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。     

探讨飞秒激光微纳加工技术及其应用

激光微纳加工技术是制造技术中的一种先进高新技术,目前已在工业、机械制造等诸多领域有了广泛的应用。运用这种技术对材料进行加工,可以达到纳米级的加工分辨率,可以大大提高机械加工的精度与效率。本文主要探讨了飞秒激光微纳加工技术的原理与特征,以及该技术在实际中的应用。     

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。     

基于光子晶体光纤飞秒激光放大器的微纳加工系统

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm,重复频率50 MHz,最大平均功率16 W,光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划,并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比,发现利用新组建的加工系统进行微纳加工,由于单脉冲能量较小且便于调节,使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制,且避免了加工过程中未加工区域受到的污染,保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。     

凝聚态物质的近红外飞秒激光微纳制备

利用近红外飞秒激光脉冲对玻璃和聚合物等透明凝聚态物质进行微纳制备．通过飞秒激光诱导的折射率变化在石英玻璃内部制备光栅等折射率型元器件;从后表面开始钻孔并引入蒸馏水,在钠钙玻璃中加工出纵横比很大的微细直孔;改变飞秒双光子聚合中激光焦点在样品中的位置,聚合出直线型和波浪型等不同形状的线条．     

连续偏光干涉法测量波片宽波段延迟量变化

为了测量石英波片宽光谱下相位延迟量,根据连续偏光干涉原理,提出了一种新的测量方法,并给出了相应波长的延迟量数据处理办法。采用岛津UV-3101PC分光光度计双光路比对测量方法,增加了采集数据的稳定可靠性,获得了已知厚度的石英波片300nm~800nm波段的连续偏光干涉谱,进行了理论分析和实验验证,获得了波片的宽光谱相位延迟量数据。结果表明,实验曲线和理论曲线吻合较好,测量平均误差不大于2°。这一结果对研究波片延迟量色散性质以及工艺进程的引导有重要实际意义。     

激光主动侦察作用距离的研究

基于猫眼效应的激光主动侦察技术有效地结合了激光技术、成像传感技术和微弱目标的信息处理技术,可实现对远距离微弱目标的主动探测和识别,是光电对抗领域的一项重要技术,其中作用距离是侦察系统的主要参量之一。为了评估激光主动侦察系统的作用距离,以猫眼目标的光学窗口所反射的激光回波功率为基础,分析了影响作用距离的因素,建立了最大作用距离的数学物理模型,数值模拟了发射激光峰值功率、发射激光束散角、大气能见度、探测器灵敏度以及等效反射面离焦量对最大作用距离的影响。结果表明,通过减小发射激光束散角,提高探测器灵敏度可以有效提高系统的作用距离;为满足不同情况的天气需求,可选择不同波长的激光光源。这一结果可用于指导激光主动侦察的系统设计或者作为衡量系统性能的标准。     

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...     

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,...     

飞秒激光刻蚀FR-4覆铜板成形微细线路研究

随着微电子技术飞速发展,电路板集成度的不断提高,产品研发周期的持续缩短,对于微细导电线路以及快速样板制作提出更迫切的需求。针对以上问题,本文采用飞秒激光进行覆铜板直接刻蚀的工艺研究,探索不同激光工艺参量(平均功率、扫描速度、扫描次数、离焦量、线间距)对刻蚀深度和底面粗糙度的影响规律。通过正交试验,探究各工艺参数对刻蚀深度和底面粗糙度的影响大小。结果表明:无论是以刻蚀深度还是以刻蚀粗糙度为加工质量的衡量指标,都是扫描次数的影响最大,扫描速度的影响最小。此外,通过综合平衡法得到最优工艺参数。利用飞秒激光冷加工和选择性刻蚀的特性,实现FR-4覆铜板表面线宽50 μm、线间距20 μm的微细线路高质量刻蚀加工。     

无机微/纳米粒子表面包覆改性技术

综述了无机微/纳米粒子表面包覆的形成机理,从有机和无机包覆两个方面阐述了无机微/纳米粒子表面改性技术的研究进展,对偶联剂改性、表面接枝聚合法、机械混合法、球磨法、溶胶-凝胶法等常用的包覆方法一一进行了介绍和举例,并提出了超细无机粒子的包覆改性中存在的几个亟待解决的问题.     

MEMS金属微构件的激光微喷丸强化技术分析与展望

介绍了适用于金属微构件处理的激光微喷丸技术,通过控制工艺参量和合理的路径规划,在试件表面产生有益的残余压应力分布,能有效提高工件的抗疲劳和磨损性能。概述了微喷丸技术的研究现状,总结了激光微喷丸的机理、关键技术和影响因素,分析了激光微喷丸研究中存在的问题,为今后激光微喷丸技术的进一步研究提供指导。     

微纳光纤的导波及远场辐射特性

为了研究微纳光纤的导波和远场辐射特性,采用模式理论和衍射理论分析了微纳光纤芯径与模场、z向能流密度、有效模面积和远场强度的关系,并通过拉锥光纤进行了实验验证。结果表明,通过合理设计,微纳光纤的大部分能量在包层中以倏逝波的形式传输,光纤的有效模面积可以超过1000μm2。拉锥光纤的实验证实了微纳光纤可以有效地传输导波并把其辐射出去。     

飞秒激光活细胞微手术研究

采用飞秒激光对活细胞进行手术,研究了其手术分辨率和微损手术对细胞活性的影响.首先建立飞秒激光活细胞手术系统,可以实时对手术中的细胞进行荧光成像.其次,在绿色荧光蛋白标记组蛋白的Hela细胞核内研究手术分辨率,达到了190 nm的极限尺寸,同时发现,细胞核的微损不会导致Hela细胞的死亡,为实现细胞核内微区功能研究奠定了基础.最后,飞秒激光对嗅鞘细胞的突起进行切割,5 h内损伤的细胞恢复了活性,因此细胞突起的切割可以实现胞外物质的跨膜运输.     

飞秒激光烧蚀长周期光纤光栅的高温特性研究

为了探索包层去除型长周期光纤光栅的高温传感特性,利用中心波长为800 nm,脉冲宽度为120 fs的飞秒激光烧蚀直写而成并对其进行高温传感检测。首先,通过两块轴线互相垂直的柱透镜将入射激光聚焦成细长焦线,并借助垂直方向CCD成像系统精确定位光纤与焦点的相对位置;然后,通过激光器内嵌shutter与运动平台的耦合控制,实现光纤光栅的精确去除加工;最后,将写制的光纤光栅置于800℃的高温炉中放置2 h。利用高温管式电热炉对所加工光纤光栅在30~1100℃内进行温度传感测试,发现其在30~300℃内谐振波长的温度灵敏度为51 pm/℃,线性度为0.956;但在高温段300~1100℃内,其温度灵敏度达到了135pm/℃,线性度高达0.999。实验结果表明,这种通过包层表面定量去除的长周期光纤光栅更适用于高温及超高温环境的传感检测。