飞秒激光加工光波导的工艺与传输特性研究

利用飞秒激光横向直写方式加工光波导,采用散射光测量法分析了光波导的传输损耗。为了提高光波导的传输性能,分析了不同数值孔径的聚焦物镜、加工速度和加工能量对光波导传输损耗的影响。实验结果表明,聚焦物镜数值孔径为0.25,激光功率为6 m W,加工速度在45~60μm/s时,飞秒激光加工的光波导具有较好的传输性能,其传输损耗低于-0.2 d B/cm。     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

飞秒激光诱导金属银纳米布线加工精度的研究

对飞秒激光诱导银纳米布线的加工精度进行研究,并将其应用于微纳器件的加工领域。对飞秒激光与银离子前驱体溶液的相互作用进行了实验,通过对飞秒激光功率、曝光时间、前驱体溶液中表面活性剂种类以及浓度的调控,利用扫描电子显微镜对布线结构进行表征,得到140nm宽的银纳米线。利用飞秒激光制备出一组银微纳图案和微型催化反应器。该研究为银微纳结构图案制备以及复杂衬底上金属功能器件集成提供了新的技术。     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

飞秒激光双光子聚合加工微纳结构

针对微/纳机电系统（MEMS/NEMS）零部件加工制造难题,研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法,搭建钛蓝宝石飞秒激光微纳加工系统,对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明:随着激光功率的降低,单个固化点的尺寸减小,加工分辨率提高;扫描步距减小,所加工工件的表面粗糙度数值减小,但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构,利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物,通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线,从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。     

飞秒激光制备仿生功能微纳结构及其应用

自然界中的微纳结构蕴藏着无尽的功能,为材料科学和工程技术的创新与发展带来了新的机遇。受生物体功能表面的启发,针对仿生表面开发出大量新功能,如结构色、超疏水、自清洁、光学性能调控等。飞秒激光制造是一种可以在微米和纳米尺度上精确控制材料结构的加工方式。通过调控飞秒激光加工参数,可以在多种材料体系中实现超越衍射极限的三维加工。飞秒激光直写加工技术的独特之处在于可以实现材料的跨尺度修饰,通过模拟优化,制备更加复杂的微纳结构。综述了利用飞秒激光技术制备仿生功能微纳结构的新进展,展示了该结构在结构色、表面浸润性、光学性能调控等方面的性能。讨论了飞秒激光制备仿生功能表面的应用前景。最后举例说明了激光微纳制造复杂高分辨率结构的新应用。     

飞秒激光微加工的研究进展

综述了近年来国内外利用飞秒激光微加工的研究进展。飞秒激光脉冲作为材料微纳加工的一项工具,已经从实验室进入到工业化阶段。介绍了飞秒激光在微纳加工领域的一些研究情况,分别就飞秒激光烧蚀微加工以及双光子聚合加工进行了阐述。最后分析了飞秒激光微加工目前存在的问题及未来发展的主要方向。     

基于MMI的聚合物1×16光功分器的设计及飞秒激光制备

高传输损耗和器件尺寸是限制光通信系统性能的关键问题,为此以光束传播法(BPM)设计仿真、利用飞秒超快加工技术制备了基于多模干涉耦合器(MMI)的聚合物1×16光功分器,器件尺寸小于22000μm。仿真结果表明平均插入损耗小于23dB,均匀性1.27dB。测试在1550nm波段,1×16光功分器平均插入损耗小于23dB,均匀性1.48dB。基于SU8胶材料仿真了用于光电电路板垂直耦合的光波导结构,利用时域有限差分法(FDTD)分析空间位置偏差对光纤与45°微反射镜的耦合效率影响,得到最佳耦合位置和最大耦合效率86.1%。结果表明器件具有易制备,较低的制备容差敏感度和结构紧凑的优点,符合光电集成和批量生产要求,对光分路器的设计和生产工艺有一定的参考价值。     

