飞秒激光多脉冲烧蚀研究进展

由于飞秒脉冲在烧蚀固体材料时的独特机制，在材料激光微加工方面有其突出的优点，表现出极大的应用潜力。本文主要就国内外多脉冲飞秒烧蚀研究的进展作一简介，包括多脉冲烧蚀的特点，现有的烧蚀机制分析及其应用前景等。     

飞秒激光对半导体材料及器件烧蚀效应研究进展

简要评述了国内外关于飞秒激光烧蚀半导体材料的理论研究、数值模拟和实验研究进展,报道了飞秒激光对几类光电探测器件损伤阈值的研究结果.     

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...     

飞秒激光烧蚀加工恒弹性合金的规律研究

恒弹性合金的加工对表面质量和加工精度的要求越来越高,为了实现对恒弹合金的精密定量去除,本文探索了采用飞秒激光烧蚀的加工新方法。首先,分析计算了在高强度飞秒激光辐照加工下,恒弹性合金材料的烧蚀阈值;其次,实验研究了飞秒激光脉冲能量和脉冲个数对该材料上烧蚀加工微坑的直径和深度的影响,结果表明：恒弹性合金的飞秒激光烧蚀阈值为0.167 J/cm2;可以通过增大脉冲能量来增大烧蚀坑直径,通过增大脉冲数来增大烧蚀坑深度。脉冲烧蚀坑直径上限为150.64 μm,运用飞秒激光旋切加工方法,可获得直径为500 μm的微孔,提高了飞秒激光烧蚀加工的能力。     

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的形貌特征研究

飞秒激光加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是一种面齿轮精微修正的新型加工技术。首先,根据烧蚀凹坑的直径和激光功率的定量关系得到激光的烧蚀阈值,根据烧蚀凹坑的深度和激光功率的定量关系得到材料的吸收系数。然后,考虑到能量累积效应,从高斯激光的聚焦方式考虑变离焦量效应,建立材料内部的能量吸收模型。最后,通过改变脉冲数和激光功率,研究飞秒激光烧蚀凹坑直径和深度的变化规律。实验结果表明,脉冲频率为200 kHz的飞秒激光脉冲数大于20时,烧蚀凹坑的直径和深度趋于稳定,这与理论结果相吻合。随着激光功率的增大,飞秒激光的加工质量有明显下降,当激光功率为1 W时,飞秒激光的加工质量良好且烧蚀深度足够深。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值及孵化效应研究

孵化效应在超快激光烧蚀和加工的过程中起着重要作用。文中通过实验研究了波长为1 030 nm的飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值和孵化效应。在单脉冲作用时,YAG表面发生“温和”烧蚀,具有较小的烧蚀孔径和深度;多脉冲作用时,由于孵化作用的影响,烧蚀阈值随着脉冲数的增加而显著降低。分别采用三种孵化模型,对比研究了其对YAG晶体烧蚀阈值的拟合效果。通过实验和拟合,得到单脉冲作用下烧蚀阈值为F_th,1=(12.27±3.56) J/cm²;多脉冲作用下,饱和孵化阈值为F_th,∞=(1.82±0.37)J/cm²。该研究为飞秒激光精密加工中的能量和脉冲数等参数的控制提供了参考。     

金属玻璃飞秒激光烧蚀特性

采用飞秒激光对Zr基金属玻璃在空气中进行了表面烧蚀、微打孔与微细切割等过程的研究.通过扫描电镜(SEM)、能量弥散X射线(EDX)能谱分析与透射电镜(TEM)及电子衍射等方法,分析了飞秒激光烧蚀金属玻璃的表面形貌与加工区域发生的相关效应.实验与分析表明加工区域周围无熔融和液滴溅射现象,热影响区极小,并且无晶化现象发生,但飞秒激光微细加工金属玻璃时存在极薄的表面氧化现象.研究结果表明,在适当选择参数的条件下,飞秒激光烧蚀是一种极有前途的金属玻璃无晶化微细加工方法.     

飞秒激光与宽带隙材料相互作用机理研究

应用处于近红外区域波段的飞秒激光对宽带隙材料SiC的烧蚀机理及其相互作用过程进行了研究.分别采用扫描电子显微镜(SEM)、表面粗糙度轮廓仪(Talysurf)和光学显微镜(OM)等分析技术对烧蚀区和未烧蚀区的表面微观形貌进行了检测和评价.不仅在烧蚀表面观察到了烧蚀区、定向波纹区和改性区等不同形貌特征,而且对加工阶段进行分离.并求出加工SiC时强烧蚀和弱烧蚀的阈值分别为0.13 J/cm2和0.61 J/cm2.根据实验结果得到了加工参数与烧蚀形貌之间的映射关系,发现入射激光的能量是决定材料去除方式的关键参数.     

