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。     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

“2010中国光学重要成果”介绍

飞秒激光制备微透镜及其在双光子荧光显微成像中的应用飞秒激光微加工技术具有超高的加工精度和对透明材料三维加工的能力,在当代微纳加工领域中独树一帜,成为多功能集成芯片制备中独具优势的解决方案。而在众多的芯片基底材料中,熔融石英以其优良的物化性能脱颖而出。当前,飞秒激光加工处理石英玻璃主要包括激光辐照和化学腐蚀等步     

飞秒激光在铌酸锂内部的电光集成

近年来,飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们极人的兴趣.利用飞秒激光在透明材料内部实现微光学、微电子、微流体等多功能的集成得到越来越多的重视[1-3].     

超快激光制备PMMA微流道机理及工艺研究

由于传统加工方法不能解决PMMA微流道的加工质量不好和效率低的问题,本文对超快激光直写PMMA制备微流道的烧蚀机理和工艺参数进行了研究。根据实验分析不同的激光功率、加工速度和加工次数对微流道的宽度和横截面的影响规律,利用超快激光加工系统制备微流道,并采用超景深三维显微镜观测微流道的表面形貌。实验结果表明,当超快激光的加工速度为20 mm/s时,激光功率为1.5 W时,制备的微流道的宽度较小、宽度趋势比较平稳;当超快激光作用PMMA的次数一样,由于加工速度逐渐增加,制备的微流道其宽度和激光的加工速度保持线性增加。当加工速度越大时,微流道的宽度较小、且壁面趋势相对平缓,而当加工速度一定,超快激光的输出功率在1.5 W时,微流道内壁区域不易出现残渣堆积和气泡隆起现象。本文通过优化超快激光加工系统的工艺参数,从而加工出尺寸精度高、表面光滑、宽度为20~90 μm的微流道芯片。     

飞秒激光制备仿生功能微纳结构及其应用

自然界中的微纳结构蕴藏着无尽的功能,为材料科学和工程技术的创新与发展带来了新的机遇。受生物体功能表面的启发,针对仿生表面开发出大量新功能,如结构色、超疏水、自清洁、光学性能调控等。飞秒激光制造是一种可以在微米和纳米尺度上精确控制材料结构的加工方式。通过调控飞秒激光加工参数,可以在多种材料体系中实现超越衍射极限的三维加工。飞秒激光直写加工技术的独特之处在于可以实现材料的跨尺度修饰,通过模拟优化,制备更加复杂的微纳结构。综述了利用飞秒激光技术制备仿生功能微纳结构的新进展,展示了该结构在结构色、表面浸润性、光学性能调控等方面的性能。讨论了飞秒激光制备仿生功能表面的应用前景。最后举例说明了激光微纳制造复杂高分辨率结构的新应用。     

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。     

激光微纳制造在传感领域中的应用

物联网和可穿戴器件的快速发展对传感器的制备和性能提出了更高的要求。由于加工速度快、精度高、可控性强、易集成、与材料兼容性高等优点,激光微纳制造已逐渐成为一种流行的材料制备和器件加工技术。通过激光诱导加热、反应和分离这三种激光加工方式实现了对不同材料的激光处理,这为传感器的制备奠定了基础。近年来,研究人员利用激光微纳加工技术制备了应用于紫外线、气体、湿度、温度、应变/应力、生物、环境等信号监测的不同传感器。总结和归纳了目前存在的问题,展望了激光微纳制造在传感领域中的发展方向。希望文中对激光微纳制造应用于传感领域的介绍和总结能够为未来的研究和发展提供思路和参考。     

基于纳米压印的超材料近红外吸收器的制备研究

超材料吸收器的高吸收率源于表面金属颗粒与介质层之间产生的局域等离激元共振以及由金属颗粒--介质层--金属反射层构成的微腔所导致的共振吸收。其吸收特性与金属颗粒的尺寸、形貌和介质层的材料和厚度密切相关。设计优化了一个在近红外波段1.2 μm处具有近完美吸收的超材料吸收器。以该设计为蓝图,利用纳米压印技术制备了一系列具有不同介质层厚度的器件,并利用红外反射谱定量研究了这些器件的吸收特性。实验结果证实,用纳米压印技术制备的超材料器件具有工艺可靠性好、加工精度高等优点。实验测得的吸收率变化趋势与理论预期相符,吸收率较高。     

飞秒激光整形脉冲激发金膜的超快热弛豫特性

在传统双温模型中引入傅里叶热扩散机制,提出了一种时间序列热弛豫模型。数值研究获得了飞秒激光整形脉冲与金膜作用的跨时间尺度(飞秒纳秒)热弛豫特性及温度场时空进化规律,并获得了双温弛豫周期与整形冲间隔的依赖关系。该研究对于澄清飞秒激光与金属作用的超快热弛豫机制,调控飞秒激光微纳加工中的超快加热过程具有重要意义。     

飞秒激光直写透明光学材料光波导的研究进展

综述了飞秒激光直写光波导的加工过程和表征方法、可直写形成光波导的不同透明光学材料以及直写光波导应用的进展。总结了飞秒激光直写引起的折射率变化与材料有关,同时还依赖于加工的脉冲能量、脉冲宽度、偏振以及扫描速度等。指出飞秒激光微加工在光子器件领域的有很好的应用前景。     

