飞秒激光双光子微细并行加工方法

飞秒激光三维微细加工技术具有真三维的制作能力和亚微米的加工分辨率等特点,因此获得越来越多的关注,但其串行工艺加工效率低是其技术难点．为了提高加工效率,搭建了一套飞秒激光并行加工平台,利用微透镜阵列实现飞秒激光分束聚焦,初步实现了双光子微细并行加工,在光敏树脂和玻璃上分别并行加工出多个二维结构,加工单点分辨率达到1．25μm．针对实验结果,对实验的加工一致性和分辨率进行分析,提出了进一步提高加工效率和加工一致性的方法．     

飞秒激光加工微纳光学器件

光学器件正在向着小型化、集成化以及柔性可变形等方向发展,基于集成微纳光学器件的光学系统以其较低的功耗、快速的响应时间以及高信息容量等优势脱颖而出。然而目前的高精度微纳加工手段如聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀、半导体光刻等工艺复杂,且缺乏灵活性。飞秒激光作为一种非接触、高精度、高脉冲强度的“冷”加工工具在微纳加工方面受到格外青睐。本文首先阐述了飞秒激光加工微纳光学器件的背景及相关机理,然后讨论了提高飞秒激光加工分辨率的各种方法,接着综述了基于飞秒激光的多种先进加工手段,其后总结了近年来飞秒激光加工微透镜、光栅、光波导以及光子晶体方面的代表性研究进展。最后,本文概括了飞秒激光加工微纳光学器件研究领域所面临的挑战以及未来发展方向。     

飞秒激光及光钟

结合飞秒激光超强、超快、超稳、宽频、广谱、相干的特点,介绍了其相应的技术应用情况:应用超快特性的微观物理、生物、化学、信息、通信等;以超强应用为对象的材料加工、制备、电子对撞加速器、受控核聚变等;以超稳特性应用为对象的光频测量、长距离测量、光钟等,并简介了光钟。     

飞秒激光三维微细加工技术

双光子吸收几率与光强度的平方成正比,因此,双光子吸收引发光致聚合局限在紧密聚焦的焦点区域,通过控制焦点的扫描运动可实现高精度三维加工。基于该原理,提出了一种利用飞秒激光进行微细加工的技术。根据此技术,建立了飞秒激光三维微细加工系统,该系统包括光源系统、显微镜系统、实时监测系统和精密移动系统等。研究发现,该系统加工的直线线宽最小可达500nm;加工线宽与加工速度成反比;激光功率为2mW时,最大和最小临界加工速度分别为80μm/s和1μm/s;制备出线宽1μm,宽度5μm的“CHINA”复杂结构,以及杆间距、层间距均为5μm的三维木堆型光子晶体结构。实验证实,该技术是一种非常灵活的微细加工技术。     

飞秒激光过饱和掺杂硅材料的研究及发展

飞秒激光利用其超快的作用时间、超强的峰值功率的特性,可以与半导体材料表面发生瞬态光化学反应,从而对材料进行有效的掺杂,且可以实现超过材料固溶度极限的过饱和掺杂,同时能在材料表面形成准周期的微纳结构。导致半导体表面性质发生改变,产生超宽光谱高吸收的特性,从而突破传统物理限制,并由此产生了一系列全新的应用。本文总结了飞秒激光与硅相互作用的基本理论和几种物理模型,介绍了其在相关领域的应用,并对飞秒激光过饱和掺杂及改性硅的发展前景作出展望。

     

飞秒激光冲击强化技术的研究现状及展望

作为一种微尺度范围内的表面强化技术,飞秒激光冲击强化具有热影响小、冲击深度浅、能量利用率高、工艺灵活等特点,在实现复杂形状微结构表面改性、宏观尺度零件表面微造型、微冲击成形等方面应用优势显著。概述了飞秒激光冲击强化技术的发展历程,总结了冲击模式、激光参数、附加能场等因素对强化效果的影响规律和机理,并对飞秒激光冲击强化技术的潜在应用及发展趋势进行了展望,以为突破飞秒激光冲击强化的关键问题、推动技术的产业化应用提供必要的指导与支持。     

飞秒激光加热引起相变过程的研究进展

飞秒激光因其在烧蚀固体材料时的独特机制,具有高精度高微结构的能力,表现出广阔的工程应用前景,因此近年来关于飞秒激光的研究受到广泛关注.报道了近年来飞秒激光的实验测定方法,综述了用于研究由激光加热引起的微尺度热传导的几种数值模型和方法,着重描述了分子动力学数值模拟方法,分析总结了现有的烧蚀机制,并展望了其发展前景.     

