飞秒激光制备不锈钢微纳结构工艺研究

开展了飞秒激光加工不锈钢的具体试验。通过设置不同工艺参数,研究单因素试验中不同变量对表面微结构各项指标的影响规律,并分析总结其形成机理;进一步设计正交试验,通过改变工艺参数获得形貌不同的矩阵阵列微结构,并对多因素下表面综合加工情况进行了研究,归纳各因素对微结构深度、宽度及粗糙度的影响规律;对结果进行极差分析,确定影响最大加工因素,得出设定参数内最优加工水平工艺。     

飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理

超短脉冲激光微加工技术以其独特的优势,尤其是对硬脆难加工类宽带隙材料的精密处理,而使其成为微结构加工中的研究热点.利用飞秒激光微加工系统对宽带隙材料SiC的烧蚀特性进行理论和试验研究.应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等检测技术对样品的烧蚀形貌进行检测,以分析烧蚀区域的形貌特征及微结构质量.依据烧蚀孔径和入射脉冲激光能量之间的函数关系,得出SiC材料的烧蚀阈值为0.31 J/cm2,并估算出光束的束腰半径为32 μm.研究脉冲数目、重复频率和入射激光功率等对加工微结构形貌的影响规律,根据试验参数加工出形状规则的微孔结构,并对微结构的烧蚀形貌及材料的去除机理进行分析,为实现微结构的精密加工提供了重要的指导.     

飞秒激光烧蚀不锈钢的实验研究

进行了飞秒激光烧蚀不锈钢(SUS420)的工艺实验研究。采用波长为780nm,脉宽为164fs,频率为1k Hz的飞秒激光照射不锈钢。对比分析了长短脉冲激光烧蚀不锈钢的作用过程,计算了单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值和烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数,研究了不同激光参数烧蚀不锈钢的工艺规律。结果表明:飞秒激光烧蚀金属材料的过程中对加工区域周围具有较小的热影响;单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值为0.25J/cm2,烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数为0.68;飞秒激光脉冲能量对烧蚀孔孔径的增加比较明显,脉冲数量对烧蚀孔孔深的增加比较显著。     

飞秒激光精修面齿轮的扫描烧蚀特征控制

基于飞秒激光精修面齿轮时的能量累积效应,建立了光子-电子-晶格系统间耦合作用的三温传热模型,提出一种确定飞秒激光烧蚀齿面扫描路径间扫描间距的方法。仿真得出,能量密度为6.47 J/cm2时,平衡温度3200 K超过材料的熔化温度,热累积效应明显。根据不同的扫描间距计算激光累积强度,以控制凹坑烧蚀深度和轮廓。实验结果显示,能量密度为6.47 J/cm2时,随着扫描间距的减小,激光累积强度增大,齿面的烧蚀深度线性增大;扫描间距为25 μm时的齿轮表面加工质量良好。     

等离子体吸收对飞秒激光烧蚀绝缘材料的影响

以自由电子运动的速率方程模型为基础,研究了飞秒脉冲激光对绝缘材料的烧蚀机理,考虑了等离子体对激光能量的吸收效应,建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,计算出飞秒激光烧蚀绝缘材料时的烧蚀阈值,分析了考虑等离子体吸收效应对烧蚀阈值的影响,通过与不考虑等离子体吸收所得结果相比较说明该效应是影响烧蚀阈值的一个重要因素.     

纳米孪晶立方氮化硼的飞秒激光材料去除机理

为实现能应用于超精密切削的新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)刀具的制备,探索了飞秒激光烧蚀方法对nt-cBN的材料去除特性。使用激光单点烧蚀方法及理论公式计算出了nt-cBN的烧蚀阈值及阈值功率,分别为0.523 J/cm~2和4.1 mW;基于烧蚀阈值,对nt-cBN材料在多种烧蚀功率下的单点烧蚀圆孔形貌进行了表征,并分析了不同阶段圆孔内壁多种微结构的形成与演变机理,阐明了随激光功率增加,nt-cBN表面经历了快速热汽化、熔化和相爆炸三种材料去除机理,并形成了纳米驼峰、爆裂和周期性波纹等不同烧蚀显微结构;对nt-cBN块材进行了直线扫描烧蚀加工,提出了基于光束扫描的动态烧蚀过程对材料的破坏形式及去除原理,并与单点烧蚀形成对比;建立了不同烧蚀功率下,飞秒激光扫描速度与加工微槽宽度和深度的关系曲线,并分析了烧蚀功率和扫描速度对加工效率和加工质量的影响规律,提出了能够保证加工效率并同时改善加工质量的激光扫描速度在0.1 mm/s左右。     

