飞秒激光诱导材料表面纳米结构研究新进展

综述了利用飞秒激光脉冲在材料表而产生纳米结构现象的最新研究进展,介绍了在飞秒激光烧蚀过程中不同激光参量对纳米结构的影响,总结了纳米结构形成的主要物理机制。     

飞秒激光诱导石墨表面周期性纳米结构

介绍了使用近阈值飞秒激光(脉宽130 fs,中心波长800 nm)烧蚀高定向热解石墨(HOPG)的实验,研究了激光强度与烧蚀深度、激光强度与烧蚀面积之间的关系,计算得到石墨的烧蚀阈值为0.44 J/cm2.使用SEM观察样品表面的烧蚀凹坑,发现两种不同的周期性纳米结构,其周期分别为400 nm和100 nm左右.通过改变脉冲数量、激光能量等参数,分析了各种结构的形成条件.     

飞秒激光加工

1　前言随着新激光装置的开发 ,激光加工技术也取得了巨大进展。 6 0～ 70年代是 YAG激光器与 CO2 激光器的时代 ,主流是金属加工。进入 80年代后 ,准分子激光器登场 ,发展为利用它的短波长对聚合物、瓷器等非金属材料进行精密加工。进入 90年代后 ,飞秒钛蓝宝石激光器进入了加工领域。其背景是时代对各种材料要求更精密的加工技术以及随着激光技术的进步 ,可以容易地得到飞秒领域的超短脉冲激光。的确 ,准分子激光器与以往的 YAG激光器及 CO2 激光器相比 ,可以用于更精密的加工 ,但不适合金属材料的加工。而 YAG激光器与 CO2 激光器…     

飞秒激光掩模版加工中的精度控制方法

飞秒激光掩模版加工和修复是近几年来微纳加工领域的研究热点之一,其中精度控制是获得高质量掩模版的关键.在飞秒激光脉冲对铬金属膜和石英基底材料破坏特性的理论基础上,利用一套输出脉宽25fs、最大功率1 W、中心波长800 nm、重复频率1 kHz的飞秒脉冲激光系统,实验研究了掩模特征单元尺寸与激光能量密度、扫描速度的关系,通过参数优化实现了最小特征尺寸为290 nm的掩模版加工;探讨了特征单元的边缘形貌和底部形貌受能量密度与扫描次数的影响规律,提出了加工参数的选取原则,最终实现了飞秒激光掩模版加工的精度控制和优化.     

飞秒激光诱导负电晕研究

通过数值模拟光丝与负电晕相互作用过程中的空间电场分布,实验观测飞秒激光诱导负电晕放电现象,研究了空气中飞秒激光光丝与针-板电极结构中产生的负电晕之间的相互作用的规律和机理。模拟和实验结果表明,在相互作用过程中,光丝末端出现高于雪崩电离阈值的空间电场分布,产生了负电晕放电现象。通过调控光丝长度可以控制负电晕的作用区域,由此提出一种全光诱导负电晕的新方法。     

飞秒激光加工最新进展

综述了飞秒激光进行材料加工的多种机理和理论;主要介绍了飞秒激光对玻璃、石英、金属、聚合物等各种材料加丁的最新研究进展状况及各方面的应用;飞秒激光加工是门新兴的学科,具有重要的应用前景。     

飞秒激光加工红磷的实验研究

为了验证飞秒激光加工含能材料的安全性,本文 以红磷作为含能材料替代物,从理论和实验上说明飞 秒激光加工红磷“冷加工”和“热加工”的可控性。利用有限元软件分析了单脉冲飞秒激光 作用到红磷表 面后样品的径向和轴向温度分布,得到了红磷的热影响区域。通过实验结果验证了飞秒激光 加工红磷样品 时具有“冷加工”和“热加工”两个区域,分析了激光通量对“冷加工”和“热加工”的影 响,确定了加 工红磷样品的“冷加工”的激光通量范围,并计算得到了红磷样品的烧蚀阈值和脉冲累积因 子。     