飞秒激光空间选择性诱导玻璃微结构及应用

利用飞秒激光与玻璃的非线性相互作用，可以对玻璃进行空间选择性微观改性与修饰，赋予新的光功能．本文介绍飞秒激光的持点及其对玻璃微结构的改性，以及近年来利用飞秒激光进行玻璃的缺陷控制、光活性离子(稀土、过渡和重金属离子)价态操作、微晶析出与折射率调控及其在光开关、波分复用、波导型有源器件、光子晶体等微光学器件的制备及光学集成领域应用的进展．     

飞秒激光制备柔性电子器件进展

消费电子市场正推动柔性电子器件向集成化、小型化及可穿戴的方向发展,同时也对柔性电子器件的制备提出了新的要求.光刻工艺加工精度高,但其成本昂贵、加工流程复杂且效率低.相比而言,飞秒激光加工兼有加工精度高和工艺流程简单的特点,已展现在制备柔性电子器件方面的独特优势和应用前景.为了更好地了解这一新兴领域的进展,本文概述了与柔...     

飞秒激光不锈钢表面陷光微结构的制备与性能研究

利用飞秒激光在高真空环境下,在316L不锈钢表面两次交叉扫描制备了周期性微纳结构,并研究了微纳结构对波长范围200~900nm的光波的吸收增强能力。样品表面微结构形貌与成分采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪测试。第1次扫描采用高能流激光,获得了微米级锥状钉结构,表面覆盖了典型的激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。然后将样品旋转90°,采用能流为0.02J/cm2的激光进行第2次扫描,路径与第1次扫描相交。第1次扫描的结构中的LIPSS被第2次低能流激光打断纳米颗粒,从而与锥状钉结构结合形成双尺度微结构。反射率测试结果表明,这种双尺度微结构表面的平均反射率约为2.28%,为光滑表面平均反射率的3.42%。结合XRD分析结果,不锈钢表面获得强陷光性能主要归因于飞秒激光制备的微结构。     

高斯光束均束器光学系统设计

为了提高激光光束的应用水平,需要将高斯光束整形为平顶光束。分析了非球面高斯光束均束器的基本原理和设计理论,选用超高斯光束函数作为平顶光束的数学-物理模型,建立了入射高斯光束与出射平顶光束之间的映射关系式,给出了高阶非球面的面型参数,利用光学设计软件ZEMAX设计了高斯光束均束器光学系统。系统入射光束直径为2 mm,出射光束直径为4 mm,激光波长为1064 nm。分析了能量转换效率,根据Bessel公式定义了平顶光束的平顶度。设计结果实现了激光束的2倍准直扩束、95.98%的能量转换效率和96.6%的平顶度。     

基于ZEMAX二组运动变焦系统凸轮曲线优化

凸轮曲线优化是机械补偿变焦距光学系统后期设计的一个重要环节.只有沿着准确的凸轮曲线控制变焦距系统的活动组份,才能保证有稳定良好的像质.本丈提出一种基于ZEMAX的凸轮曲线优化设计新方法.该方法利用ZEMAX宏语言编写变焦距系统凸轮曲线设计程序,得到变倍组和补偿组之间准确的相对位移关系.同时,该程序能够计算出随着光学系统焦距变化的像斑尺寸连续变化曲线,实现在设计凸轮曲线的同时,随着焦距的连续变化,实时了解光学系统综合像质走向.此举对凸轮曲线的合理性提供了至关重要的佐证.     

