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。     

飞秒激光在微加工领域的应用研究

飞秒激光具有超精细三维微加工、高聚焦能力、超强峰值功率、超短脉冲等特点,在其逐渐发展过程中飞秒激光以其自身的这些特点被应用到各个领域中,其中应用最多的就是飞秒激光的微加工技术。因此本文主要研究飞秒激光在微加工领域中微加工金属材料、微加工耦合器和光波导、微加工光子晶体、微加工光线器材中的具体应用。     

飞秒激光制备PMMA表面微结构的作用机理和润湿性研究

采用飞秒激光微加工技术对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行微加工,研究PMMA表面不同微结构的润湿性。首先对飞秒激光去除透明聚合物材料的机理进行研究并建立了材料去除模型,制备出PMMA表面光栅结构和方柱结构;采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析。结果表明:飞秒激光加工PMMA表面微结构可以将PMMA润湿性从亲水向疏水状态转变,微结构间距过小会导致激光加工时飞溅的熔融物堆积在结构通道。     

飞秒激光功能扩展及精确控制

近年来飞秒激光技术持续地快速发展，不仅深化着强场物理、超快现象、THz辐射等学科的研究内容，而且也促成了飞秒激光频标测量技术、飞秒激光精密微加工技术、飞秒纳米学、阿秒激光脉冲产生等新学科的出现和重大突破。对于目前飞秒激光所涉及的众多应用研究，通常需要具有特性不同的飞秒脉冲，如强场物理研究突出的是飞秒激光的峰值     

飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿

飞秒激光微加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点,这些特性是传统的激光加工技术所无法取代的。首先回顾了激光微加工和超短脉冲激光技术的发展历史,然后介绍超短脉冲激光与金属和介质材料相互作用的机制,接着阐述了飞秒激光直写、干涉和投影制备等各种加工方法的原理,重点讨论飞秒激光在三维光子器件集成、微流体芯片制备及其在生化传感方面的应用等,最后展望了飞秒激光微加工领域所面临的机遇和挑战,指出了未来的研究方向。     

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。     

飞秒激光在金属微加工中的应用

作为一种新型的减材加工技术,飞秒激光在材料微加工中具有独特优势。介绍了飞秒激光加工的机理,分析了飞秒激光加工效率和加工质量的影响因素,阐述了飞秒激光加工工艺参量及表面质量的预测方法,对飞秒激光与增材制造的结合应用作了展望。飞秒激光加工的效率与精度影响因素众多,要真正在金属加工领域精准大规模应用这一精细技术,尚需对飞秒激光及其与不同特性金属材料间的交互作用进行更为深入系统的研究。     

激光微加工技术制备生物医用器械的现状与进展

激光微加工具有超快、超精密的特性,在医疗器械加工中有着独特的优势,尤其是针对具有良好生物相容性材料的微加工有着不可替代的作用。系统总结了激光微加工制备技术在生物医学领域的若干最新应用,重点讨论了生物材料表面微加工、医学元件和血管支架微结构制备以及三维生物支架快速成型等技术,并进一步指出现有激光微加工制备生物医用材料的局限和发展趋势。     

飞秒激光在材料微加工中的应用

本文介绍了飞秒激光的特性以及超短脉冲激光与材料相互作用的机理，并着重指出了其与长脉冲激光的区别。飞秒激光可产生超高光强、具有精确的损伤阈值(并且损伤阈值较低较低)、很小的热影响区、几乎可精密加工所有种类材料，并且，加工精度极高，可进行亚微米尺寸的精密加工。通过分析飞秒激光材料微加工的特性，综述超短脉冲激光材料微加工的应用研究现状。     

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。     

飞秒激光在6H-SiC表面诱导偏振依赖纳米结构特性研究

激光诱导偏振依赖纳米结构是一种有效实现纳米图案化的技术,并且一直备受研究者的青睐。利用飞秒激光微加工技术,对6H-SiC晶体表面激光诱导偏振依赖纳米结构特性进行了研究。通过改变入射激光加工偏振态和延迟时间样品表面诱导产生了直径约为150 nm的球形纳米颗粒、椭圆形纳米颗粒和空间周期约为150 nm的高空间频率表面条纹结构。实验结果表明,入射激光偏振特性会直接影响诱导产生的微结构形貌,并且优先入射的飞秒激光对最终产生的表面微结构形貌有决定性作用。初步探讨了偏振依赖纳米结构形成的物理机制,表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在表面微纳米结构的产生过程中扮演着重要角色,研究结果对激光诱导表面周期结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)可控制备具有重要意义。     

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。     

PMMA疏水性表面的飞秒激光制备研究

利用飞秒激光加工系统对PMMA表面制备微结构,调节激光的加工次数和微结构的尺寸参数,研究PMMA表面的润湿性机理.激光制备出光栅结构和方柱结构,采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析.研究了不同的激光加工次数和微结构尺寸对表面润湿性的影响,结果表明:PMMA表面微结构的接触角随光栅结构间...     