液相下激光烧蚀快速制备图案化铜微纳结构

为了实现大面积图案化铜微纳结构的制备,基于液相下激光烧蚀技术,以硅片为衬底,将其浸没在含有Cu2O微米粒子的乙醇溶液中,采用纳秒脉冲激光进行加工。研究了激光功率、扫描速度和扫描次数对铜微纳结构的影响,分析了图案化铜微纳结构的形成机制,并研究了图案化铜微纳结构的浸润特性。扫描电子显微镜结果表明,随着激光功率、扫描速度和扫描次数的增加,图案化铜微纳结构中的铜颗粒熔融现象加剧,光斑中心区域的纳米颗粒粒径逐渐增大,光斑交界处形成呈现周期性分布的微米量级单元结构。能量色散X射线光谱证明少量Cu元素分布在光斑中心区域,大量Cu元素集中在光斑交界处。随着扫描次数的增加,样品表面粗糙度和纯净水/食用油接触角均呈现先上升后下降的趋势。当扫描次数为6时,表面平均粗糙度为（1.3±0.11）μm,纯净水接触角可达（155.2±1.5）°,食用油接触角达（100.0±1.3）°。该大面积图案化铜微纳结构制备方法简单快速,无粉尘污染,在微流体芯片、集水系统和废水处理等领域具有广泛的应用前景。     

激光诱导微纳连接技术研究进展

随着航空、电子以及能源技术的发展,以低维度纳米材料为功能单元的复杂电子设备和系统趋向于柔性化和微型化,这一过程依赖于纳米材料间的高质量连接.微纳材料自身的尺寸及结构限制使得传统的热退火、机压成型、化学处理和电子束辐照等方法难以在构筑有效连接的同时避免非连接区域的损伤,而激光加工则由于其聚焦光斑尺寸小,单色性好和便于精确...     

飞秒激光抛光CVD金刚石涂层表面

为了实现降低金刚石涂层粗糙度的目的,本文研究了飞秒激光功率,重复频率以及扫描速度对金刚石涂层表面粗糙度的影响,试验之后利用白光干涉仪检测抛光区域形貌以及粗糙度。试验结果表明：粗糙度随着功率的降低而减小,当功率降至100 mw以下时抛光后的粗糙度会随着功率的降低而略微的提高;重复频率对抛光后的粗糙度无显著影响;粗糙度随扫描速度的增大而减小,当扫描速度增加到1.6 mm/s之后,粗糙度会出现略微的升高。在功率100 mw,重复频率1 KHz,扫描速度1.6 mm/s的条件下,得到的粗糙度最低,约为0.14 μm,局部区域粗糙度可降至100 nm以下,并且抛光的区域相对于未抛光区域更具有致密性,基本上满足金刚石涂层低摩擦表面的要求。     

纳秒、皮秒和飞秒激光脉冲对材料表面的改性

对基体材料镉镍铁合金600和多层TiAIN/TiN涂层的激光表面改性在基础研究和实际应用中有着很好的前景.本文观察了由超短脉冲(fs和ns)和短脉冲(ns)激光器引起的镉镍铁合金600和TiAIN/TiN镀层的表面变化.结果显示,3种激光都能使靶面发生形态改变,超短脉冲的破坏轮廓更为清晰.与Ps激光脉冲相比,fs激光脉...     

Femtosecond laser ablation elemental mass spectrometry

Laser ablation mass spectrometry (LA-MS) has always been an interesting method for the elemental analysis of solid samples. Chemical analysis with a laser requires small amounts of material. Depending on the analytical detection system, subpicogram quantities may be sufficient. In addition, a focused laser beam permits the spatial characterization of heterogeneity in solid samples typically with micrometer resolution in terms of lateral and depth dimensions. With the advent of high-energy, ultra-short pulse lasers, new possibilities arise. The task of this review is to discuss the principle differences between the ablation process of short (>1 ps) and ultra-short (<1 ps) pulses. Based on the timescales and the energy balance of the process that underlies an ablation event, it will be shown that ultra-short pulses are less thermal and cause less collateral damages than longer pulses. The confinement of the pulse energy to the focal region guarantees a better spatial resolution in all dimensions and improves the analytical figures of merit (e.g., fractionation). Applications that demonstrate these features and that will be presented are in-depth profiling of multi-layer samples and the elemental analysis of biological materials.     

激光扫描表面特征的点云数据处理方法

为了提高激光测量系统对工件表面特征的测量精度,减少数据处理中由于特征点云拟合选择对测量精度的影响,针对比较常见的两种表面特征提出了正确的拟合方式。从工件表面的实测数据出发,经过多次实验,结合表面测量特征的拟合原理,分析不同点云处理方法之间的差异,并给出了最适合该特征的拟合方式及其原因。实验表明,不同的点云拟合方式对特征测量的影响比较大,选择正确的拟合方式才能保证测量的准确性。     

飞秒激光加工最新研究进展

飞秒激光作为一种先进的加工技术,以其"冷加工"、多光子非线性效应、突破衍射极限等特质可实现对任意材料由微纳到宏观尺度复杂三维零件的精密加工,在微纳和精密机械、微纳电子、微纳光学、表面工程、生物医学等领域展露了巨大的市场应用前景。文章重点针对近三年来飞秒激光刻蚀、切割、制孔、功能表面制备、体内加工和聚合加工的研究进展进行综述,并探讨了飞秒激光在与材料相互作用机制、加工精度、加工方式、加工对象等方面面临的机遇和挑战。     

