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。     

超快激光制备金属表面可控微纳二级结构及其功能化

自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1～100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。     

飞秒激光诱导医用金属材料表面功能微纳结构的研究进展

随着社会发展和医疗健康事业的进步,医用金属植入物等医疗器械在临床应用中出现的细菌感染、生物相容性不佳等瓶颈亟待解决。近年来,飞秒激光以其加工精度高、适用材料广、热效应低、灵活可靠等优势,成为医用材料表面改性备受关注的新技术。本文针对体液光谱检测、植入物表面细胞行为调控、口腔抗菌这三个具体临床应用场景,简述了制备表面微纳复合结构实现生物功能的基本原理,以及多功能微纳复合结构的制备原理,梳理了飞秒激光诱导微纳结构的应用进展及研究现状,以期为相关研究人员提供线索和依据。     

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。     

超快激光仿生复眼加工研究进展

作为一种典型的微纳光学元件,仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果,在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术,具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征,已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点,阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展,包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜,最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势,为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。     

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。     

飞秒激光制备微光学元件及其应用

近年来,微光学元件的制备与应用受到人们的广泛关注。微光学元件体积小、重量轻及制造成本低,并且易于与微机电系统相集成,能够实现普通光学元件难以实现的功能,在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域,突显出重要的应用价值。飞秒激光因其超短的脉冲宽度和超高的瞬时功率,能够实现超高精度的微纳加工,轻松突破衍射极限。飞秒激光加工技术对材料没有选择性,加工过程也非常灵活,可以进行任意复杂结构的加工,丰富了微光学元件的制备种类。飞秒激光还能在现有结构或系统上进行集成加工,极大扩展了微光学元件的应用。简要概述了微光学元件的优点及一些常用的制备方法,同时对飞秒激光加工技术进行了简单概括,对近年来飞秒激光制备各种微光学元件的实验和应用研究进行了综述,最后对微光学元件未来的研究方向进行了预测和展望。     

飞秒激光仿生制备超滑表面及其应用北大核心CSCD

仿生超滑表面由于能抗各种液体甚至动植物黏附,因而具有非常重要的研究价值和广泛的应用前景。飞秒激光微加工技术具有材料普适性强、加工精度高、可控性强等特点,在制备和调控特殊浸润性表面方面具有非常突出的优势。从仿生制造的角度出发,首先介绍了飞秒激光微加工在构建和控制超疏水表面、水下超疏油表面的相关研究进展,分析了其在实际应用中的局限和不足;概述了超滑表面的制备原则及飞秒激光制备超滑表面的工艺方法,系统地总结了飞秒激光制备的各类超滑表面,及其对多种液体和气泡的操控;介绍了超滑表面的一些典型应用;最后总结和讨论了飞秒激光制备超滑表面研究和应用中存在的问题及发展前景。     

利用飞秒激光照射调控氧化石墨烯表面的浸润性能（特邀）

基于飞秒激光照射的改形控性技术是近些年发展起来的新兴微纳加工技术,其在快速、大面积、周期性亚波长结构的制备上展现出了独特优势。文中利用该技术在氧化石墨烯薄膜表面开展亚波长光栅结构的快速制备,并针对其中的加工机理、形貌变化及其液体浸润性进行了详细研究。通过改变飞秒激光功率和扫描速度等参数,实验获得了具有不同深宽比和表面“粗糙度”的还原氧化石墨烯样品,实现了液体接触角在15°~75°范围内可控的浸润性,并且其接触角在空气中放置20天后平均增加20°。文中的理论和实验结果为飞秒激光微纳加工和改性处理技术的发展奠定了基础,未来有望促进结构化石墨烯衍生材料在液滴收集、微流控等方面的应用。     

飞秒激光测量微纳材料热物性参量研究进展

随着微纳加工技术的发展,微纳尺度下材料的热物性参量测量变得尤为重要。首先介绍了飞秒激光测量微纳尺度下材料热物性参量的基本原理、测量系统的实现方法,对比了所采用的双温模型、双曲两步辐射模型、双曲一步模型、抛物一步模型、双相滞模型和抛物两步模型等主要的传热模型。其次,介绍了飞秒激光测量物性参量的基本特点。然后,介绍了单波长正面抽运与探测系统、双波长正面抽运及探测和加热探测不同侧3种常见结构的飞秒激光物性测量系统。最后,展望了飞秒激光物性测量的研究方向。     

刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微结构

硅基三维微纳结构在红外成像与探测方面具有重要的应用价值.然而,受加工技术的限制,硅基复杂面型三维微纳结构的制备仍然是一个难题.本文提出了利用刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微纳结构.利用激光改性制备的硅的氧化层作为刻蚀掩膜,经过刻蚀实现灰度图形向衬底的转移.研究发现,氧化层的抗刻蚀能力可以通过激光加工参数进行调控,...     