飞秒激光加工半导体材料考虑电子逆韧致辐射吸收效应的烧蚀理论模型

本文对飞秒激光加工微纳器件半导体材料过程中的微观烧蚀机理进行了理论研究,基于试探粒子法,采用Fokker-Planck方程,建立了描述飞秒时间尺度内的电子非平衡态输运过程的理论模型,该模型屏弃了弛豫时间和激光吸收系数为常数的假设,给出了屏蔽coulomb势作用下电子输运的漂移系数与扩散系数表达式,考虑了电子逆韧致辐射机制对激光吸收系数的影响,通过数值模拟获得了自由电子非平衡态分布,并在此基础上计算了飞秒激光的烧蚀阀值,讨论了飞秒激光参数对烧蚀半导体材料的影响。     

飞秒激光与材料相互作用中的超快动力学

飞秒激光以其超快超强特性可以实现三维复杂结构的微纳级别精密制造。超快光场与材料相互作用过程中存在大量新现象、新效应和新机制,亟待揭示。本文简要介绍飞秒激光与材料相互作用的基本过程以及飞秒激光泵浦探测技术的发展历程。首先重点阐述了高斯型飞秒激光与材料相互作用超快动力学的研究进展,根据不同的时间尺度分别对相互作用过程中的光子与电子相互作用、电子与晶格相互作用过程、相变,以及等离子体/冲击波喷发等过程的观测与机制分析进行总结;随后针对基于电子动态调控新方法的飞秒激光加工超快动力学进行综述,分析对比了其与传统飞秒激光和材料相互作用超快动力学的差异;最后针对该领域的发展方向进行了展望。     

基于最优小波包基的信号增强算法研究及应用

本文介绍了小波包分析的基本理论以及小波包信号降噪的基本原理,与小波变换相比,小波包变换则是对小波分解中所得到的高频部分再继续细分为一些子频带,具有更精细的信噪分离能力,所以对包含大量中、高频信息的信号能更好地进行时频局部化分析。小波包变换在信号去噪中有着非常重要的应用,因此利用小波包对信号进行消噪也越来越受到科学界的关注。本文的主旨在于研究最优小波包基函数的选取方法,以小波包分析为基础,根据最小代价原理研究信号分解的最佳小波包基,从而在最优小波包基的基础上获得最好的信号增强效果。     

基于最优小波基函数的语音增强研究

小波分析具有时频局部化和多分辨率特性,而小波包分析是在小波分析的基础上对信号高频部分的更精细地分解,选取合适的小波基一直是小波包去噪分析中的关键问题。将熵函数作为选取最优小波基的评价标准,通过计算语音信号小波包分解系数的熵值来确定合适的分解方式,同时采用小波包阈值去噪算法对三种小波基进行小波包去噪仿真实验,并进行对比分析。仿真实验表明,两种熵函数选取的最优小波基都能较好地消除强噪声背景下的噪声,得到信噪比较高的语音信号。     

基于DSP的最优小波包基算法的实现

小波包分析能够为信号提供一种更加精细的分析方法,它将频带进行多层次划分,对多分辨分析没有细分的高频部分进一步分解,并能够根据被分析信号的特征,自适应地选择相应频带,使之与信号频谱相匹配,从而提高时-频分辨率。为了能在DSP嵌入式设备中应用小波包分析方法进行信号处理,首先讨论小波包分解的过程和最优基及代价函数的选择方法,然后提出一种在DSP上实现香农熵代价函数的小波包分解算法的方法,并在浮点型DSP TMS320C6713B上实现了此算法。最后针对具体的数字信号进行小波包分解和最优基选择的实验,实验结果证明了该方法的正确性和高效性。     

基于小波多尺度检测特性的扩频序列捕获研究

根据小波分析的特点，将小波检测引入扩频序列捕获系统中，利用扩频码捕获时信号(调制信号)和未捕获时信号(高斯白噪声)的小波变换的不同特征，结合多分辨分析，设立小波变换阈值，正确识别捕获状态。并且，对这种利用小波检测的捕获方法进行了仿真实验，分析与实验表明这种方法具有一定的理论价值和实用价值。     

