激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm²,扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm²,扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。     

纳秒激光加工和热处理对纯铝表面润湿性的影响

采用纳秒激光加工技术在纯铝板表面制备微纳米结构,之后进行150℃×2h的热处理,研究激光扫描间距(0.0050.020mm)、扫描速度(1001 700mm·s~(-1))与热处理对激光烧蚀表面润湿性的影响。结果表明:不同工艺参数下激光烧蚀后纯铝板表面均形成了相对规则的微纳米网格结构;激光烧蚀后的纯铝板表面为超亲水表面,再经热处理后变为疏水表面或超疏水表面;随着扫描速度和扫描间距的增大,激光烧蚀和热处理后,纯铝板表面的接触角变化不明显,滑动角增大,表现出不同程度的润湿性;在激光扫描速度为100mm·s~(-1),扫描间距为0.005mm下激光烧蚀与热处理后,纯铝板表面微纳米结构致密,其接触角为155.6°,滑动角为4°,超疏水性最佳。     

氧化锌表面曲率可控纳米周期条纹的飞秒激光制备

超快激光在金属、电介质和半导体表面制备周期性纳米结构可以有效地改变材料的物化性质,如光学、电学、亲疏水性等.周期性纳米条纹取向通常依赖于激光的偏振,因此利用径向偏振的飞秒激光能够制备不同弯曲度的周期性纳米条纹.通过分析柱透镜聚焦的径向偏振光光场具有随空间变化的偏振方向,实验上获得了柱透镜聚焦的径向光场在不同位置诱导周期...     

飞秒激光参数对硅表面微结构影响的研究

为了制备出表面具有准规则排列的微米量级锥形尖峰结构的黑硅材料,在SF6气体氛围中,用一定能量密度的飞秒脉冲激光照射单晶硅片表面。针对激光通量和激光峰值功率这两个参量分别进行实验,具体分析了15fs和130fs脉冲宽度的飞秒激光脉冲作用下硅表面微结构的形成,不同实验条件下制备出的硅微纳结构也有明显的差异。研究表明,在同一背景气体下,激光的峰值功率对硅表面微结构的形成起着决定性的作用。     

三光束激光干涉诱导向后转移制备金纳米结构及其SERS特性

为了提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率,本文提出三光束激光干涉诱导向后转移(LIIBT)技术,为激光干涉技术与激光诱导向后转移的有机结合。本文以ITO玻璃为接收衬底,金薄膜为靶材,LIIBT过程中采用三光束激光干涉进行加工。SEM结果表明,在激光能量密度为25 mJ/cm^2,金膜厚度为50 nm条件下,获得了较好的阵列结构,周期为5μm,金纳米粒子均匀分布在其表面,尺寸小于100 nm的粒子达到80%以上。EDX分析结果表明微米尺度点阵由大量的In元素组成,该结构的形成源于激光与ITO层相互作用。将1.0×10^-5,1.0×10^-7和1.0×10^-9 M的罗丹明6G溶液,旋涂于微结构表面并进行拉曼光谱研究,在612 cm^-1,773 cm^-1,1190 cm^-1,1319 cm^-1和1511 cm^-1处发现了罗丹明6G的特征峰,说明制备的金纳米结构对微量的罗丹明6G有明显的SERS效应。本文提出的LIIBT技术将大大提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率,在超灵敏检测、光电子器件、微流控等领域均具有广泛的应用前景。     

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。     

雷达功率组件的金刚石微通道热沉激光加工工艺

为研究雷达功率组件金刚石微通道热沉的加工难题,开展了飞秒激光加工多晶金刚石微流道的工艺研究,仿真模拟了飞秒激光作用于金刚石表面的温度场分布,以及诱导去除过程,理论与实验研究了金刚石的烧蚀阈值,系统研究了激光能量、扫描速度、扫描次数、焦点位置等参量及其优化工艺参数对金刚石微槽尺寸的影响规律.结果表明:当飞秒激光功率大于0...     