透明材料飞秒激光三维微制备

利用飞秒激光对透明材料进行改性和加工，制备三维微结构和器件受到极大的关注。本文介绍了在透明材料内部或表面进行微制备的方法和应用，包括利用飞秒激光诱导的折射率变化来制作光波导、光栅和耦合器等；利用材料内部的微爆炸实现三维点存储和其它三维点阵结构等；通过界面的烧蚀过程进行打孔、切割和刻蚀等；利用双光子聚合制备微透镜、光子晶体和衍射光学元件等等。     

“2010中国光学重要成果”介绍

飞秒激光制备微透镜及其在双光子荧光显微成像中的应用飞秒激光微加工技术具有超高的加工精度和对透明材料三维加工的能力,在当代微纳加工领域中独树一帜,成为多功能集成芯片制备中独具优势的解决方案。而在众多的芯片基底材料中,熔融石英以其优良的物化性能脱颖而出。当前,飞秒激光加工处理石英玻璃主要包括激光辐照和化学腐蚀等步     

飞秒激光制备不锈钢微纳结构表面的润湿机制研究

具有润湿功能的微纳结构表面因在生物工程、防覆冰等领域的潜在应用价值,近年来吸引了大量的关注,但亲水微纳结构表面的润湿不稳定性成为了其应用中的一大阻碍。本文通过飞秒激光直写的方式在不锈钢表面制备了具有亲水性质的微纳结构表面并研究其经一定时间跨度后润湿性变化规律及机制。研究表明,在表面化学成分方面,不锈钢微纳结构表面通过浸泡氢氧化钠溶液处理后可有效抑制其润湿变化。通过X射线光电子能谱分析表明,这是由于处理前后润湿机制发生转变导致的。从微纳形貌方面,当不锈钢表面粗糙度增加时,可以通过保持长效毛细效应实现较长时间范围内的稳定超亲水状态。本文的研究结果为润湿性微纳结构表面的应用提供了一定的性能改善策略新思路,特别在亲水特性微纳结构表面的应用上具有重要的研究意义。     

激光微纳制造在传感领域中的应用

物联网和可穿戴器件的快速发展对传感器的制备和性能提出了更高的要求。由于加工速度快、精度高、可控性强、易集成、与材料兼容性高等优点,激光微纳制造已逐渐成为一种流行的材料制备和器件加工技术。通过激光诱导加热、反应和分离这三种激光加工方式实现了对不同材料的激光处理,这为传感器的制备奠定了基础。近年来,研究人员利用激光微纳加工技术制备了应用于紫外线、气体、湿度、温度、应变/应力、生物、环境等信号监测的不同传感器。总结和归纳了目前存在的问题,展望了激光微纳制造在传感领域中的发展方向。希望文中对激光微纳制造应用于传感领域的介绍和总结能够为未来的研究和发展提供思路和参考。     

激光技术与应用

利用超短脉冲激光器产生的高功率太赫兹波及其应用；量子级联激光器的现状和未来发展；利用飞秒激光器进行材料表面改性与加工；在Si基板上通过微细金属狭缝实现飞秒激光烧蚀加工；利用飞秒激光器形成周期性结构和表面功能……[编者按]     

Zr基非晶合金激光加工表面羟基磷灰石沉积特性研究

为了降低金属植入物与人体之间的排斥反应以及提高医用植入物材料的生物活性,本研究团队利用不同的表面加工方法对Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀表面进行改性,以制备天然骨的仿生微纳结构;然后将加工后的样品浸泡于模拟体液中,使其表面生成羟基磷灰石（HA）,研究不同加工方法下样品表面的润湿性以及HA沉积特性。结果表明：相较于传统的表面改性方法,纳秒激光结合飞秒激光的加工方法具有更加优异的加工效果,加工表面的水接触角由62°减小到26°,亲水性得到了大幅提升;纳秒激光结合飞秒激光加工的微纳结构不仅为HA的沉积提供了更多空间,而且其上的纳米颗粒有利于Ca²⁺与PO■的集聚,加速HA晶核的形成,从而生成均匀、稳定的HA沉积层,提高Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀表面HA的沉积效果。     

曲面基底衍射光学元件的激光直写技术

飞秒激光直写技术(FsLDW)因其优异的三维加工能力、高空间分辨率、低附加损伤等优点被广泛地应用于微纳加工领域,但传统飞秒激光直写技术在加工效率、加工面积和加工精度之间存在矛盾。为了实现高速、大面积、高精度的激光微纳加工,构建了一种由大范围水平位移台和高速旋转台组成的极坐标系飞秒激光直写系统。基于该系统,研究了轴对称样品中心对准方法及曲面曲率校准方法,并在曲面上制备了多阶三维结构。最终完成了在透镜曲面上制备直径为10mm的衍射圆光栅结构,实现了飞秒激光高速、大尺寸、高精度地制备大面积三维结构。该研究为高性能折衍混合光学元件的制备提供了有力的技术支持。