AlN陶瓷的飞秒激光表面加工及制孔应用

采用飞秒激光对AlN陶瓷进行表面加工实验,分析了激光能量密度和扫描速度对加工表面形貌和尺寸的影响,优选出兼顾加工质量与效率的工艺参数区间,即能量密度10～14 J/cm2,扫描速度20～30 mm/s.基于此,以螺旋扫描轨迹于AlN陶瓷上进行制孔应用,成功实现了无崩边及微裂纹等缺陷的圆孔、方孔及跑道孔加工.该研究验证了飞秒激光加工高质量多孔型的可行性,推动了硬脆材料激光制孔技术在半导体功率器件领域的应用.     

飞秒激光烧蚀齿面表层构态分析及其控制研究

为了分析飞秒激光烧蚀面齿轮齿面表层构成及其形态影响,本文针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA,通过建立双温传热模型,模型采用向后有限差分法进行飞秒激光烧蚀数值模拟,研究飞秒激光烧蚀齿面的加工过程,分析能量密度对重铸层和热影响层的影响规律。结果显示:能量密度由173J/cm2增加至433J/cm2,重铸层厚度从068μm增加到102μm,热影响层厚度从096μm增加到135μm。针对重铸层的控制,本文实施了对面齿轮齿面的二次加工,实验结果表明:采用能量密度173J/cm2对齿面进行二次加工,加工后的齿面几乎没有重铸物残留,齿面平均粗糙度由0365μm降到了0185μm,有效地改善了面齿轮的加工质量,为提高飞秒激光精微烧蚀面齿轮精度提供了有益参考。     

飞秒激光切割复杂形状石英器件的试验研究

为了从石英单晶薄片上切割分离出复杂形状的器件，进行了石英单晶薄片的飞秒激光基础试验。在50、100、200 kHz高重复频率下，试验研究了烧蚀孔径与激光参数的关系，从而分析计算得到在对应重复频率下纯石英的刻蚀阈值分别为3.73、3.45、3.2 J/cm2。然后，研究了飞秒激光的脉冲能量、扫描速度等加工参数对微槽加工质量的影响。结果表明，激光脉冲能量会显著改变加工微槽的表面形貌，扫描速度控制在3.5 mm/s附近时加工效果最优。最后，利用优化的工艺参数，在厚度0.45 mm的石英晶片上切出了谐振音叉类复杂形状器件，总体上达到了预期的质量要求。     

飞秒激光加工对熔覆层侧壁粗糙度的影响

针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。     

能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究北大核心CSCD

飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1.730 J/cm2激光功率为1.9 W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17.604μm。     

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。     

飞秒激光对离体兔巩膜的光离解作用

为探索飞秒激光在兔眼巩膜上产生光离解作用的可行性,并寻找适当的激光切割方式及相关参数,将不同脉冲能量的飞秒激光(800nm/50fs)聚焦后作用于离体兔眼巩膜。通过计算机控制的三维平台的定向移动,飞秒激光能够在兔眼巩膜上完成打孔、蛇形扫描和线性切割三种方式的光离解作用。应用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察激光作用后巩膜的形态学变化,并用Nd∶YAG激光作为对比。实验结果表明,飞秒激光经过显微物镜(NA0.2)聚焦后,当其功率密度达到或超过9.55×1014W/cm2,脉冲能量在37.5~125μJ变化时,激光以0.1mm/s的速度线性扫描巩膜能形成深度为30~70μm的沟道;当激光的功率密度减小至7.96×1014W/cm2,脉冲能量小于31.25μJ/pulse时,在相同条件下却不能产生光离解作用。与Nd∶YAG激光相比,飞秒激光在兔眼巩膜上切割瘘道的内壁更加光滑整齐,对周围的组织损伤更小。飞秒激光对离体兔眼巩膜高精度和微创伤的光离解作用,预示了它在未来青光眼治疗中有潜在的应用价值。     

空间整形飞秒激光图案化加工氧化石墨烯

氧化石墨烯(GO)是结构中含有部分含氧官能团的石墨烯衍生物,通过加热、化学反应和激光诱导等方法,该材料可以被还原。激光辐照可以诱导一定区域内的GO发生还原反应,具有灵活、区域选择性良好、无需特殊环境等优点。提出了一种基于空间整形的飞秒激光图案化加工GO的方法,即空间整形激光辐照法,分别采用空间整形激光辐照法和激光逐点扫描法在GO上加工图案,并对加工结果进行表征和对比,分析了辐照时间、激光通量等参数对加工结果的影响。结果表明空间整形激光辐照法可以图案化加工GO并使加工区域的GO被还原,从而提高图案化加工效率,且该方法具有良好的可重复性和图案灵活性,在制备GO基底的微电路、微器件方面具有应用潜力。     