飞秒激光在透明介质中制备波导器件进展

飞秒激光脉冲通过非线性相互作用可以在透明介质内部诱导载流子的激发、弛豫和折射率改变,从而用于制备光波导器件。飞秒激光无法比拟的高度局域三维加工能力使其在有源和无源波导器件制备中被广泛研究。综述了飞秒激光在多种透明介质中诱导折射率改变的机理、波导器件制备的实验进展和波导性能优化技术,分析了其研究趋势和应用前景。     

透明材料飞秒激光三维微制备

利用飞秒激光对透明材料进行改性和加工，制备三维微结构和器件受到极大的关注。本文介绍了在透明材料内部或表面进行微制备的方法和应用，包括利用飞秒激光诱导的折射率变化来制作光波导、光栅和耦合器等；利用材料内部的微爆炸实现三维点存储和其它三维点阵结构等；通过界面的烧蚀过程进行打孔、切割和刻蚀等；利用双光子聚合制备微透镜、光子晶体和衍射光学元件等等。     

凝聚态物质的近红外飞秒激光微纳制备

利用近红外飞秒激光脉冲对玻璃和聚合物等透明凝聚态物质进行微纳制备．通过飞秒激光诱导的折射率变化在石英玻璃内部制备光栅等折射率型元器件;从后表面开始钻孔并引入蒸馏水,在钠钙玻璃中加工出纵横比很大的微细直孔;改变飞秒双光子聚合中激光焦点在样品中的位置,聚合出直线型和波浪型等不同形状的线条．     

超快激光诱导单晶硅瞬态光学性质演化机理

研究了从亚皮秒到皮秒范围内的不同脉宽和不同能量密度的激光作用下单晶硅材料表面瞬态光学性质的演化规律。这项工作基于考虑了相变潜热的双温方程、载流子数密度模型,通过计算激光辐照过程中的载流子温度、晶格温度和激发态载流子数密度和介电常数,模拟了光子到电子以及电子到声子的能量传递过程,最终得到了单晶硅表面折射率和消光系数的变化结果。有助于揭示亚皮秒到皮秒脉冲宽度范围的超短脉冲激光辐照下,单晶硅材料瞬态光学性质的演化机理。理论结果表明,若单个激光脉冲无法使单晶硅熔化,则不同的激光能量密度和不同的激光脉宽对最小折射率的影响非常有限,在0.3~0.4 J/cm2的激光能量密度范围内,每0.01 J/cm2的能量密度改变引起的最小折射率变化率小于0.5%。若单个激光脉冲能使单晶硅熔化,则不同能量密度和不同脉宽的激光对硅表面的折射率和消光系数有不同程度的影响。该研究结果可为基于超短脉冲激光的单晶硅材料加工和表面改性提供一定的理论指导。     

高能量全光纤结构被动锁模2.0μm掺铥超短脉冲光纤激光器

报道了高脉冲能量全光纤结构半导体可饱和吸收镜锁模的2.0μm波段掺铥超短脉冲光纤激光器。在抽运功率为1.8W时,开始得到稳定的重复频率为14.3MHz的锁模激光脉冲,平均输出功率为5mW;当抽运功率增加到3.8W时,最大平均输出功率达到59mW,相应的最高单脉冲能量为4.1nJ。此时测得锁模激光脉冲的脉宽为2.2ps,中心波长为2015nm,3dB光谱带宽为2.9nm。     

飞秒激光在6H-SiC表面诱导偏振依赖纳米结构特性研究

激光诱导偏振依赖纳米结构是一种有效实现纳米图案化的技术,并且一直备受研究者的青睐。利用飞秒激光微加工技术,对6H-SiC晶体表面激光诱导偏振依赖纳米结构特性进行了研究。通过改变入射激光加工偏振态和延迟时间样品表面诱导产生了直径约为150 nm的球形纳米颗粒、椭圆形纳米颗粒和空间周期约为150 nm的高空间频率表面条纹结构。实验结果表明,入射激光偏振特性会直接影响诱导产生的微结构形貌,并且优先入射的飞秒激光对最终产生的表面微结构形貌有决定性作用。初步探讨了偏振依赖纳米结构形成的物理机制,表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在表面微纳米结构的产生过程中扮演着重要角色,研究结果对激光诱导表面周期结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)可控制备具有重要意义。     

Nonlinear Ultrafast Focal-Point Optics for Microscopic Imaging, Manipulation, and Machining

When ultrafast laser pulses are tightly focused inside a transparent medium, various nonlinear optical phenomena readily occur at the focal point. These phenomena at the focal point can be utilized for nonlinear-optical microscopy, nanosurgery inside biological samples, device fabrication inside transparent materials, and welding of transparent materials. We review these new techniques from a unified viewpoint.      

基于GaAs光电导开关的超宽带微波源

报道了用飞秒激光脉冲触发GaAs光电导开关产生超短电磁脉冲辐射超宽带电磁波的实验结果,分析了超短电脉冲串经宽带天线的辐射特性.在接收端获得了上升时间200ps、脉冲宽度500ps、重复频率82MHz的超短电脉冲串和经宽带天线辐射的超宽带电磁波波形,其电磁波频谱覆盖4.7MHz～14GHz.