超快激光辐照诱导金属钛的变化

为实现对超快激光诱导金属钛改变趋势的定性控制及材料改变范围的定量控制, 开展了飞秒和皮秒脉冲激光分别与金属钛烧蚀的对比实验研究。随后使用激光扫描共聚焦显微镜、X射线光电子能谱和透射电子显微镜分别就激光脉冲时间宽度变化对被烧蚀金属钛的表面形貌与烧蚀深度、化学成分、微结构状态的影响规律进行了分析。研究发现: 随着激光脉冲时间宽度从飞秒增加到皮秒量级, 被烧蚀金属钛的表面形貌质量逐渐变差, 最终烧蚀产物的化学成分愈加复杂, 微结构状态的无定形化程度也随之增加。最终认为伴随激光脉冲时间宽度增加, 金属钛中热累积效应的增强而造成被烧蚀材料内部更为严重的热与机械损伤是导致上述实验现象产生的主要原因。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

飞秒激光加工镍钛合金的烧蚀阈值实验研究

利用飞秒激光微加工系统对镍钛合金的烧蚀阈值进行理论和试验研究。设计了不同功率和扫描速度下的镍钛合金多脉冲累积烧蚀实验,应用扫描电子显微镜观测并分析试件烧蚀区域的形貌特征,计算得到了不同扫描速度下的烧蚀阈值分别为2.02、2.40、3.04、5.46、15.44 J/cm²。然后分析了多脉冲的累计效应对镍钛合金烧蚀阈值的影响规律,结果表明:当有效脉冲个数小于220时,烧蚀阈值会随着有效脉冲个数的增加而快速减小。但当脉冲数大于220时,脉冲能量逐渐饱和,减小的趋势趋于平缓最终趋于稳定。最后通过对比分析热影响区产生的原因,得出扫描速度1.5 mm/s、激光平均功率0.8 W是相对最优的飞秒激光加工镍钛合金工艺参数。     

飞秒、皮秒激光烧蚀金属表面的有限差分热分析

为描述飞秒激光烧蚀金属表面过程，对双温方程进行了约化。用有限差分法对飞秒、皮秒脉冲激光在金属表面烧蚀过程的温度场进行了一维数值模拟。分析了在飞秒领域对双温方程约化的合理性。计算模型对电子与光子耦合系数的大小对金属表层电子温度的影响进行了分析。同时考虑不同脉宽、不同能流及功率密度大小的因素。发现电子与晶格耦合系数影响材料表面电子的温升及电子与晶格温度耦合时间；与皮秒激光比较。脉冲功率密度是影响电子最终温度的主要因素；飞秒激光烧蚀金属材料的厚度可达到表层厚度(吸收系数的倒数)量级。     

皮秒激光烧蚀7075铝合金数值模拟与实验研究北大核心CSCD

为了解超快激光与材料相互作用的机理,优化激光金属烧蚀能力,以达到理想的烧蚀效果,本文在二维轴对称模型中引入了适用于超快激光烧蚀的双温模型,模拟了皮秒激光对于以7075铝合金为代表的低熔点合金的烧蚀行为。通过更改皮秒激光的功率密度和冲击次数,确定皮秒激光各参数对于7075铝合金的影响并与实验结果相对照。结果表明,激光烧蚀的深度小于通过双温模型计算出的金属熔化温度层,同时激光的烧蚀深度与激光密度线性相关,当烧蚀深度大于一定数值时,激光烧蚀深度几乎不随着烧蚀次数的增加而增大。     

重复激光脉冲作用下薄膜损伤演化规律研究

为了深入研究重复激光脉冲的能量效应对光学薄膜的烧蚀机理,采用实验观测与热力学分析相结合的方法进行了研究。通过观察光学薄膜烧蚀形貌随入射激光脉冲数量增加发生改变的典型形貌特征,分析了激光与等离子体相互作用的热力学过程,得到了在激光重复脉冲作用下光学薄膜的损伤特性及其演化规律。结果表明,薄膜在重复脉冲作用下,其表面会变得粗糙,这会大大增加对激光的吸收效应,从而加速了薄膜的破坏,最终被完全去除而露出基底;同时,烧蚀物会在热膨胀作用下向激光作用区域外扩散,在激光烧蚀中心区域外进行沉积,而形成更大范围的污染。由于激光光强为高斯分布,重复脉冲作用的效应主要是对在光束中心区域的薄膜进行集中烧蚀,会不断增加烧蚀的损伤程度,而对烧蚀面积的增加效应极为有限。这一研究结果为重复激光脉冲对薄膜烧蚀机理的建立提供了参考。     