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。     

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。     

单晶硅表面微结构纳秒脉冲激光加工研究

以单晶硅为对象,使用波长355 nm、脉宽15 ns的纳秒激光对单晶硅进行烧蚀加工试验研究.基于单因素法设计并完成了单晶硅纳秒脉冲激光直线刻蚀试验,探究了激光输出功率、激光脉冲重复频率、激光扫描速度和扫描次数对纳秒脉冲激光加工单晶硅表面形貌的影响规律.基于优化的加工工艺参数,在单晶硅表面制备出方形阵列的微结构.     

Femtosecond-laser sharp shaping of millimeter-scale geometries with vertical sidewalls

As femtosecond (fs) laser machining advances from micro/nanoscale to macroscale, approaches capable of machining macroscale geometries that sustain micro/nanoscale precisions are in great demand. In this research, an fs laser sharp shaping approach was developed to address two key challenges in macroscale machining (i.e. defects on edges and tapered sidewalls). The evolution of edge sharpness (edge transition width) and sidewall tapers were systematically investigated through which the dilemma of simultaneously achieving sharp edges and vertical sidewalls were addressed. Through decreasing the angle of incidence (AOI) from 0?to?5?, the edge transition width could be reduced to below 10 μm but at the cost of increased sidewall tapers. Furthermore, by analyzing lateral and vertical ablation behaviors, a parameter-compensation strategy was developed by gradually decreasing the scanning diameters along depth and using optimal laser powers to produce non-tapered sidewalls. The fs laser ablation behaviors were precisely controlled and coordinated to optimize the parameter compensations in general manufacturing applications. The AOI control together with the parameter compensation provides a versatile solution to simultaneously achieve vertical sidewalls as well as sharp edges of entrances and exits for geometries of different shapes and dimensions. Both mm-scale diameters and depths were realized with dimensional precisions below 10 μm and surface roughness below 1 μm. This research establishes a novel strategy to finely control the fs laser machining process, enabling the fs laser applications in macroscale machining with micro/nanoscale precisions.     

Fabrication of porous copper surfaces by laser micromilling and their wetting properties

Porous copper surfaces show their great merits in the applications of chemical reaction, sound absorption and heat transfer. In this study, a laser micromilling method is proposed to fabricate porous surfaces with homogeneous micro-holes and cavities of the size about 1–15 μm on pure copper plates in a one-step process. The laser micromilling was performed by a pulsed fiber laser via the multiple–pass reciprocating scanning strategy. Based on the measurement of scanning electron microscope (SEM) and 3D laser scanning confocal microscope, the formation of surface structures was investigated together with the laser ablation mechanisms. The effects of laser processing parameters, i.e., laser fluence, scanning speed, number of scanning cycles and scanning interval, on the formation and surface morphology of porous surfaces were systematically assessed. Furthermore, the wettability of the porous copper surfaces was also evaluated by measuring the static contact angle of water. The results showed that the laser fluence played the most significant role on the formation of porous copper surfaces. The average depth and surface roughness of porous copper surfaces increased with increasing the laser fluence and number of scanning cycles while decreased with the increase in scanning interval. The scanning speed played little influence on the formation of porous copper surfaces. These results can be closely related to the variation of energy density and re-melting process during the laser micromilling process. Moreover, all the copper porous surfaces were found to be hydrophobic. The contact angle of porous copper surfaces was significantly dependent on laser fluence, but weakly affected by the scanning speed and number of scanning cycles.     

不同材料的准分子激光修饰表面形貌的分形表征

采用准分子激光加工方法,在相同的工艺参数下加工了脆性材料（A1203陶瓷）和塑性材料（不锈钢、Q235钢）试件.采用分形理论研究了准分子激光加工的不同材料表面的分形特征,通过结构函数法计算了表面微观形貌的分形维数.结果表明：准分子激光加工的不同材料的表面形貌具有不同的分形特性,在相同的加工条件下A1203陶瓷材料表面的分形维数大于不锈钢、Q235钢等塑性材料表面的分形维数,表明脆性材料和塑性材料具有不同的准分子激光加工属性;准分子激光加工表面的分形维数随着激光扫描速度的增大而减小,随放大器电压和脉冲频率的增大而增大,表明可以通过改变加工参数得到不同的分形维数表面.     