皮秒激光直写还原石墨烯氧化物薄膜的研究

利用皮秒激光直写还原绝缘石墨烯氧化物(GO) 薄膜,成功制备了图案化的导电石墨烯。先 通过旋涂法制备GO薄膜,再使用皮秒激光进行直写扫描,可以同步实现GO的还原和图案化 两个关键步 骤。光学显微镜成像显示,还原前后GO颜色发生明显变化,图案结构清晰,分辨率较高。结 合拉曼光谱和 X光电子能谱(XPS)进行表征分析的结果表明,激光直写区域石墨层缺陷程度和 含氧量均明显降低,GO还 原程度较高。图案化还原后GO(RP-GO)薄膜电学测试的结果表明,可以通过 改变皮秒激光 的输出功率对RP-GO的导电性能进行调控。本文技术一次性解决了石墨烯的大规模制备、图 案化成形和电学 性能调控三大难题,开辟了石墨烯基微电子器件生产制造的新道路。     

低功率CO2激光辐照对多层石墨烯结构的影响

在真空环境下使用不同功率密度的CO2激光对化学气相沉积法(CVD)生长的石墨烯进行辐照,通过研究辐照前后的拉曼光谱变化考察了激光功率密度及辐照时间对多层石墨烯结构的影响。结果表明,当功率密度较低(13W/cm2)时,石墨烯拉曼光谱中的D峰降低,2D峰增强,石墨烯内的掺杂、缺陷减少。随着功率密度的增加,石墨烯的缺陷增多,部分缺陷连接形成晶界,使石墨烯分解为纳米晶。在58 W/cm2的功率密度下,当作用时间为120s时,在石墨烯表面产生非晶碳。研究表明,适当参数的CO2激光辐照能改善石墨烯的内在性能。     

飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究

为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。     

激光清洗7075铝合金轮胎模具表面质量优化分析

使用脉冲光纤激光器对铝合金轮胎模具表面污染物的清除有助于提高轮胎生产的质量,延长轮胎的使用寿命。研究不同能量密度和扫描速度下激光清洗的效果,通过扫描电镜观察每次清洗后材料的表面形貌,使用SHR112便携式粗糙度仪测量每次清洗后试件的表面粗糙度,得到最优参数,通过能谱仪分析最优参数下实验前后材料表面元素变化情况。实验表明,在激光功率为25 W,激光重复频率为50 kHz,激光能量密度为25.5 J/cm²,扫描速度为120 cm/s时,可完全清除污渍,最终材料表面粗糙度约为3.17μm,符合行业标准。清洗过后试件表面O、S含量降低,Al含量升高。该实验的完成有效合理地对铝合金表面进行了清洗。     

准分子激光直接清洗硅片上油脂的实验研究

本文报道了采用输出激光波长为308nm,脉冲宽度为28ns的准分子激光直接清洗硅片上油脂的实验研究,通过改变光束大小或调节激光输出能量来改变基片表面上的激光能量密度,研究激光能量密度对激光清洗效果的影响。从实验中得到硅片的激光清洗阈值为0.2J/cm2,损伤阈值为1.2J/cm2。     

激光清洗2A12铝合金复合漆层的技术研究

采用脉冲激光器对2A12铝合金基体表面涂覆的环氧树脂底漆与丙烯酸聚氨酯面漆进行激光清洗试验,针对激光清洗表面的形貌、粗糙度及元素含量进行分析。结果表明：在激光能量密度和激光扫描速度分别为4.45 J/cm²和8 mm/s时,能完全去除面漆且底漆保留完好,并获得了最接近底漆层原始厚度的残余漆层;在此激光能量密度下,当激光扫描速度为5.5 mm/s时,能完全去除复合漆层,且此时阳极氧化膜层的微观形貌完好,氧元素质量分数约为40%,清洗表面的粗糙度R_a=1.138μm。当参数组合为3.56 J/cm²和6 mm/s时,也能完全去除面漆且底漆保留较好;当激光能量密度为4 J/cm²和激光扫描速度为5 mm/s时,能完全去除复合漆层,此时阳极氧化膜表面上氧元素的质量分数约为34%。本研究证明了通过选择合适的激光工艺参数组合能够调控激光清洗质量,验证了激光分层清洗的可行性。     

飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值研究

为了测量飞秒激光对多光谱滤波片的损伤阈值, 采用钛∶蓝宝石飞秒脉冲激光(800nm、50fs)对多光谱滤光片的前膜进行了激光损伤阈值的实验研究, 并使用显微镜观测了滤光片前膜的损伤形貌。结果表明, 薄膜在不同脉冲辐照次数(1, 2, 5和10)下, 前膜损伤阈值分别为1.68J/cm2, 1.56J/cm2, 1.44J/cm2和1.42J/cm2, 随着脉冲辐照次数的增加, 损伤阈值降低, 激光脉冲的重复辐射会对薄膜形成累积效应; 由于飞秒激光的宽度极短, 薄膜导带电子由多光子电离产生, 并迅速吸收激光能量, 当其能量大于材料的带隙能时, 会与价带电子发生碰撞产生另一个电子, 进而形成大量的自由电子, 对薄膜造成损伤; 在1-on-1和2-on-1测试方法下, 随着飞秒激光能量密度的增加, 前膜损伤区域的轮廓越来越清晰、规整, 并逐渐出现清晰的分层现象, 这归因于前膜干涉场的分布不同。该研究对多光谱滤波光膜在飞秒激光作用下的损伤效果提供了参考。     

脉冲Ho∶YAG激光与生物组织相互作用效果与残留热效应的分析

医疗激光在生物组织切割领域应用愈加广泛,但其作用效果与不良反应仍未形成统一的参数标准,对操作经验依赖严重,不便于推广;而激光参数的选择又对产品开发具有决定性意义。为寻求医疗激光标准化的工程优选参数,通过动物体外实验,在模拟手术环境下考察了不同能量密度Ho∶YAG激光(50~400 J/cm2)与狗肾实质等组织的相互作用,获得了作用效果的统计结果、标本切片的显微图像、残留热效应记录。分析了作用效果的影响因素以及热效应的演化。研究发现,作用效果的归一化曲线在290 J/cm2存在峰值,可作为标准化工程优选参数的推荐值;影响因素和残留热效应的分析为医疗设备的改进提供了参考。     

脉冲Ho:YAG激光与生物组织相互作用效果与残留热效应的分析

医疗激光在生物组织切割领域应用愈加广泛,但其作用效果与不良反应仍未形成统一的参数标准,对操作经验依赖严重,不便于推广;而激光参数的选择又对产品开发具有决定性意义.为寻求医疗激光标准化的工程优选参数,通过动物体外实验,在模拟手术环境下考察了不同能量密度Ho:YAG激光(50～400 J/cm2)与狗肾实质等组织的相瓦作用,获得了作用效果的统计结果、标本切片的显微图像、残留热效应记录.分析了作用效果的影响因素以及热效应的演化.研究发现,作用效果的归一化曲线在290 J/cm2存在峰值,可作为标准化工程优选参数的推荐值;影响因素和残留热效应的分析为医疗设备的改进提供了参考.     

基于复耦合模型的面齿轮飞秒激光加工参数影响研究

分析了飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA的机理,在光子与电子,电子与晶格之间温度传递的双温模型的基础上建立了耦合动态热力学参数的复耦合模型,通过模型仿真分析,得出了电子与晶格的温度变化过程,预测了去除高于蒸发温度的材料烧蚀形貌。对面齿轮材料进行飞秒激光扫描加工实验,得出随着能量密度的增大,凹坑半径和深度都会有一定程度的增大,当能量密度为1.98 J/cm²时,烧蚀形貌较好,当能量密度继续增大达到2.18 J/cm²时,凹坑内部开始产生少量的熔融物堆积;随着脉宽的增大,形貌变化不大,但产生的熔融物逐渐减少,凹坑趋于平整;随着扫描速度的增大,沟槽的深度逐渐减小,宽度逐渐增大。采用三维超景深仪观测烧蚀形貌,实验结果与仿真结果基本一致,为飞秒激光精微加工面齿轮提供了依据。     

分子动力学模拟飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金的机理

采用结合双温方程的分子动力学方法,数值模拟脉宽为200 fs,能量密度为30~45 m J/cm2的超快激光与Cu Zr非晶合金的相互作用过程。模拟结果表明:超快激光作用下Cu Zr非晶材料中原子加热速度比普通晶态金属慢得多;作用过程内部应力的演化表现为首先产生拉应力;并且随着温度与应力的演化,靶材内部产生空泡,空泡的平均大小和数目都与能量密度直接相关;靶材的烧蚀机制表现为机械破损,且烧蚀深度随着能量密度增大而增加。研究结果有助于更深入地理解飞秒激光与非晶合金相互作用机理。     

TEA CO2激光脱漆实验研究

本文对激光脱漆技术中的一个关键问题———激光能量密度对脱漆效率的影响,进行了实验研究。给出了TEA CO2激光对基底为LYl2的样品进行激光脱漆的实验数据。结果表明,对于本实验所用的样品而言,当激光能量密度为6-8J/cm2之间时,脱漆效率最高,脱漆速度最快。