小波变换在表征飞行器弹道特征点中的应用

航天飞行器外弹道测量数据是分析和评估飞行器飞行实验是否成功的重要依据，也是改进飞行器控制系统设计、提高制导精度的重要依据。飞行器外弹道特征点测量数据处理的目的是通过处理雷达对航天飞行器开舱、级间分离、姿态改变等特征点的测量数据，计算出测量数据精确的突变（奇异）点时刻。由信号小波变换的奇异点在多尺度上的综合表现来表示信号是小波变换引人注意的另一应用领域。小波分析具有空间局部化性质，利用小波分析来分析信号的奇异性及奇异性的位置和奇异度的大小是比较有效的。     

基于小波变换的电磁无损检测技术

电磁无损检测信号中具有大量的噪声信号,给信号分析带来很大困难。小波分析可以聚焦到信号的不同细节,选取B-小波为小波基更能提高信号分析的效果,将它应用于检测信号的消噪平滑和奇异性检测,使得信号更加光滑,消除了干扰信号,避免断丝误判,同时使奇异点更加明显,有效地提高内外部断丝识别和定量检测的准确率,实验证明该方法效果明显。     

基于小波变换的数字信号调制样式自动识别

讨论基于软件无线电技术的一种数字信号调制样式的自动识别的算法。使用小波分析提取数字调制信号的调制特征参数,研究了利用小波分析在软件无线电中常用的调制样式（BPSK／QPSK）的识别问题,对高斯白噪声中的通信信号在不同信噪比情况下进行了识别计算机仿真。仿真及实验验证了用小波分析方法针对信噪比较低、对功耗限制严格的通信系统,具有较为理想的识别能力。     

基于小波分析的光栅信号质量评估方法

依据谐波分析法给出的评定信号质量指标的准则，提出了基于小波分析的光栅信号质量评估方法，并讨论了此方法的特征与优点。与谐波分析法相比较，小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质，每次小波变换所取的都是原信号的最大可能近似值，信号的失真度小，通过变更尺度，可以对信号更细微的瞬态特征进行研究，并最大可能地除去噪声，较快地得到理想的质量评定效果(通常只需3至5次变换即可)。在此基础上，给出了相应的小波分析评定光栅信号质量的实验方法。     

一种基于小波最佳分解层数的红外光谱基线校正算法

红外光谱分析技术是一种用于食品健康检测、生物制药和环境监测等方面的高新技术。为了去除应用过程中的基线漂移现象,提出了一种基于小波最佳分解尺度的红外光谱基线校正算法。首先,对原始光谱信号多次进行每一层的小波分解,同时也进行每一层的小波重构。然后算得每一层的信噪比,并通过信噪比比对法获得除噪后的光谱信号。接着对该信号进行每一层的小波分解,得到每一层小波细节和小波逼近的频率。分别将两个频率做除法并求出比值。然后比较每层的比值大小,并选择最大的比值作为分解层数的最佳值。将最佳分解层数下的小波逼近系数置零后再进行小波重构,获得基线校正后的光谱信号。通过实验验证发现,该算法不仅可以为小波分解的最佳层数提供依据,而且能够在更好地保留有用信号的同时,除去高频噪声以及低频基线干扰。基线校正比较充分,效果良好。     

波形匹配小波设计及其在信号数据压缩中的应用

小波变换被广泛应用于信号数据压缩领域,如何选择小波基,达到用稀疏系数最优表示信号是提高压缩比的关键问题之一。该文提出了选用与信号波形最优相似的小波基压缩一维信号,并提出了构造此类小波基的方法。利用结构化小波滤波器组以及新的波形相似准则,给出了构造最优匹配小波基函数的算法。将此小波应用于一维信号数据压缩,结果表明,与其它的小波相比,所构造的最优匹配小波对信号具有更好的压缩性能,说明文中提出的方法是有效可行的。