飞秒激光加工碳纳米管薄膜试验研究

采用不同的飞秒激光参数(波长、脉冲能量、脉冲数量)加工碳纳米管薄膜微孔,通过拟合获得不同波长下的单脉冲烧蚀阈值,飞秒激光中心波长为1030 nm时的烧蚀阈值为25 mJ·cm~(-2),波长为515 nm时的烧蚀阈值为39.7 mJ·cm~(-2)。分析了激光参数对材料加工结果的影响规律,结果表明,脉冲能量是影响烧蚀孔径的主要因素,波长较短时可以产生更大区域的碳纳米管抛出物面积。采用拉曼光谱对不同波长下切割得到的材料切口处进行测试,测试结果表明,波长为515 nm的飞秒激光更适合用于碳纳米管薄膜的切割。分析了脉冲能量与扫描速度对切割质量的影响规律,最终在优选的工艺参数下获得了良好的切割质量。     

飞秒激光诱导细胞融合技术的实验研究

细胞融合是细胞工程中的一项重要技术手段。传统细胞融合采用电脉冲、化学融合剂或病毒法实现，这些方法或融合率极低或对融合细胞毒性较大。紫外纳秒激光脉冲与光镊相结合诱导细胞融合为细胞生物学提供了一种单细胞操作，实现细胞融合的手段，但纳秒激光对细胞的热损伤较大。飞秒激光具有单脉冲能量小（nJ），峰值功率密度极高的特点。在生物学应用中，其时空分辨率高等优点被广泛应用于细胞手术、基因转染等研究领域。我们利用飞秒激光为光源实现了集光镊与细胞手术为一体的飞秒激光细胞显微操作系统。利用该系统，实现飞秒激光诱导细胞融合。该成果有望成为单细胞操作实现高效细胞融合的技术手段。     

飞秒激光前向转移诱导产生金属纳米结构薄膜

使用掺镱光子晶体光纤飞秒激光放大系统作为加工光源,利用激光诱导前向转移(LIFT)技术对铜膜进行加工,产生纳米结构。通过控制飞秒激光光源参数,得到不同纳米结构的金属薄膜。在功率较低时,能够得到纳米团簇;随着功率升高,团簇尺寸变大;到达一定功率时,出现纳米线结构。通过实验分析了飞秒激光与材料相互作用时发生的物理过程。利用该机理,对20,40,200nm三种厚度的铜膜在相同实验条件下的实验结果进行比较,获得了产生纳米团簇和纳米线结构薄膜的最佳条件。     

纳米结构辅助飞秒激光诱导基底表面周期条纹分布

目前由飞秒激光直接辐照基底表面,在基底表面诱导产生的周期条纹(LIPPS)存在图案单调以及结构不清晰等不足,为了应对这一不足,开展了对基底表面纳米结构辅助诱导散射场周期分布的研究.利用长方体凹槽典型纳米结构辅助计算了基底表面散射场的周期分布,发现基底材料对其基底表面散射场分布及强度均有显著影响.这一研究结果,为超衍射极限空间尺度纳米周期条纹结构的制备与优化打下了基础.     

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。     

飞秒激光加工微光学元件的研究

利用低功率飞秒激光振荡器进行材料表面加工的研究并将其应用于微光学元件的加工制作领域;对飞秒激光倍频光以及飞秒激光与光刻胶材料相互作用进行了实验;以光刻胶作为牺牲层进行表面加工获得了各种玻璃光栅及光掩模板;利用光学显微镜和原子力显微镜(AFM)对实验结果进行检测,得到微米量级的特征线宽;所得光栅的光学性能通过He-Ne激光器进行检测,实验结果与理论值一致。该研究为微光学元件的加工制作提供了新的方法。     

