对Al₂O₃陶瓷进行皮秒激光钻孔实验，并与空气中钻孔结果进行对比，研究了皮秒激光主要参量如单脉冲能量、扫描次数等对陶瓷微孔的孔径、锥度和重铸层厚度的影响规律，并分析讨论不同介质中皮秒激光与Al₂O₃陶瓷相互作用机理及材料去除机制。结果表明，在水介质中激光钻孔直径增加约35μm、微孔锥度降低至1.04°并可获得无重铸层钻孔效果；激光作用过程中水的存在会引起空泡作用、吸收作用和运输作用，有效防止了去蚀材料二次黏附，消除了重铸层和降低了微孔锥度，提升了微孔质量。该研究阐述了水辅助激光钻孔的具体影响状况并加深了对水辅助的影响机理理解。     

水辅助激光刻蚀氧化铝陶瓷的研究

为了得到较理想的激光刻蚀结果,采用355nm固体紫外激光,分别在空气与水中进行了氧化铝陶瓷片激光刻蚀实验。对激光主要参量如脉冲能量密度、激光扫描速率、激光重复频率等对水下刻蚀深度和质量的影响进行了对比研究;对激光刻蚀的机理以及水辅助刻蚀的物理过程进行了分析,分别得到了紫外激光在空气中与水下的刻蚀形貌与不同激光参量下的刻蚀深度数据。结果表明,水辅助激光刻蚀可以提高刻蚀效率,改善刻蚀质量;水下激光刻蚀深度与激光的脉冲能量密度、加工速率、重复频率和水的深度等参量有密切的关系;水辅助激光刻蚀过程中水的冷却作用以及产生的空泡有效防止去蚀材料的二次黏附,避免变质层的形成,既提高了刻蚀质量,同时也增加了刻蚀深度。     

激光合金化改性8YSZ热障涂层的抗热腐蚀性能研究

热障涂层可为航空发动机、燃气轮机中的高温部件提供热防护,但其易受高温熔盐腐蚀而过早失效。激光合金化是一种提高涂层抗熔盐腐蚀性能的有效方法。本团队将TiAl₃作为自愈合剂,对8%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂(8YSZ)热障涂层进行激光合金化改性。将喷涂态热障涂层和激光合金化改性热障涂层在900℃的75%Na₂SO₄+25%NaCl熔盐环境下进行4 h热腐蚀试验。结果表明：激光合金化改性热障涂层结构致密且表面分布着网状裂纹,改性层保持亚稳态四方相(t’-ZrO₂)结构;喷涂态热障涂层在900℃腐蚀4 h后,腐蚀产物为单斜相m-ZrO₂和Y₂(SO₄)₃,表面有较多的热腐蚀产物;激光合金化涂层在900℃腐蚀4 h后,腐蚀产物为少量m-ZrO₂和Y₂(SO₄)₃,改性层结...     

CO2激光直写PI薄膜温度、应力场仿真与分析

CO₂激光直写诱导碳基前驱体生成石墨烯过程中，温度与应力是影响石墨烯生成质量的主要因素。利用COMSOL Multiphysics仿真软件，建立连续CO₂激光作用于聚酰亚胺(PI)薄膜温度场与应力场模型，研究激光功率、光斑直径、扫描速度对平均升温速率(δ)及热应力的影响，并根据石墨烯生成温度阈值与薄膜受损温度阈值筛选出合理参数范围。仿真结果表明：在重复扫描策略下，薄膜正面平均升温速率δ₁与激光功率呈线性正相关关系，与光斑直径呈指数下降关系，与扫描速度呈幂函数单调递减关系，δ₁的较优范围为93.6℃/s≤δ₁≤147.8℃/s;背面平均升温速率δ₂与激光功率呈线性正相关规律，与光斑直径呈二次函数单调递减规律，与扫描速度呈线性负相关规律，δ₂的较优范围为69.5℃/s≤δ₂≤86.9℃/s。激光功率是影响热应力的主要因素，仿真结果与结论可为PI薄膜激光诱导石墨烯研究提供参考。     

玻璃材料激光加工技术的研究进展

玻璃材料因其优良、独特的理化性能在半导体、微流控芯片、微机电系统、光通讯及光存储等新兴领域有广泛的应用。激光技术作为一种新型非接触加工方法,可以对玻璃材料表面或其内部进行高精度、高效率的微加工,在玻璃材料加工领域展现出巨大潜力。归纳了激光刻蚀、激光打孔、激光焊接及激光制备功能结构4种典型的激光加工玻璃工艺的基本原理及关键问题,指出了玻璃材料激光加工的最新研究进展、工艺水平及应用现状,其中激光刻蚀包括了激光直写刻蚀、激光诱导等离子体刻蚀与激光背部湿法刻蚀; 激光打孔包括了远红外CO₂激光打孔、超快激光打孔及改进的打孔方法;激光焊接玻璃工艺包括远红外CO₂激光焊接、纳秒激光焊接、超快激光焊接,以及激光制备表面和内部3维功能结构。同时总结了4类激光加工玻璃工艺的优缺点,分析了目前的瓶颈问题。在此基础上,对激光加工玻璃材料的发展前景进行总结和展望。     

