高重频飞秒激光焊接石英玻璃

超短脉冲激光可以直接对玻璃进行焊接,不需要在两片玻璃之间添加吸收介质,也不需要对材料进行热处理,应用前景广阔。利用飞秒激光热累积效应成功实现了石英玻璃之间的焊接,研究了激光重复频率和激光功率对玻璃焊接质量的影响。石英玻璃焊接区由3部分构成,包括顶部的圆形空腔、中部的熔融区域和底部的线形损伤结构,石英玻璃的焊接强度是3部分结构共同作用的结果。实验表明:在保持激光重复频率为500 k Hz时,熔融区面积随着激光功率的增大而增大,但是焊接强度出现了先增大后减小的趋势;在保持激光功率为4.14 W时,熔融区面积和焊接强度随激光重复频率增长而减小。此外,还实现了铝硅酸盐玻璃之间和钠钙玻璃之间的焊接,并对不同成分玻璃的焊接端面形貌进行了对比。     

飞秒激光烧蚀石英玻璃微槽截面形状仿真

基于透明电介质的烧蚀率计算模型,建立了飞秒激光烧蚀石英玻璃的微槽截面形状仿真模型,并通过烧蚀实验验证了模型的可靠性。利用所建模型分析了光斑半径、脉冲能量和扫描速度等参数对微槽截面形状的影响规律。研究表明,减小光斑半径、提高脉冲能量或降低扫描速度均可以提高微槽的槽深和侧壁角;微槽的槽宽随脉冲能量的提高或扫描速度的降低而增大,但随光斑半径的增大,其呈现先增大后减小的规律,在脉冲能量为4 J、扫描速度为0.2 mm/s的条件下,槽宽在光斑半径为13 m时达到最大值8.13 m。     

飞秒激光精密减薄石英玻璃凹槽实验

为实现石英玻璃表面凹槽的飞秒激光精密减薄加工,采用线扫描-面减薄的工艺手段,研究脉冲能量对烧蚀线槽形貌的影响,并以此为基础开展不同烧蚀线重叠率δ的单层凹槽减薄实验,通过激光共聚焦显微镜对凹槽的槽深、侧壁角和底面粗糙度等形貌特征进行观测和分析。研究表明,当40%≤δ≤80%时,随着δ的增大,凹槽深度增大、侧壁角减小;当δ=40%时,凹槽的槽深、槽宽、侧壁角分别为14.56μm、261.8μm和59.1°。凹槽底面粗糙度Ra和Rz随δ的增大而减小,当δ为80%时分别达到最小值0.19μm和1.23μm;平行于扫描速度方向的轮廓算数平均偏差Ra′和微观不平度十点高度Rz′随δ的增大呈现先减小后增大的趋势,当δ为80%时,Ra′≈Ra、Rz′≈Rz;轮廓三维均方根偏差Sq随δ的增大逐渐减小,最小值为0.16μm。     

基于飞秒激光的Pt-TiO_2纳米连接及其电学性能调控

研究了金属-氧化物异质材料纳米连接过程中的飞秒激光能量输入特征,实现了纳米材料快速低损伤互连的同时,保证了器件功能的完整性。研究了纳米连接对Pt-TiO_2跨尺度互连结构电学性能调控的影响。实验结果表明:当入射光能量密度为5.02 mJ/cm~2时,纳米线与电极接触区域形成具有稳定结合强度的互连接头。模拟结果显示,飞秒激光辐照一侧产生局部"热点",增强了接头区域的光学吸收。互连接头的形成,降低了异质界面的接触势垒。同时,基于互连结构模拟神经元突触传递,实现了更加稳定的电学性能调控。     

飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究

理解超短激光与材料的相互作用过程与机理是开展超短激光加工等工程应用的基础。首先引入电子激发项、双光子吸收、俄歇复合项等改进双温,使其较准确地适应于飞秒激光与半导体硅材料的相互作用过程。然后,分析了热损伤效应和非热损伤效应的影响。最后,开展了双脉冲飞秒激光与硅的相互过程研究,并分析了电子密度、晶格温度对于损伤积累效应的影响。理论模型得到单脉冲激光损伤阈值为0.25 J/cm2,此时主要表现为热损伤;当入射能量密度大于0.53 J/cm2 时,主要表现为非热损伤。双脉冲激光作用表明,脉冲间隔不大于100 ns（激光重频10 MHz）表现出明显的热积累效应,并显著降低损伤阈值。此时,第一个脉冲造成的电子密度升高（1026/m3）对损伤的贡献较小;而第一个脉冲引起的晶格温升将导致极高的电子激发以及晶格温升（800 K）,对损伤起主要贡献作用。该研究对于激光微加工、激光防护等领域具有参考意义。     

飞秒激光参数对石英玻璃微孔加工的影响

微孔加工是微器件加工中的重要环节,飞秒激光的强烈非线性吸收和"冷加工"特性使其在玻璃微纳加工方面有独特的优势和应用前景。选用石英玻璃作为试验材料,研究飞秒激光参数对微孔深径比及形貌的影响。结果表明,飞秒激光脉冲能量、打孔速度对微孔深径比存在较大影响。随着激光能量和打孔速度的增加,微孔深径比均呈现减小趋势。通过选择适当参数,可以获得深径比大于25∶1且孔形较好、无明显裂纹的长直微孔。为了获得更好的聚焦效果,采用倍频晶体BBO获得了400 nm波长的飞秒激光。用相同聚焦透镜时400 nm飞秒激光加工的微孔比800 nm更小。此外,也对飞秒激光微孔加工中常见的缺陷进行了分析。     

飞秒激光烧蚀石英玻璃所激发的内部应力波

通过重复采样和泵浦探测的实验方式,对飞秒激光烧蚀石英玻璃的内部动态过程进行了实验研究,获得了石英玻璃内部的时间分辨阴影图像.实验结果表明,在不同的延迟时间下,石英玻璃内部依次出现了多个应力波,并通过测量应力波的位置获得了其速度的实验演化规律.这些结果直观地展示了飞秒激光与物质之间相互作用中,材料内部的动态行为.     

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。     

飞秒激光与准分子激光制作碲掺杂硅探测器

采用飞秒激光扫描P型单晶硅衬底上的碲单质膜层,实现了碲元素在硅中的N型掺杂,随后利用准分子激光对掺杂样品进行退火处理,制备了碲掺杂硅单晶材料。利用该材料研制出了在室温下具有高响应的碲掺杂硅探测器。在-4V的反向偏压下,光电响应在1000nm处达到0.86A/W,外量子效率大于106.6%;随着反向偏压的增加,光电响应增加,同时截止波长向红外方向拓展,在-8V偏压下,截止波长达到了1235nm;在-16V偏压下,测得响应在1080nm处最高达到3.27A/W。     

飞秒激光在不同羟基浓度纯石英玻璃内部诱导缺陷研究

采用飞秒激光脉冲辐照不同羟基浓度的纯石英玻璃,诱导其内部产生缺陷。系统研究了羟基浓度、激光脉宽和激光功率对缺陷类型和浓度的影响。石英玻璃的显微荧光谱、吸收谱和发射谱测试表明,飞秒激光诱导石英玻璃可以产生非桥氧空穴中心(NBOHC)、非弛豫氧空位[ODC(Ⅱ)]和E′心3种缺陷;低羟基浓度石英玻璃易产生ODC(Ⅱ)缺陷,高羟基浓度石英玻璃易产生NBOHC缺陷。用波长为254nm的紫外灯激发飞秒激光辐照后的高羟基浓度石英玻璃可观察到明显的红色荧光(波长为650nm),其发光强度与飞秒激光的脉宽和功率相关,发光强度随激光脉宽的增加先增加后减小,随激光功率的增加先增加后趋于平缓。     

飞秒激光活细胞微手术研究

采用飞秒激光对活细胞进行手术,研究了其手术分辨率和微损手术对细胞活性的影响.首先建立飞秒激光活细胞手术系统,可以实时对手术中的细胞进行荧光成像.其次,在绿色荧光蛋白标记组蛋白的Hela细胞核内研究手术分辨率,达到了190 nm的极限尺寸,同时发现,细胞核的微损不会导致Hela细胞的死亡,为实现细胞核内微区功能研究奠定了基础.最后,飞秒激光对嗅鞘细胞的突起进行切割,5 h内损伤的细胞恢复了活性,因此细胞突起的切割可以实现胞外物质的跨膜运输.     