水凝胶支架的飞秒激光全息加工

为了实现以水凝胶为材料的细胞支架快速加工,将计算全息法引入传统的飞秒激光双光子加工中,并对全息图的生成方法和全息图对加工结构的影响进行了研究。首先,根据贝塞尔光波动方程和其透射函数生成贝塞尔光束全息图,分析两种参数对环形结构大小和质量的影响。然后利用生成的全息图加工得到壁厚800nm、直径为8~15μm不等的水凝胶(PEGDA)圆管结构。最后,实现了基于圆管道的水凝胶细胞支架高效快速加工,支架中圆管道壁厚800nm、直径为8μm。本文首次将飞秒激光全息加工技术应用于水凝胶三维支架加工,解决了飞秒激光单点加工效率的问题。该技术在生物医学中具有广阔的应用前景。     

微槽激光电解组合微加工研究

微槽结构作为微型结构的基本单元,具有增加散热面积、存储润滑剂和减少阻力等功能,多用于大热流密度器件的散热或表面润滑,但其存在加工尺寸小、精度要求高以及加工难度大等问题。为了实现微槽的高效高精度加工,提出了一种激光电解组合微加工方法,并搭建了纳秒激光加工装置和数控微细电解加工装置;利用激光烧蚀快速加工出微槽结构的基本形貌,再通过微细电解的方式去除其表面再铸层及飞溅颗粒,提高其表面精度和表面性能。通过理论研究以及优化加工参数试验,加工出长度为400μm,宽度为220μm,深度为120μm的微槽结构。激光电解组合微加工微槽的表面粗糙度由激光加工后的Ra 5.36μm降低至Ra 1.23μm;激光电解组合微加工的加工效率是微细电解加工的4.26倍。     

可降解心脏支架的飞秒激光精密加工

以激光精密加工金属血管心脏支架生产工艺为基础,探索了可降解心脏支架的飞秒激光精密加工方式。利用飞秒激光的超短脉冲和超高峰值功率的特性,实现了以聚乳酸(PLA)为材料的可降解心脏支架的激光精密加工。设计了椅形衬套,稳定了激光焦斑位置,分析得出了最佳衬套离焦距用于配合飞秒激光精密加工。通过调试工艺参量,解决了由于材料本身特性引起的切缝边缘易炭化和加工过程中由于离焦量和焦斑位置准确度不稳定导致不能精密加工的问题,实现了对非金属可降解心脏支架的无热精密加工。说明了飞秒激光配合椅形衬套加工非金属血管支架的可行性,确定了最佳加工参量,加工出了无热损伤切边光滑筋宽一致性为±6μm的可降解心脏支架样品。     

Femtosecond laser cutting of human corneas for the subbasal nerve plexus evaluation

Assessment of various morphological parameters of the corneal subbasal nerve plexus is a valuable method of documenting the structural and presumably functional integrity of the corneal innervation in health and disease. The aim of this work is to establish a rapid, reliable and reproducible method for visualization of the human corneal SBP using femtosecond laser cut corneal tissue sections. Trephined healthy corneal buttons were fixed and processed using TissueSurgeon—a femtosecond laser based microtome, to obtain thick tissue sections of the corneal epithelium and anterior stroma cut parallel to the ocular surface within approximately 15 min. A near infrared femtosecond laser was focused on to the cornea approximately 70–90 μm from the anterior surface to induce material separation using TissueSurgeon. The obtained corneal sections were stained following standard immunohistochemical procedures with anti‐neuronal β‐III tubulin antibody for visualization of the corneal nerves. Sections that contained the epithelium and approximately 20–30 μm of anterior stroma yielded excellent visualisation of the SBP with minimal optical interference from underlying stromal nerves. In conclusion, the results of this study have demonstrated that femtosecond laser cutting of the human cornea offers greater speed, ease and reliability than standard tissue preparation methods for obtaining high quality thick sections of the anterior cornea cut parallel to the ocular surface.     

飞秒激光烧蚀石英玻璃表面质量分析

基于不同激光功率线烧蚀试验,研究激光偏振模式对烧蚀线宽度及表面形貌特征的影响。结合线烧蚀优化参数,开展不同线重叠率δ的面烧蚀试验,利用表面轮廓仪进行烧蚀表面粗糙度分析;建立扫描速度和线重叠率对残留高度影响的关系表达式,并进行计算分析。研究表明,当线偏振方向平行于扫描方向时,线偏振光烧蚀线质量优于圆偏振光,且其烧蚀线宽比圆偏振光大。当δ由65%增大到90%时,线偏振光烧蚀面垂直于扫描方向的轮廓算数平均偏差Ra先减小后增大,并在δ=80%时达到最小值1.05 μm;圆偏振光Ra随δ增大而减小,在δ=90%时达到最小值1.63 μm。此外,烧蚀面微观不平度十点高度Rz计算结果与试验结果基本吻合,且Rz与δ呈线性关系,并随δ增大而减小。