激光裂解钛酸酯改性聚硅氧烷制备陶瓷涂层

为了解决先驱体转化陶瓷法中金属粉末活性填料在制备陶瓷涂层中分散不均的问题,采用激光裂解钛酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷法在金属基体表面制备陶瓷涂层,通过电子显微镜、X射线衍射和X射线光电子能谱等手段,取得了涂层表面并分析了激光裂解钛酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷生成物的组成与结构。结果表明,钛酸四丁酯添加量的质量分数为0.05时,涂层表面不同区域的Ti相对含量均在3%左右,Ti元素在涂层中分布均匀,钛酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷在激光作用下生成的陶瓷涂层主要由晶态的SiC,TiO₂,非晶态SiO₂,（TiO₂）₅₆（SiO₂）₄₄以及C₆H₁₈OSi₂等组成,激光裂解过程中新生的TiO₂,（TiO₂）₅₆（SiO₂）₄₄等陶瓷相对所制备的陶瓷涂层表面孔隙具有填补作用,使陶瓷涂层表面均匀平整致密,孔隙、缝隙基本消失,解决了金属粉末活性填料的分散问题。     

溶胶-凝胶膜光学表面激光清洗工艺研究

为了解决光学元件表面的颗粒污染问题，在单发次激光干式清洗的基础上，提出了气流置换系统辅助的激光清洗方法，使用波长为355nm的Nd:YAG激光器，针对镀溶胶-凝胶SiO₂薄膜熔石英光学表面粒径为1μm~50μm的典型SiO₂颗粒污染物，进行了理论分析和清洗实验，取得了可用于激光清洗的工艺参量。结果表明，对于镀溶胶-凝胶膜熔石英样品的单发激光干式清洗，最佳激光能量密度为2.29J/cm2，与未镀膜石英的激光清洗工艺参量存在一定差异；在最佳工艺参量下，单发次激光清洗对于粒径1μm以上的SiO₂颗粒清洗效果明显，移除率可达82.96%；当污染密度过高时会导致清洗效果的减弱及对基底的损伤，而气流置换系统辅助的激光清洗方法可进一步增强对光学表面颗粒污染的去除效果。该研究对大型高功率固体激光装置中的光学元件在线清洗及清洗装备的设计具有重要的研究意义与实用价值。     

拉盖尔-高斯光束作用下熔石英温度及应力研究

为了研究拉盖尔-高斯光束与熔石英相互作用,采用仿真计算的方法对TEM₀₀,TEM₀₁和TEM₁₀ 3种模式拉盖尔-高斯光束辐照下的熔石英的温度和热应力进行研究,取得了仿真数据。结果表明,激光光强的空间分布影响材料的温度分布和应力分布;温度的积累效应明显,经过连续激光脉冲作用后材料温度持续升高,焦点区域超过1900℃;温度梯度导致热应力产生,局部热应力接近50MPa。该仿真结果为熔石英的加工提供了有益的参考。     

Characteristics of native-oxide-confined InGaP-(AlxGa1-x)0.5In0.5P quantum-well ridgewaveguide lasers

We report 670-nm native-oxide confined GaInP-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P quantum-well ridge waveguide laser diodes. The devices are fabricated from a compressively strained GaInP-(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P quantum-well separate confinement heterostructure laser structure. Wet chemical etching and wet oxidation process are used to form native oxide confined ridge waveguides. The oxidation process converts the p-Al_0.5In_0.5P cladding layer into AlO_x after ridge etch. Laser diodes of 3.5-μm-wide ridge waveguide operate with threshold currents below 13.5 mA and differential quantum efficiencies over 35%/facet     

Viscosity of GeO2-doped silica glasses

The viscosity of GeO₂-doped silica glasses is experimentally evaluated and found to be expressed as a function of the monoexponential form η₀ exp(-AΔe), where η₀ is the viscosity of pure silica glass, A is a positive constant, and Δe is an equivalent relative-index difference that is introduced for a silica glass with nonuniform dopant distribution in its cross section. The constant A for GeO₂-doped silica glasses is found to be about 0.5, which is much smaller than that for fluorine-doped silica glasses and has almost no temperature dependence between 1400°C and 2200°C     

Low Rayleigh scatteringP2O5-F-SiO2 glasses

The Rayleigh scattering and infrared absorption losses of P₂ O₅-F-doped silica glass, which is a candidate material for ultra-low-loss optical fiber, were investigated experimentally. The Rayleigh scattering loss of 8.5 wt.% P₂O₅ and 0.3 wt.% F-doped SiO₂ glass is found to be 0.8 times that of pure silica glass. It is also found that the infrared absorption property of P₂O₅-F-SiO₂ glass is almost the same as that of pure silica glass. The minimum loss for the proposed composition is estimated to be 0.11 dB/km at 1.55 μm wavelength, and 0.21 dB/km at 1.3 μm wavelength     

Pressure-dependent Sellmeier coefficients and material dispersionsfor silica fiber glass

The pressure-dependent Sellmeier coefficients are essential to characterize the optical design parameters for the optical fiber communication systems under deep sea environmental conditions. These coefficients are calculated for densified silica glass for the first time to compute the pressure dependence of material dispersion at any wavelength from the ultraviolet (UV) to 1.71 μm. The zero dispersion wavelength λ₀ (1.2725 μm at 0.1 10⁶ N m ^-2) varies linearly with pressure, and dλ₀/dP is 0.0027 nm/(10⁶ N m^-2). The calculated value is approximately one-third of the experimental value of 0.0076 nm/(10⁶ N m^-2) for a germanium-doped dispersion shifted fiber having λ₀=1.5484 μm and -0.0070 nm/(10⁶ N m^-2) for a pure silica-core fiber cable having λ₀ =1.2860 μm. Since, the refractive indexes are increased with pressure, the negative value of shift of the zero-dispersion wavelength is erroneous. The explanations are due to Ge-doping in silica glass, a possible temperature fluctuation of 0.16°C in the pressure-dependent measurement system of the zero dispersion wavelength and different experimental conditions of the silica glass and the optical fibers. This anomaly can also be attributed to the internal strain development at the core-cladding and fiber-jacketing boundaries due to pressure, which shows a larger experimental value. It accounts for the experimental values satisfactorily