0Cr18Ni9不锈钢箔的飞秒激光烧蚀

利用飞秒激光对厚度为20 μm的0Cr18Ni9不锈钢箔进行了表面烧蚀、微细切割等试验,并研究了不锈钢箔的烧蚀特性。首先,根据烧蚀区域的直径和脉冲能量的关系,得到了0Cr18Ni9不锈钢箔的单脉冲烧蚀阈值,并估算了飞秒激光的束腰半径。然后,对飞秒激光切割不锈钢箔的边缘进行金相观察并测试了切割试件的电阻率,以确定飞秒激光切割对不锈钢箔的热影响。最后,对切割试件进行X射线衍射分析(XRD),以确定飞秒激光切割对不锈钢箔物相组成的影响。实验结果表明:飞秒激光的束腰半径为10.416 μm;厚度为20 μm的0Cr18Ni9不锈钢箔的单脉冲烧蚀阈值为0.455 J/cm²;飞秒激光切割后试件的金相组织处于回复阶段,因此金相组织不会产生明显变化;飞秒激光切割后不锈钢箔的物相组成没有变化,但物相的相对含量发生了改变。     

ENERGY DEPOSITION AND NON-THERMAL ABLATION IN FEMTOSECOND LASER GROOVING OF SILICON

Ultra-short pulsed laser ablation of crystalline silicon is characterized by a complicated heat diffusion and material removal process. In this research, a computational investigation is undertaken to understand the temperature distribution and heat effect in femtosecond laser grooving of silicon. Energy accumulation and threshold fluence of silicon ablation by femtosecond lasers are estimated through solving coupled energy balance equations. Thermal and optical properties of the material are considered in the calculations. The possible non-thermal ablation process and ablation geometry are analyzed for the case of succession of laser pulses. Thermal-mechanical response induced by temperature gradient is discussed around the laser ablation region. The agreement between the model calculations and experimental results show that this research provides an efficient thermal analysis method of the explosive laser-silicon interaction process, and a feasible way to optimize process parameters with minimum thermal damages.     

激光能量密度对金属粉末直接激光烧结球化的影响

在金属粉末直接激光烧结成形时,球化效应是一个非常不利的因素。此次采用球化效应较为明显的316L不锈钢粉末进行烧结实验,分析了球化效应产生的原因,对实验中产生的规律性现象进行了解释,并着重讨论了工艺参数中的扫描速率对表面球化的影响。实验表明,当扫描速率使得激光能量密度达到合适值时,可明显降低球化效应产生的程度。     

基于准分子激光的微结构与微器件加工制作研究

介绍了准分子激光微加工的机理,设计并研制了步进控制的二维微动扫描台,建立了一种基于准分子激光的微加工装置,通过计算机控制扫描路径,可实现点、线、面等基本微结构以及组合型微结构、微器件的加工制作。利用该准分子激光微加工装置,进行了微结构和微器件的加工实验,成功加工制作出齿轮形微结构和微型无芯薄膜变压器件。准分子激光微加工装置具有加工效率高、加工切口平整、可实现各种形状的微结构与微器件的加工等特点,可望在微机电系统（MEMS）及微纳米技术领域得到广泛应用。     

高能量飞秒激光脉冲对硅和玻璃的附带损伤

采用高能量飞秒激光脉冲对硅片和载玻片的未抛光表面进行了烧蚀,对烧蚀后样品的表面形貌和纳米力学性能进行了检测。用显微镜对烧蚀后样品的表面形貌进行检测,硅片烧蚀后正面形貌随位置不同发生渐变,而烧蚀后玻璃正面烧蚀区与未烧蚀区有明显界限。用原子力显微镜对烧蚀后样品的预抛光背面进行了检测,发现硅片烧蚀前后背面形貌未发生显著变化;而玻璃烧蚀前后背面形貌发生了明显改变,且烧蚀区与未烧蚀区的背面形貌有较为明显的界限。利用原位纳米力学测量仪对样品抛光背面的纳米力学性能进行了测量,发现硅片背面纳米力学性能有与正面烧蚀区渐变形貌相对应的规律性变化,而玻璃烧蚀前后背面的纳米力学性能则无显著变化。样品表面微观形貌和纳米力学性能的规律性变化在一定程度上反映了高能量飞秒激光脉冲在样品背面产生附带损伤的分布情况。     

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。