硅光电二极管飞秒激光损伤的实验研究

对 6 0飞秒 80 0nm激光辐照下硅PIN光电二极管的信号饱和、损伤及失效进行了实验测量。实验得到硅PIN光电二极管的失效阈值为 1.2J/cm2 ,损伤阈值比失效阈值低一个量级。飞秒脉冲辐照后 ,存在 10 -4s量级的饱和时间 ,辐照后对信号光的响应在短时间内出现不规则变化 ,在长时间内随脉冲能量密度增大而降低。     

近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生色心

聚焦的近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生Si E‘心,在宏观破坏前,色心含量随激光功率密度、辐照脉冲数呈线性关系增长．通过飞秒激光辐照前后石英玻璃的吸收光谱、电子自旋共振谱、荧光谱分析,提出了超短脉冲激光作用下Si E’心的形成过程,并认为激子自陷是色心形成的主要原因。     

石英玻璃中飞秒激光导致的等离子体物理参数的测量

对飞秒激光在电介质中的非线性传输进行研究，激光诱导的等离子体是因素之一，因而等离子的参数是很重要的。用时间分辨的等离子吸收成像和干涉成像方法对等离子体的密度、寿命和电子的碰撞时间进行了测量，得到电子密度在1019cm^-3达到饱和，此时电子碰撞时间为几飞秒，导带电子寿命为170fs。     

飞秒激光加工Ag-TiO2微纳结构及其光催化性能研究

为了提高TiO₂在太阳光下的催化性能, 采用真空蒸镀法在金属钛表面蒸镀Ag膜, 并结合飞秒激光做一步加工, 同步实现了微纳结构TiO₂的生成与Ag粒子的复合, 取得了具有良好太阳光催化性能的掺Ag的TiO₂表面。结果表明, 经300min模拟太阳光辐照, 掺杂Ag的TiO₂微纳复合材料对亚甲基蓝的降解率为70%, 是具有同样结构的TiO₂材料的1.5倍; 这种基于体材料直接加工的方法可以提高比表面积, 解决传统TiO₂分散性高、难回收的问题; 利用这种方法制备的结构化掺杂Ag的TiO₂材料在模拟太阳光照下光催化性能得到显著提升。这一结果对制备环保高效的TiO₂光催化剂具有重要的潜在应用价值, 并有望应用于工厂大规模快速生产。     

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。     

飞秒激光及其应用

从1980年后期起，超短光脉冲的产生及放大技术迅速发展。现在脉冲宽度已从飞秒(10^-15s)向阿秒(10^18s)发展，光脉冲峰值强度也从太瓦(1TW=10^12W)到拍瓦(1PW=10^15W)，聚焦光强度超过10^20W／cm^2。因此可以说飞秒激光的特征是超高速和超高强度,使飞秒激光器及其在各领域的应用倍受关注。     

近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生点缺陷结构

综述了近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生点缺陷结构的研究进展，分析了飞秒激光诱导产生点缺陷结构的原因，并介绍了纯石英玻璃的点缺陷结构特性。     

飞秒激光诱导多壁碳纳米管与金属电极连接的实验研究

碳纳米管因其独特的电学特性及一维纳米结构成为取代硅材料的重要电子材料,利用碳纳米管制备的微纳米电子器件具有尺寸小、响应快、功耗低等优点,但如何实现碳纳米管与金属电极之间可靠及有效的连接一直是构筑碳纳米管电子器件的难点与重点。针对该问题,首先,采用飞秒脉冲激光辐照技术诱导多壁碳纳米管与不同金属电极(金、镍)产生不同形式的连接;然后,通过测试互连前后多壁碳纳米管与金属电极之间的伏安特性曲线和界面接触电阻验证了该连接方法的可重复性及有效性,为后续大规模制备高性能碳纳米管场效应晶体管提供了一定的基础。