飞秒激光液相烧蚀的超快观测展望（特邀）

飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点,在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而,飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度,多物理化学现象耦合的复杂过程,现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程,并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题,并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。     

飞秒激光诱导Si表面周期条纹结构形成的超快成像研究

正飞秒脉冲激光出现以后,飞秒激光与物质相互作用得到了广泛的研究,出现了许多新现象、利用飞秒激光照射半导体材料表面,形成了周期远小于激光波长的纳米周期结构。建立了飞秒激光超快成像系统,直接观察到了飞秒激光诱导Si表面周期条纹在3 ns时间范围内的演化过程。将一束800 nm、50fs的线偏振飞秒激光分成两束,其中一束照射Si表面诱导产生周期条纹结构;另一束光经透镜会聚至水中产生脉宽约为1 ps的白光,利用此白光作为光源对周期条纹结构成像。改变两光束间的延迟时间,可得到飞秒激光诱导周期条纹结构在不同时间尺度的图像。通过观察发现,当激光脉冲能量大于材料单脉冲烧蚀阈值时,经3个飞秒脉冲照射后,能够产生规则的周期条纹结构,条纹垂直于激光偏振方向,周期约为500 nm。在时间尺度上,800 nm飞秒脉冲照射后,材料表面反射率增强,说明由于飞秒脉冲照射激发了材料表面等离子体的产生。约20 ps后,条纹开始出现;之后随着条纹长度、深度的增加,约70 ps后,能够观察到较清晰的周期条纹;经比较,在飞秒脉冲照射后约600 ps时,周期条纹形状与材料表面凝固后所产生的条纹结构基本相同。这一研究对飞秒激光诱导表面周期结构的形成机理具有重要的意义。     

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。     

飞秒激光微加工中光斑横向超分辨研究

飞秒激光微加工中焦点光斑横向光场的分布直接影响到激光微加工的精度、分辨率和表面粗糙度等。利用激光束空间整形技术对激光束聚焦光斑进行调制,基于横向超衍射理论和优化算法进行了研究和分析,完成了一种0-结构四环横向相位板的设计。该相位板归一化半径为r1=0.16、r2=0.27、r3=0.49,获得的峰值能量S、焦斑尺寸GT、旁瓣能量MT分别为0.38、0.74、0.20。并且基于该相位板在激光微加工系统中进行了一种光致变色材料的相位板加入前后的对比加工实验,实验结果表明,在飞秒激光微加工系统中使用这种相位板可以有效地减小加工点的尺寸大小。     

飞秒激光加工机理及仿真研究进展

目前,微加工和精加工技术的迅速发展对微型化加工技术提出了更高的要求:将加工尺度提高到微米甚至纳米级,并且能够在材料内部实现三维立体微加工.飞秒激光可以突破衍射极限的限制,打破了加工极限,是当前先进制造技术的热点.本文综述了飞秒激光加工的发展历程和机理,并从库仑爆炸模型、微爆炸模型、色心模型以及双光子电离模型等方面对激光加工机理进行了阐述.对于飞秒激光的超快作用过程,仿真是分析加工机理、研究激光与材料作用过程的主要手段.分析了飞秒激光仿真所采用的双温模型、分子动力学模型及复合模型的特点及其适用范围,为飞秒激光加工的理论研究提供依据.最后指出了目前飞秒激光加工技术存在的问题,并对该技术的发展进行了展望.     

飞秒激光制备光纤微孔传感器

为了实现高精度、低成本的液体折射率测量,采用飞秒激光水辅助微加工技术,制备出一种基于微孔结构的单模光纤液体折射率传感器.研究了传感器的传输损耗与孔内液体折射率及微孔长度的关系,利用射线理论分析了传感的机理,讨论了温度对传感器性能的影响.结果表明,该传感器在折射率1.333～1.413区间具有良好的线性响应,灵敏度达到157.48dB/RIU,且不易受温度串扰.该传感器具有结构紧凑、制备简单、高灵敏度、温度不敏感和低成本等优点,在生物化学测量领域中有着广泛的应用前景.     

飞秒激光直写透明光学材料光波导的研究进展

综述了飞秒激光直写光波导的加工过程和表征方法、可直写形成光波导的不同透明光学材料以及直写光波导应用的进展。总结了飞秒激光直写引起的折射率变化与材料有关,同时还依赖于加工的脉冲能量、脉冲宽度、偏振以及扫描速度等。指出飞秒激光微加工在光子器件领域的有很好的应用前景。