光全息中傅里叶变换透镜设计

针对光学全息再现像质较差,本文提出四片式近似全对称傅里叶变换透镜的设计.该设计根据电寻址液晶和CCD对傅里叶变换透镜的匹配要求确定设计参数.为了缩短总长,系统采用双远距结构,并利用ZEMAX自动设计软件进行优化设计.将设计结果应用于实验,获得了清晰的光学全息再现像.实验结果表明,该设计的各项指标与实验系统相匹配,具有结...     

大视场可见光目标模拟器光学系统设计

具有特定视场的动态可见光目标模拟器是可见光成像系统测试与评估的关键设备,该模拟器的准直投影光学系统决定了基于数字微镜阵列(DMD)的动态景象投射器的性能。根据成像系统测试与评估需求,本文对可见光准直投影光学系统进行设计。基于对投影光学系统的参数计算,设计了视场58°的大视场可见光目标模拟器光学系统。将设计结果与成像光学系统进行匹配仿真,获得了良好的配合效果。通过对所研制的系统进行测试,实验结果表明所设计的光学系统完全满足模拟器的要求和对动态场景的仿真需求。     

高分辨率多屏平动体积显示系统

描述了一种基于多屏平动扫描的高分辨率体积显示系统及其原理样机。通过 DMD向多个圆周平动的成像屏投射二维图像序列,借助人眼视觉暂留效应,此动态刷新的二维图像序列被感知为一个具有物理景深的三维图像。其光学投影模块保证了投影仪与成像屏之间的光程不变,从而构建了清晰稳定的成像空间;采用 FPGA设计高速数据通道,带宽达到了 18.75 Gbps,使得每个三维体积帧包含 512个二维图像切片,总体素超过 4亿,刷新频率达到 12 Hz。成功研制了原理样机,达到了预期的三维显示效果。     

Photoaddressable Polymers for Optical Data Storage

Photoaddressable polymers (PAPs) are side‐chain copolymer systems functionalized with azobenzene chromophores and mesogenic side groups. They show very large birefringence values after illumination with polarized light. The molecular mechanisms involved are photoinduced isomerization cycles of the azo side groups, which induce strong molecular reorientations (cooperative motion of light‐absorbing azobenzene chromophores and non‐absorbing mesogenic groups). Due to the long‐term and high‐temperature stability of their light‐induced birefringence, PAPs are very promising recording materials for optical data storage applications such as high‐capacity DVDs and holographic memory.     

应用于雷达系统的双路高速数据采集存储系统设计

介绍了一种用于对雷达回波I/Q信号进行双路高速采集与数据存储的系统,采样速率为200MHz,分辨率为12位,存储深度为4GB.该系统采用FPGA作为主控制器,ADS62P29作为高速数据转换器,K9K8G08U0M作为大容量数据存储器,通过USB实现系统与计算机之间的通信.利用Cadence软件和VHDL语言完成了系统设计、软件仿真及关键信号的完整性仿真.测试结果表明,ADC的有效位数可达10.69,输入信号为80 MHz的正弦信号时,两路ADC信号之间的相干系数达到0.998 4,可满足雷达系统对回波信号进行高精度相位测量的要求.     

球面投影光刻物镜的设计

针对人工晶体或隐形眼镜的面形上连续浮雕结构加工的特点,本文介绍了基于空间光调制器(DMD)曲面投影光刻物镜系统的设计方法.根据其成像面为曲面的特点,根据光学设计理论多次利用弯向物方的弯月形负透镜结构进行场曲校正,同时运用光的衍射原理优化设计物镜系统的数值孔径以消除DMD投影过程中的栅格效应. 运用ZEMAX工程光学设计软件对系统进行了模拟、优化,并对优化后的结果进行了分析.对于设计实例利用上述设计原则给出了设计结果,工作波长为g线(峰值波长λ=436nm),像面曲率r=22.5mm,视场φ6mm,数值孔径NA=0.1,分辨力为7.8 μm(64Ip/mm)时的光学调制传函值>0.8,畸变<±0.05%.     

宽温度环境下光数据存储的不稳定性分析

本文分析了磁光存储系统读出不稳定性和温度的关系,导出了信号和噪声随温度变化的函数关系,指出半导体激光器和光电探测器是导致读出不稳定的主要原因,提出了在宽温度环境下改善系统读出稳定性所应采取的措施。