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。     

用短脉冲和超短脉冲对物质进行激光烧蚀

目前这是激光技术的一个新领域。激光烧蚀加工各种材料(金属、半导体、聚合物)的表面,用飞秒脉冲在这些表面形成微结构的质量,要比用长脉冲加工高得多。在这次研讨会上,有关用短脉冲(纳秒范围)和超短脉冲(皮秒和飞秒范围)来进行激光烧蚀的报告大体上可分下面几个： * 用钕激光脉冲和准分子激光脉冲烧蚀金属和其他材料(石墨、蓝宝石)时机理的实验和数值研究;     

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。     

基于微流控技术的高效液相脉冲激光烧蚀法

液相脉冲激光烧蚀法(PLAL)具有绿色环保、适用范围广及可制备复合材料等优点,受到学术界的广泛关注,但是较低的制备效率限制了它进一步发展。将微流控技术与液相脉冲激光烧蚀法相结合,在硅基微流控芯片中实现了快速高效制备晶格型(400~800nm)和球型(100~300nm)硅纳米结构。通过扫描电子显微镜和光谱仪对其形貌结构及分布情况进行了测试表征,获得了微流控流速、激光烧蚀功率与纳米粒子制备效率之间的关系。该方法将液相脉冲激光烧蚀法的最高制备效率提高了30%以上,达到87.5mg/min,为将来液相脉冲激光烧蚀法工业化生产提供一种新的技术路线。     

高重复频率脉冲激光材料烧蚀的准真空环境效应

为了说明高重复频率脉冲激光材料烧蚀时准真空环境效应的存在,对比不同重复频率的激光脉冲对钢材料的烧蚀率与不同气压环境中的烧蚀率,提出准真空环境效应是平均烧蚀率随脉冲重复频率的提高显著增加的主要原因.将激光脉冲作用形成的准真空环境分为激光等离子体冲击波存在时的准真空环境和激光等离子体冲击波消散后的准真空环境两个时间段,模拟计算和分析了激光作用区周围环境气体密度分布及准真空环境持续时间.实验结果表明,在激光脉冲作用后的几百微秒内,激光烧蚀区周围会存在准真空环境,若后续脉冲在此时间范围内作用于材料,会产生类似于在真空环境中烧蚀的高烧蚀率.     

激光烧蚀过程中的发射光谱研究

激光烧蚀过程中的发射光谱研究吴凌晖，吴嘉达，伍长征，李富铭（上海三束材料改性国家重点联合实验室复旦大学分部复旦大学光学和激光物理研究室，２００４３３）脉冲激光烧蚀沉淀制备薄膜技术已引起越来越多的关注。我们用时间和空间分辨的发射光谱方法测量了激光烧蚀钛...     

脉冲激光烧蚀金属氧化物的物理化学过程及反应机理

本文回顾了前人有关脉冲激光烧蚀过程的各种理论模型，重点综述了脉冲激光烧蚀金属氧化物的物理化学过程及反应机理，并对激光能量不很高时金属氧化物的烧蚀过程提出了热控制机制的新观点。     

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。     

飞秒激光烧蚀加工恒弹性合金的规律研究

恒弹性合金的加工对表面质量和加工精度的要求越来越高,为了实现对恒弹合金的精密定量去除,本文探索了采用飞秒激光烧蚀的加工新方法。首先,分析计算了在高强度飞秒激光辐照加工下,恒弹性合金材料的烧蚀阈值;其次,实验研究了飞秒激光脉冲能量和脉冲个数对该材料上烧蚀加工微坑的直径和深度的影响,结果表明：恒弹性合金的飞秒激光烧蚀阈值为0.167 J/cm2;可以通过增大脉冲能量来增大烧蚀坑直径,通过增大脉冲数来增大烧蚀坑深度。脉冲烧蚀坑直径上限为150.64 μm,运用飞秒激光旋切加工方法,可获得直径为500 μm的微孔,提高了飞秒激光烧蚀加工的能力。     