飞秒激光烧蚀镍的数值模拟

为了研究金属镍的飞秒脉冲激光烧蚀特性,利用三维双温模型和采用有限差分法,对飞秒激光烧蚀镍的三维温度场进行数值模拟,计算得到了单脉冲烧蚀阈值、单脉冲烧蚀半径及烧蚀深度等。通过改变激光能量,研究了电子品格耦合时间随脉冲能量变化的规律以及脉冲能量对烧蚀半径、烧蚀深度、烧蚀速率的影响。模拟结果表明,随着飞秒脉冲激光能量的增加,材料烧蚀引起的喷射出现的越早,完成烧蚀所用时间越长,烧蚀速率越大,同时材料烧蚀孔半径、深度增加,最终趋于饱和。     

脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展

介绍了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状，并对其发展前景进行了展望。同时将该项技术分为纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀这三个阶段。并且介绍了该项技术在纳米材料方面的应用。     

超短激光脉冲烧蚀铜材料的数值模拟

使用约化后的双温方程（DTE）对超短激光脉冲烧蚀铜薄层的过程进行了数值模拟；基于超短激光脉冲烧蚀过程中电子与晶格的温度不平衡性，分别模拟了这两个系统的温升过程，并由此得到了单脉冲烧蚀深度；通过变化激光能流，研究了脉冲能量对烧蚀深度的影响。模拟结果表明，随着激光能流的增加，相变爆炸引起的喷射出现得越深，同时材料烧蚀深度越大；理论计算与实验结果相吻合。     

紫外激光作用频率对吸收玻璃的微孔加工研究

采用紫外激光烧蚀材料微孔具有效率高,成本低等优势.本文主要研究了在固定激光脉冲能量下,紫外激光脉冲重复频率对吸收玻璃的微孔加工特性的影响.研究发现,紫外重复脉冲对材料的去除主要是基于单脉冲效应:频率较低时,相应单脉冲的能量较大,激光烧蚀材料所产生的温度较高,激光等离子体冲击效应较强,这样将引起孔周围断裂;随着脉冲作用频率的增加以及相应能量的减小,热效应减小,使得烧蚀孔周围的断裂痕迹逐渐消失,且孔深度方向逐渐变浅.通过控制脉冲作用频率可以实现对孔的定性烧蚀.     

高频率皮秒激光微加工石英衬底铝膜效率

采用重复频率100 kHz下,输出功率为3.7 W的532 nm Nd:YAG皮秒激光器对石英衬底微米量级的铝膜进行了烧蚀,研究了脉宽为10 ps的激光单脉冲能量密度对烧蚀效率、光斑耦合率对烧蚀图形以及重复加工次数对加工精度的影响。单脉冲激光烧蚀实验证实,皮秒激光烧蚀铝膜可分为高能量密度烧蚀与低能量密度烧蚀两个区域。光斑耦合率对烧蚀深度影响较大,不易从理论角度控制烧蚀效率。为提高加工精度与验证求解烧蚀率的准确性,提出重复多次加工的方法。对比了高斯线性法与高斯线性修正法的求解烧蚀率的结果,证明了高斯线性修正法在扫描激光精细加工方面的优越性。利用高斯线性修正法求得的烧蚀效率,模拟了激光在不同光斑耦合率下烧蚀微槽的三维轮廓图。     

激光功率密度对Ge烧蚀蒸气动力学特性的影响

建立了一维半导体Ge激光烧蚀模型,对不同功率密度的紫外激光烧蚀半导体Ge的过程进行了模拟,并对计算结果进行了分析,得到激光功率密度对烧蚀过程以及蒸气膨胀动力学特性的影响。结果表明,激光功率密度的变化对烧蚀过程影响非常大。照射的激光功率密度越大,靶的表面温度越高,蒸发深度、烧蚀蒸气温度和膨胀的速度、相应蒸气膨胀的空间尺度也越大,且等离子体屏蔽现象出现得越早。在给定的烧蚀条件下,等离子体屏蔽的阈值在1×108~1.5×108W/cm2之间。     

SiCp/Al复合材料厚板皮秒激光制孔重铸层影响研究

为了探究激光加工高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料厚板的成孔特征,采用激光旋切法对厚度为4mm的SiCp/Al复合材料进行直径为1mm的制孔实验,分析紫外皮秒激光制孔中重铸层及其表面裂纹的形成机理,获得了关键激光加工参数(激光功率百分比和扫描速率)对孔重铸层的影响规律.结果表明,SiCp/Al复合材...     