飞秒激光诱导硅材料表面周期结构的研究

为了研究飞秒激光诱导的硅材料周期表面结构,采用了理论分析和实验验证相结合的方法,对波纹周期与入射激光波长之间关系的理论分析计算,得到了单晶硅表面波纹周期约为800nm,研究了1kHz的飞秒脉冲(中心波长800nm,脉宽35fs)加工单晶硅引起的波纹结构。结果表明,在功率密度略大于样品损伤阈值的条件下,单晶硅表面形成了清晰的平行等间距直线周期条纹结构,测得该条纹的周期约为750nm,与所用激光中心波长接近。使用可旋转的格兰-泰勒棱镜改变入射激光的偏振方向,发现周期波纹方向随入射激光偏振方向的改变而改变,条纹方向与飞秒激光的电矢量方向垂直,并且由加工图片看出经辐照过的区域比未经辐照区域干净得多。这一结果对进一步研究激光诱导的周期性表面结构具有参考意义。     

飞秒激光加工快速测高随动方法研究

针对红外焦平面探测器在新型飞秒激光加工方式上的焦点精确控制需求,建立一套合理高效的飞秒激光快速响应测高随动控制系统,在保证飞秒激光稳定测高、精准控制的基础之上,对其中两个关键点进行深入研究。利用测高仪测量与中值滤波法对测量数据进行优化拟合,降低了曲线失真的程度;通过控制器位置触发方式与PI控制算法优化了压电陶瓷(PZT)的随动精度。实验结果表明,此系统能够获得良好的效果：针对不同尺寸晶圆,可以获得当以800 mm/s速度加工时,整体随动方差为0.6μm,最大误差为1.1μm;当以速度1000 mm/s加工时,整体随动方差为0.9μm,最大误差为1.4μm。本方法可以极大地提高飞秒激光高速加工时的焦点控制精度,从而保证红外焦平面探测器划片边缘质量,增加产品良率,降低成本。     

碳纤维飞秒激光旋切盲孔加工工艺研究

激光对碳纤维复合材料的孔加工在近些年得到了大量的研究,然而大部分都是切孔类的加工,在高质量盲孔加工方面的研究报道较少。利用自研旋切系统结合飞秒激光开展盲孔加工工艺研究,通过光束偏转系统和一组透镜实现光束偏转和平移,最终得到光束倾斜聚焦的效果,可避免由于高斯光束聚焦特性而产生的加工锥度。通过此装置,对碳纤维复合材料进行了0.3 mm孔径盲孔加工的研究,探讨了各工艺参数对加工结果的影响规律,并得到了优化参数,获得了较好的0.15 mm深平底直盲孔的加工效果。在此基础上,进一步探究了对异形底面盲孔的加工,通过逐层加工方式最终得到了截面直径为0.3 mm的半圆状盲孔加工效果。孔整体加工质量良好,热影响区小于5μm。     

飞秒激光微孔加工发展综述

随着飞秒激光器的成熟,飞秒激光的应用越来越广泛。由于飞秒激光独特的属性,在微孔加工中具有明显的优势。本文介绍了飞秒激光与材料之间的相互作用机理、飞秒激光打孔的理论研究发展、打孔方式的研究以及各种飞秒激光加工参数的探索。总结了目前发展遇到的问题,未来的发展趋势并提出自己的观点。     

铜纳米颗粒的飞秒激光连接过程研究

采用飞秒激光对铜离子前驱体薄膜进行激光直写,原位还原得到铜纳米颗粒并连接形成导电铜微结构。实验研究了激光功率对铜微结构物相成分、微观结构及导电性能的影响。进一步,利用COMSOL仿真软件模拟了飞秒激光辐照下铜纳米颗粒二聚体的电场分布及温度场分布特征,计算了不同功率单脉冲激光对铜纳米颗粒电子温度及晶格温度的影响。仿真结果表明,激光诱导表面等离激元效应可实现对纳米颗粒的局域加热。当激光功率为960 mW时,纳米颗粒热点区域的晶格温度最高为698 K,纳米颗粒出现表面熔化现象,可实现颗粒间的连接。随着入射激光功率的升高,晶格温度升高,颗粒间连接程度提高,与实验结果相一致。