飞秒激光多脉冲烧蚀金属铁的数值模拟

从表面微结构加工需求出发,研究了超短脉冲对金属材料的烧蚀作用。利用双温方程推导了多脉冲辐照分析模型,分别对单脉冲及多脉冲烧蚀金属铁的温度变化规律进行了定量计算和比较。结果表明,激光能量密度、脉冲宽度、脉冲时间间隔是影响电子/晶格温度变化规律的几个主要因素,并最终绘制出了在不同的激光能量密度烧蚀下,材料达到烧蚀阈值需要的脉冲个数,以此为加工过程中的激光控制提供理论依据。     

脉冲激光微加工技术在MEMS中的应用

介绍了脉冲激光微加工技术及其在微机电系统(MEMS)加工中的应用。脉冲激光微加工技术能够制作出三维微型结构并具有微米／亚微米加工精度，且适用于多种材料，与传统的微细加工技术(光刻、刻蚀、体硅和面硅加工技术等)相比具有其独到之处。阐述了基于激光烧蚀的脉冲激光直接微加工技术、激光-LIGA技术、激光辅助沉积与刻蚀技术以及MEMS的激光辅助操控及装配技术。     

A unified model in the pulsed laser ablation process

In this unified model, we introduce the electron-phonon coupling time （tie） and laser pulse width （tp）. For long pulses, it can substitute for the traditional thermal conduction model; while for ultrashort pulses, it can substitute for the standard two- temperature model. As an example of the gold target, we get the dependence of the electron and ion temperature evolvement on the time and position by solving the thermal conduction equation using the finite-difference time-domain （FDTD） method. It is in good agreement with experimental data. We obtain the critical temperature of the onset of ablation using the Saha equation and then obtain the theoretical value of the laser ablation threshold when the laser pulse width ranges from nanosecond to femtosecond timescale, which consists well with the experimental data.     

超短激光脉冲烧蚀铜材料的数值模拟

使用约化后的双温方程（DTE）对超短激光脉冲烧蚀铜薄层的过程进行了数值模拟；基于超短激光脉冲烧蚀过程中电子与晶格的温度不平衡性，分别模拟了这两个系统的温升过程，并由此得到了单脉冲烧蚀深度；通过变化激光能流，研究了脉冲能量对烧蚀深度的影响。模拟结果表明，随着激光能流的增加，相变爆炸引起的喷射出现得越深，同时材料烧蚀深度越大；理论计算与实验结果相吻合。     

超短脉冲激光烧蚀半导体表面的热效应分析

为了研究超短激光辐照下半导体表面的热效应,采用有限差分法对双温方程进行了数值模拟,研究了飞秒、皮秒激光作用下,半导体表面载流子和晶格的温度分布情况.结果表明,载流子与晶格的温度耦合时间和金属耦合时间大致相同,激光功率密度是影响载流子温升的主要因素,超短脉冲激光入射时能量主要被半导体表层载流子吸收,所得结论与实验结果较吻合.     

飞秒激光加工镍钛合金的烧蚀阈值实验研究

利用飞秒激光微加工系统对镍钛合金的烧蚀阈值进行理论和试验研究.设计了不同功率和扫描速度下的镍钛合金多脉冲累积烧蚀实验,应用扫描电子显微镜观测并分析试件烧蚀区域的形貌特征,计算得到了不同扫描速度下的烧蚀阈值分别为2.02、2.40、3.04、5.46、15.44 J/cm2.然后分析了多脉冲的累计效应对镍钛合金烧蚀阈值的...     