飞秒激光对Mg/PTFE药剂烧蚀加工过程安全性分析

文章简要介绍了飞秒激光发展过程及其特点,讨论了利用飞秒激光的超快速时间和超高峰值的特性烧蚀加工烟火药剂Mg/PTFE的可行性与安全性.建立了飞秒激光与Mg/PTFE作用过程中的传热模型,根据模型计算了药剂内部的温度分布以及烧蚀反应放出的热量对周围药剂的影响;在本研究的计算条件下,确定了在切割过程中,受激光作用表面的温度可达3000℃以上,单个激光脉冲的作用深度小于5.0×10-7m,药剂反应放出的热量对周边基本上没有影响,因而飞秒激光能够用于Mg/PTFE药剂的加工.     

飞秒激光对发射药切割过程的热分析

对利用飞秒激光的超快速时间和超高峰值的特性烧蚀切割发射药过程进行了热分析建立丁飞秒激光与发射药作用过程中的传热模型,计算丁药剂内部的温度分布以及烧蚀反应放出的热量;在本研究的计算条件下．确定了在切割过程中,受激光作用的表面温度可达2500℃以上,作用深度小于1.0μm.     

飞秒激光蚀除金属的分子动力学模拟

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法，从连续及原子级的角度详尽描述了飞秒激光与金属的相互作用过程。建模时不仅考虑了激光能量的吸收方式、电子热传输及电子一晶格间的能量交换，而且对底部边界进行了特殊处理，采用简单而有效的速度减幅技术，既能防止靶材底部断裂，又能保证有效蚀除。分析了靶材内部温度、压力的分布特征及应力约束条件下的蚀除机制。模拟结果表明，靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生断裂；较高脉冲能量密度下蚀除产物由多个大团簇组成，而较低能量密度下只包含单个团簇，这是应力约束条件下金属蚀除的主要特征。同时，深入探讨了激光诱导压力波的成因及其传播规律，预测了压力波的波速。确定了蚀除阈值，同实验数据完全吻合，并证明了有过热现象的存在。     

飞秒激光烧蚀玻璃基质金属薄膜直写衍射光栅

提出了一种新的制备光栅的方法,利用800 nm的飞秒激光扫描蒸镀在石英玻璃衬底表面的金薄膜,通过烧蚀金薄膜在衬底表面形成衍射光栅。用波长为532 nm的激光照射光栅,测量其一级衍射效率,测得的衍射效率最高为6.98%。通过改变激光扫描速度、激光功率、光栅周期等实验参数研究其对制备的光栅的一级衍射效率的影响,结果表明,降低激光扫描速度,减小光栅周期,或增加激光功率都能提高制备光栅的一级衍射效率。     

飞秒激光诱导材料表面纳米结构研究新进展

综述了利用飞秒激光脉冲在材料表而产生纳米结构现象的最新研究进展,介绍了在飞秒激光烧蚀过程中不同激光参量对纳米结构的影响,总结了纳米结构形成的主要物理机制。     

基于飞秒激光的石英刻蚀参数探讨

主要从实验角度研究了在波长 780 nm飞秒激光作用下石英的烧蚀, 给出了石英烧蚀孔径与能量的关系, 计算出石英的烧蚀阈值为 1.06 J/cm2。并研究了光阑对孔径的影响, 能量、扫描速度、扫描次数与微槽宽度和微槽深度的关系。     

0Cr18Ni9不锈钢飞秒激光烧蚀特性的研究

为研究飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢的特性,采用掺Nd:KGW的飞秒激光进行了0Cr18Ni9不锈钢烧蚀实验。分析了飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢的表面形貌与烧蚀区域发生的相关效应。实验与分析表明0Cr18Ni9不锈钢烧蚀阈值为0.45 J/cm2;随辐照脉冲数增加,烧蚀区域呈现光栅结构、微凸结构、乳突结构和凹陷结构、烧蚀孔形成的表面结构变化规律,并伴有热影响,且不锈钢烧蚀区表面发生氧化现象;烧蚀区形成的微观结构影响激光能量的进一步传输和沉积,烧蚀区出现局部深熔。