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。     

超短脉冲激光微孔加工(上)——理论研究

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。为了进一步优化超短脉冲激光的微加工,理论研究必不可少。主要论述了超短脉冲激光与不同类型材料之间的相互作用机制。简述了超短脉冲激光微孔加工中的典型物理特性,如等离子体效应、自聚焦和光丝效应及锥形辐射等。分析了超短脉冲激光微孔加工的理论研究现状,并得出了目前理论研究中存在的问题。     

高平均功率超短脉冲激光光纤放大研究进展

超短脉冲激光在生物医学、激光微加工、国防等领域有重要的应用.随着双包层光纤激光技术的发展,基于双包层光纤或光子晶体光纤(PCF)的超短脉冲激光光纤放大技术由于在体积、效率、光束质量等方面的优势,倍受关注.主要报道国内外皮秒和飞秒级超短脉冲激光光纤放大的最新进展,介绍其在微加工、超连续谱产生和太赫兹波产生方面的典型应用.     

基于超短激光的光纤微加工人机界面设计

为了实现对光纤微加工过程的自动控制,在研究了157 nm超短波长激光和飞秒超短脉冲激光的工艺规划基础上,开发了超短激光微加工的数控自动编程系统,即人机交互界面。该编程系统可以自动生成数控指令代码,用于工作台以及激光的辅助控制。人机界面可以根据选择的加工形状,模拟仿真加工的全过程,并能预测加工结果,以提高加工效率。该系统能够满足不同光纤微加工的实际需求。     

微光学元件飞秒激光制备

超短脉冲激光不仅使人们得以在飞秒级时间分辨下研究物理、化学、生物学和光电子学等学科中的各类瞬态动力学过程，也使人们得以用很低的脉冲能量获得极高的峰值光强。近年来，利用飞秒激光的多光子过程进行微加工和微制备得到了广泛关注。由于飞秒激光脉冲持续时间极短，激光辐照区域淀积的能量难以通过热辐射途径逸出辐照区域，热     

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。     

“飞秒激光微加工——打孔”的文献综述

飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术,具有非接触、效率高、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结构微加工等传统技术无法比拟的诸多优点,其应用领域相当广泛。文章描述了飞秒激光加工透明材料时,激光能量沉积在光学趋肤层,热效应极小的特性。指出了目前打孔普遍利用激光的直写技术,针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。     

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。     

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。     

飞秒激光加工的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

介绍了一种利用波长为800 nm的飞秒激光脉冲在普通单模光纤(SMF)上刻蚀出微型光纤法布里-珀罗干涉(MEFPI)传感器的方法。该方法通过计算机控制就可以进行任意腔长的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的制作。实验研究了光纤法布里-珀罗传感器的应变和温度特性,结果表明,在0~350με的应变范围内,干涉条纹波长相对于应变的灵敏度为0.006 nm/με,线性度达99.69%;在20~100℃的温度范围内,该光纤法布里-珀罗传感器具有较小的负温度特性,干涉条纹往短波方向漂移了0.15 nm。作为全光纤传感器件,该类型传感器重复性高,成本低廉,易于批量加工,在光传感领域具有较大的潜在应用价值。     

飞秒激光与生物组织作用原理及其应用

飞秒激光由于其超快时间特性和极高的峰值功率特性在生物医学领域有着诱人的优势和广阔的发展前景.文章综述了飞秒激光与生物材料作用的原理,介绍了飞秒激光在生物医学方面的各种应用及发展动态.     

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。     

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。     

纳米、亚微米的超窄脉宽微细电化学加工

通过分析超窄脉冲实现纳米、亚微米级精度微细电解加工的机理和特点,说明脉冲电源的脉冲宽度减小至纳秒时,可将提高电解加工精度的方法综合运用,如小间隙电解加工、低浓度电解液、加工间隙的实时检测和调整控制等,从而增强电化学反应的定域蚀除能力,减小两电极的极间间隙,显著提高加工精度。构建了微细电化学加工系统,包括微细加工机床、纳秒脉冲电源、电解液循环系统、运动控制部分和加工检测部分,进行了微细加工试验。这种方法在微细成形加工、微小孔加工等方面已经取得了很好的应用效果,与其他特种微细加工技术相比具有一定的优势,在微米、纳米制造领域有着很大的发展潜能。     

基于157nm深紫外激光的蓝宝石基片微加工

为了探索157nm深紫外激光对蓝宝石材料的微加工技术,采用157nm激光微加工系统,对蓝宝石基片进行了扫描刻蚀和打孔加工,以研究激光工艺参量与刻蚀深度、表面形貌的关系,分析了157nm深紫外激光对蓝宝石材料的作用机理,并利用扫描刻蚀法在蓝宝石基片上加工了一个2维图形。由实验结果可知,157nm深紫外激光作用于蓝宝石材料是一个光化学作用与光热作用并存的加工过程,适合扫描刻蚀的加工参量为能量密度3.2J/cm2,重复频率10Hz～20Hz,扫描速率0.15mm/min;在能量密度2.5J/cm2下的刻蚀率为0.039μm/pulse。结果表明,通过对激光重复频率和扫描速度的控制可实现蓝宝石材料的精细微加工。     

Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses

The mechanisms of ultrashort-pulse laser ablation of materials are discussed, and the differences to that of long laser pulses are emphasized. Ultrashort laser pulses offer both high laser intensity and precise laser-induced breakdown threshold with reduced laser fluence. The ablation of materials with ultrashort pulses has a very limited heat-affected volume. The advantages of ultrashort laser pulses are applied in precision micromachining of various materials. Some femtosecond laser pulse micromachining results, including comparison with long pulses, are presented. Ultrashort-pulse laser micromachining may have a wide range of applications where micrometer and submicrometer feature sizes are required     

基于准分子激光工艺制作X射线光掩膜

LIGA工艺是一项能够应用于制造三维微机械结构的微细加工技术,但制作掩膜版工艺复杂、成本高。为了解决商用的微光学系统制造成本问题,在Au薄膜上用准分子激光直写的方法制作掩膜,这样既能够很快得到雏形,同时也能够降低制作的掩膜版的成本。分析讨论了基于电子束制作掩膜版和基于准分子激光制作掩膜版两种方法,得出了准分子激光制作的掩膜在成本和时间上都有优势的结论。将通过准分子激光技术制作的掩膜置于X射线下,在PMMA基板上可以加工很好的三维微结构。通过依次直接激光烧蚀金薄膜可以加工具有一系列微球状结构的吸收体图形,再将此图形转写到PMMA基板上,可以得到的最低像素为25μm。