Self-focusing during femtosecond micromachining of silicate glasses

Many recent investigations of micromachining with lasers, in vacuum and in ambient air environments, have demonstrated the improvements possible when using femtosecond-duration laser pulses compared with long laser pulses. There are obvious practical advantages for rapid micromachining in ambient air conditions. However, the maximum laser intensity and repetition rate are then eventually limited by the avalanche breakdown and nonlinear effects in the air through which the focused laser beam must propagate both outside the work piece and within the structure that is being machined. This paper investigates these limits in femtosecond deep hole drilling at high laser intensities in silicate glasses. In particular, it shows how nonlinear optical effects, particularly self-focusing, can dramatically affect hole shape and the rate of penetration during deep hole drilling. The experiments described here demonstrate how nonlinear Kerr focusing of femtosecond laser pulses occurs during propagation of intense femtosecond laser pulses through the atmosphere within the machined channel at powers levels significantly below the critical power for self-focusing in ambient air.     

飞秒激光超精细"冷"加工技术及其应用(Ⅰ)

飞秒激光的超快速时间和超高峰值特性将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域,实现对几乎所有材料的非热熔性冷处理,获得传统激光加工无法比拟的高精度、低损伤等独特优势。通过与长脉冲作用情形的比较,详细阐述飞秒激光作用的基本原理及其本质特征。介绍了目前应用飞秒激光这一独特优势在材料的超微细加工和结构处理、光子器件新型制作、高密度数据全新存储、医疗和生物工程等方面取得的最新进展,揭示了飞秒激光在工业加工、微电子、光通讯、光信息和生命科学等高技术领域有着非常广泛的应用前景。     

飞秒激光诱导波纹状微突起结构

利用飞秒激光振荡器产生的脉冲对镀有铬层的玻璃和石英基片进行微加工,发现两种样品表面均有波纹状的微突起结构产生。这些微突起结构离开样品表面的高度为10～300nm不等,并且随着激光功率的增大而增加,在一定功率下达到饱和状态。它们的形貌、尺寸和高度取决于入射飞秒激光的能流以及飞秒脉冲的参数。通过化学方法证明了这些微突起结构是由玻璃和石英的主要成分SiO2组成的,并非样品表面的铬元素。此外,通过选取适当的飞秒激光功率和样品加工速度,制作了两种不同周期和线宽的光栅结构,显示出飞秒激光振荡器良好的加工性能。     

超短脉冲激光微孔加工(下)——实验探索

自20世纪60年代激光器被发明以来,其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级,使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。与其它加工技术相比,超短脉冲激光微孔加工突破了对尺度和材料的限制,并具有高精度和自动化等优点。主要论述了超短脉冲激光微孔加工的优势,如冷加工、突破衍射极限的低微米及纳米量级的加工等。介绍了超短脉冲激光微孔加工中的三个经典模型,包括孔径和阈值关系模型、多脉冲累积模型和单脉冲烧蚀深度模型。简述了超短脉冲激光微孔加工的实验研究现状,并给出了存在的问题和展望。     

高聚物生物芯片材料激光加工性能分析

用准分子激光对高聚物材料进行微加工制作,可以获得比较理想的高聚物基生物芯片。根据对制作生物芯片材料的性能要求,比较了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)对不同波长激光的光波透过率,测量了高聚物材料经准分子激光加工后的微结构,并得出准分子激光对不同材料的刻蚀速率与入射激光能量密度之间的关系。结果表明,PMMA和PC都能够完全吸收KrF准分子激光能量,可以用准分子激光在表面进行微加工制作生物芯片;用PMMA制作出的生物芯片,在使用时对检测结果的质量影响比PC小;对于相同的入射激光能量密度,准分子激光对PMMA的刻蚀率比PC高;由于与准分子激光之间的反应机理不同,PMMA更容易被加工,但是加工后的微结构质量较PC差。     

飞秒激光加工不锈钢微型悬臂梁的工艺研究

为了研究飞秒激光对不锈钢材料的加工工艺,采用基于飞秒激光材料烧蚀的微细加工方法,深入研究了飞秒激光高效高质量微细加工不锈钢材料的工艺条件与参量优化,并应用于微型不锈钢悬臂梁的制作。分析了激光能量密度、激光扫描速度、重复扫描次数对加工形貌和蚀除速率的影响,制作出了高质量的微米量级的不锈钢微型悬臂梁。结果表明,飞秒激光微细加工是一种极具前途与极具柔性的微机电系统器件加工手段。     

157nm激光微加工过程中激光参量对刻蚀性能的影响

为了研究157nm激光工艺参量对刻蚀件能的影响,采用157nm深紫外激光对两种宽禁带材料(石英玻璃和蓝宝石)进行微刻蚀试验,得到了理想的工艺参量范围,蓝宝石的刻蚀速率大约是石英玻璃的一半,并且蓝宝石的刻蚀表面要比石英玻璃粗糙得多.随着刻蚀深度的增加,光解生成物的脱出变得困难,从而导致刻蚀速率的降低.选用较高的扫描速率和...     