Optimization of picosecond laser structuring for the monolithic serial interconnection of CIS solar cells

We report on the optimization of selective picosecond laser structuring for the monolithic serial interconnection of (Cu(In,Ga)(S,Se)₂) CIS thin film solar cells. We introduce a quantitative value to compare the energy efficiency of the different investigated laser processes, the specific ablation energy, which indicates the required energy to remove a certain volume of the specific material. We have examined the structuring efficiencies for induced laser ablation processes for a modification of the beam profile (elliptical and flat‐top beam shaping) and for the application of different laser wavelengths (1064 and 532 nm). Application of induced laser processes (often referred as “lift‐off”) decreases the specific ablation energy dramatically by nearly one order of magnitude. Modifications of the beam profile such as elliptical and flat‐top beam shaping are nearly halving the energy per ablated volume relative to a circular beam. The application of a laser wavelength 532 nm decreases the specific ablation energy compared with 1064 nm significantly for processes involving the CIS layer. We finally demonstrate that with a picosecond laser power of only 2 W, the molybdenum back contact (P1, glass side) and the ZnO front contact (P3, ZnO on CIS) can be structured with a process speed of up to 4 m/s. About 2 µm thick CIS layer (P2) is structured by standard direct laser ablation at higher energy densities with 200 mm/s. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

纳秒和飞秒激光烧蚀单晶硅的超快诊断

为了研究强激光烧蚀单晶硅的超快动力学过程,采用超快时间分辨光学诊断技术,对比研究了纳秒和飞秒脉冲激光烧蚀单晶硅样品表面的动态过程,获得了冲击波、等离子体和物质喷发的产生与演化过程的时间分辨图像.对于纳秒激光,当延迟时间为200ns~300ns时,观察到物质喷发现象出现,此时喷发物为气液混合物,当延迟时间为1060ns时,喷发物为小液滴;对于飞秒激光,当延迟时间为1ns~2ns时,观察到物质喷发现象出现,喷发物为等离子体.结果表明,在样品表面,纳秒激光与飞秒激光烧蚀单晶硅的动态过程有显著的不同,特别是物质喷发时间、喷发物的状态与尺寸;纳秒和飞秒激光辐照单晶硅表面引起的物质喷发都是不连续的,在激光烧蚀单晶硅引起表面物质喷发的过程中,不同的作用时间由不同的烧蚀机制主导.该结果对深入研究激光与单晶硅相互作用机制及激光刻蚀单晶硅等应用有一定帮助.     

高功率光纤激光器中自相位调制的实验研究

利用主振荡功率放大(MOPA)结构高功率皮秒脉冲全光纤激光器,对高功率皮秒脉冲放大器中自相位调制(SPM)效应进行了实验研究。激光器种子源是自行搭建的半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模光纤激光器。为了抑制非线性效应,使用一个自制重频倍增器把种子脉冲的重频增加到328 MHz 后再放大。放大器部分采用三级放大结构,最终获得了中心波长为1 066.5 nm,3 dB 光谱线宽约为2.5 nm,平均功率为91W 的稳定皮秒脉冲激光输出。实验对光脉冲在放大的过程中自相位调制引起的光谱变化进行了研究。对激光器输出光谱的分析表明,随着功率的增大,高功率光纤激光器中自相位调制效应受到入射脉冲的初始啁啾和脉冲形状的影响程度也随着变大,与此同时还受到自陡峭效应的影响。     

表面激光熔覆对体育器材硬度的改善北大核心CSCD

为了能够明确激光熔覆技术对体育器材硬度的改善效果,提出分别从复合涂层、层间停光时间以及激光扫描速度方面变量参数进行硬度影响分析,研究三氧化二铝含量对复合熔覆层形貌、显微硬度和耐磨性能的影响,多层熔覆对激光熔覆层微观组织和硬度的影响,激光扫描速度对熔覆层宏观形貌、相组成、显微组织、成分及硬度分布等影响。进行了理论分析和实验验证,结果表明,随熔覆层表面距离增加,激光熔覆层显微硬度会减小,器材硬度会呈现出先增加后减小趋势;第二层熔覆距离降低使第一层中硬度随距离减少而提高;通过增大扫描速度,熔覆层的组织有细化趋势,组织不均匀性得到改善,同时熔覆层厚度降低,稀释率减小,使熔覆层平均硅含量提高,显微硬度改善。