超短激光脉冲序列烧蚀镍薄膜的研究

超短(飞秒)激光脉冲序列技术能有效地提高激光加工金属的加工精度,它在微/纳制造中具有重要的理论意义和生产价值。为了研究脉冲间隔对激光烧蚀金属加工精度的影响,以过渡金属镍为研究对象,采用双温模型和分子动力学模拟相结合的方法,对飞秒激光脉冲序列(脉冲间隔不同)烧蚀金属镍的过程、现象进行了研究,取得了脉冲序列烧蚀镍薄膜的动态表层电子温度和晶格温度随时间演化的数据和烧蚀区域在不同时刻的快照。结果表明,一定范围内,随着脉冲间隔的增加,脉冲序列烧蚀镍薄膜所产生的纳米粒子更加均匀,烧蚀平面更加平整,初始熔化速度、烧蚀率呈降低趋势,有利于提高加工的精度。     

高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

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。     

激光气化生物组织的试验研究

激光气化生物组织是激光医学应用中的重要方面。探索激光参数对气化效率的影响是激光生物医学的重要研究内容。本文实验研究了532nm、1064nm和1320nm脉冲激光气化离体猪肝脏组织的试验效应,对比三种激光在不同频率、不同脉宽下的气化深度和热损伤深度,结果表明:在气化含血组织中,脉冲532nm脉冲激光的气化效率最高,热损伤区域最小。     

激光烧蚀金属Al产生电子和离子发射的研究

通过测定脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光烧蚀金属Ａｌ过程中，在烧蚀靶和收集板上电荷时间分辨的测量，研究了激光烧蚀金属Ａｌ产生的电子和离子发射过程，以及烧蚀环境气压对电子和离子发射过程的影响。结果表明，在激光烧蚀过程中，靶上生成电子和离子，而电子较离子先从靶面出射，随着烧蚀环境气压的增高，饶蚀靶和收集板上的电荷量都迅速减少。     

Adjustment of laser facet film reflectivity by ablation etching

We demonstrate reflectivity adjustment of a film-coated laser facet using ablation etching. The lasing is restrained by laser ablation etching of the facet film of a semiconductor laser and starts again with additional laser ablation etching. The laser ablation etching is useful not only for identifying more than /spl lambda//sub 0//(4n/sub film/) thickness of the coated film but also for adjusting facet coating thickness.     

Nd:YAG连续激光烧蚀碳纤维复合材料的过程观测

通过Nd:YAG激光辐照碳纤维/环氧树脂复合材料过程的高速摄像观测,得到了不同辐照功率密度下烧蚀过程中的主要现象.发现在低功率密度(50 W/cm2)下,主要是表面烧蚀机制,不会发生燃烧现象,在长时间辐照下,由于表层附近出现轻微的聚合物焦化分解,表面层出现粉末状和漂絮状的碳粉缓缓弥散空气中;在中等功率密度(300 W/cm2)下,体烧蚀机制占主要地位,内层分解气体喷出,在空气中点燃引起表面燃烧,主要燃烧表面聚合物;在高功率密度(4500 W/cm2)下是以表面烧蚀为主的质量迁移机制,在极短的时间(0.001 s)内表面层被破坏,瞬间燃烧,光斑中心出现喷射式的气化等离子体现象,并出现逐层烧蚀和各向异性热传导引起的烧蚀区形貌变形等现象.     

激光烧蚀铁丝法制备γ-Fe2O3纳米粉

提出脉冲激光烧蚀细丝制备纳米粉末的新方法，并根据该方法设计和制作了相应的纳米粉末制备装置。采用该方法和相应的实验装置，以Ф0．5mm的纯铁细丝为原料，在一定压力的N2和O2的混合反应气氛中获得了磁性γ-Fe2O3纳米粉末。γ-Fe2O3纳米粉末在形貌上呈链状．单个颗粒基本呈球形；纳米粉末的粒度均匀，平均粒径约为19nm，而且基本不存在硬团聚。为了对比研究，在同样的实验条件下进行了激光烧蚀铁块状靶材制备γ-Fe2O3纳米粉末的研究。与激光烧蚀块状靶材不同，激光烧蚀细丝法在烧蚀机理上实现了对靶材的整体爆炸式蒸发，从而大幅度提高了纳米粉末的产量。在400W的功率下．激光烧蚀铁丝制备的γ-Fe2O3纳米粉末的产率为1．8g／h，是同等条件下烧蚀块状Fe靶材制备纳米粉末产率的6倍。