基于色散控制的全光纤掺镱被动锁模激光器的设计与仿真

设计了一种能够输出超短脉冲作为激光种子源的全光纤掺镱被动锁模光纤激光器,并对其进行了数值仿真。为了得到满足设计要求的超短脉冲,使用了被动锁模技术和色散补偿技术。利用非线性偏振旋转技术实现被动锁模,并在环形腔中引入全固态光子带隙光纤对腔中的正色散进行补偿。通过仿真及优化,获得了脉宽为0.7 ps,能量为0.89 nJ 的脉冲序列。仿真结果表明,使用被动锁模技术和色散补偿技术有利于得到满足作为激光种子源设计要求的超短脉冲。     

波长可调的ps超短腔染料激光器的研究

本文报道了用锁模磷酸盐玻璃激光的倍频光泵浦若丹明B超短腔染料激光器的实验装置和实验结果,用TPF和OSA的组合装置研究了磷酸盐玻璃激光器的最佳运转条件,得到了脉宽～5ps的锁模脉冲系列,以此ps光源泵浦的染料激光器获得了波长为620.1～641.6nm,脉冲宽度小于4ps的单模可调谐激光输出。     

超短脉冲强激光大气传输的非线性效应

超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗、以及人工放电等方面具有重要的应用．例如,利用超短脉冲强激光使得远距离处的大气局域电离,其所产生的紫外辐射可以为大气组分主动荧光光谱学研究提供光源。对短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析,对超短脉冲强激光大气传输中的各种线性效应及非线性效应,诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论,给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的三维非线性传输方程,为此类问题的进一步研究提供了理论基础。     

超短激光脉冲研究——产生和测量,选择和放大

关于被动锁模钕玻璃激光器产生超短脉冲的研究,在国外已做了大量的工作。我们对超短脉冲的研究也已有多年的历史了。本工作一方面是为了产生微微秒脉冲和亚毫微秒脉冲,以供某些物理实验应用;另一方面,进一步摸索锁模规律,考察饱和吸收体锁模机理,研究各种参数对锁模的影响以及超短脉冲的性质等等。     

超短脉冲强激光大气传输的非线性效应

超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗、以及人工放电等方面具有重要的应用, 例如, 利用超短脉冲强激光使得远距离处的大气局域电离, 其所产生的紫外辐射可以为大气组分主动荧光光谱学研究提供光源。对短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析, 对超短脉冲强激光大气传输中的各种线性效应及非线性效应, 诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论, 给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的三维非线性传输方程, 为此类问题的进一步研究提供了理论基础。     

激光在光子局域化研究中的应用

概述了无序光学介质中光子局域化的理论基础及其研究内容,介绍了几个常用激光器进行强光子局域化现象观测的实验,总结了用超短脉冲激光器进行的光子局域化时域研究所取得的成果,建议加强中红外可调谐超短脉冲激光生成的研究以促进中红外光子局域化的研究.     

Picosecond laser pulses

The broad bandwidth and long storage lifetimes of Nd³⁺: glass and ruby lasers have made possible the generation of picosecond laser pulses having peak powers it excess of one gigawatt and repetition rates in the microwave range. The numerous application areas of these pulses include research in nonlinear optics, transient response of atomic and molecular systems, optically generated plasmas, spectroscopy, ranging, optical information processing, and high-speed photography. This paper reviews several experimental techniques for generating, measuring, and utilizing these ultrashort laser pulses.