介质微球光场调控制备多级银微纳结构及其表面增强拉曼光谱研究（特邀）

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势,但在微纳结构多样化制造方面存在局限性,限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性,揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律,在微球底部实现了可控的光场空间分布,实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步,通过优化制备参数(前驱液浓度比、激光辐照功率及辐照时间),成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球(AgNPs/AgMRs/MS)复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构(AgNPs/AgMRs)中的光场耦合,即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离激元共振以及复合结构定向发射等,实现了10^-14 mol/L的痕量检测,增强因子可达9.50×10⁹,为光化学还原制备高性能介质-金属复合SERS衬底提供了新思路。     

皮秒激光-化学复合法制备高效减反射晶硅表面微结构研究

基于皮秒激光的"冷加工"特点,进行了用皮秒激光辐照结合快速化学腐蚀(Na OH溶液:质量分数为4%,不大于3 min,80℃水浴)调控工艺制备高效减反射晶硅表面微结构的研究,在400~1000 nm波长的宽光谱范围内,获得了微-纳双结构微孔阵列和圆顶锥形周期性阵列两种减反射表面,前者的平均反射率低于5%,后者的平均反射率低于10%。制备过程中工艺可控性强,无需掩膜和真空环境。研究了激光工艺参数和化学腐蚀参数的不同调控匹配在微结构单元形成中的作用机制,分析了所制备表面微结构的减反射机理,为太阳能电池和其他半导体器件中硅基减反射表面微结构的低成本激光可控制造提供了重要的指导。     

激光加工硬脆性无机非金属材料的热应力作用研究

在大量实验的基础上,从分析CO_2激光加工陶瓷等硬脆性无机非金属材料的物理过程入手,研究了在激光功率和材料特性一定的条件下,切割速度、激光频率及占空比对材料温度场、热影响区及裂纹产生的影响;并通过数值模拟,分别给出了硬脆性无机非金属材料激光切割和制孔的应力分布分析解,利用所得到的裂纹评价准则很好地解释了实验结果,确定了实现激光无裂纹切割厚板陶瓷的可行性。对比实际实验结果,分析得出,由于加工路径的限制,实际激光切割速度的提高存在阈值,但可以通过调节频率和占空比来弥补加工速度,以此减少热影响区积累,阻止熔渣及裂纹产生。采用3500W CO_2激光器,当频率为200Hz,占空比为20%～30%,切割速度125～200mm/min时,可以完成对厚板氧化铝陶瓷的无裂纹切割。     

SiC发光特性及其调控研究进展

碳化硅(SiC)作为第三代半导体的代表材料,具有禁带宽度大、热导率高和临界击穿电场高等特点,所制备的光电器件在高温、强辐射等极端、恶劣条件下有巨大的应用潜力。本文综述了国内外SiC发光性质的研究现状,介绍SiC发光的实际应用,阐述了单晶、纳米晶和薄膜不同形态SiC的制备方法及发光特点,并对SiC发光调控的研究进展进行了探讨与展望。利用新兴技术手段,可实现对SiC发光光谱和发光效率等性质的调控。     

皮秒激光工程应用研究现状与发展分析

皮秒激光作为一种新型的能量源,具有皮秒级(?10 ps=10–11s)超短脉宽、重复频率可调范围宽和高脉冲能量等特点,有望实现包括硬脆性难加工材料在内的高精与高效兼顾的材料加工效果,在材料精细与微纳加工领域已逐步显露头角。介绍了皮秒激光与材料相互作用的基本特点和区别于其他类型激光加工的优势,总结综述近年来国内外皮秒激光在材料切割、选择性去除、深微孔加工和型面加工等几个面向工程实际应用研究的最新进展,对皮秒激光在工业领域未来应用中所面临的问题和发展方向进行分析与预测。皮秒激光的工程应用作为新型激光智能化制造手段之一将在高精高效机械制造领域具有广阔的应用前景。     

陶瓷激光切割技术的研究现状与思考

介绍了硬脆性陶瓷激光切割技术研究的若干新进展,着重从工艺角度系统地分析总结了激光加工陶瓷减少热损伤的4大类型:传统工艺的优化参数法、多道切割法、应力引导控制裂纹切割法以及辅助切割法.结合实际研究经验,针对陶瓷不同薄厚类型及三维切割需求,提出了目前该技术所需解决的主要问题及相关思考.     

高硬脆陶瓷激光加工技术的研究及进展

随着陶瓷材料应用领域的不断扩大,激光在陶瓷材料加工方面的巨大潜力日趋显现。由于陶瓷材料本征的硬脆特性,使得该技术的发展中还存在许多亟待解决的问题。根据近20年有关激光宏观加工陶瓷的论文和发明专利,从加工方法的角度系统地总结分析了激光加工陶瓷材料减少热损伤的8种常用方法,并讨论了各种方法的优缺点,在此基础上对激光加工陶瓷材料的研究现状和发展前景进行评述并提出相关建议。     

多种功能陶瓷的激光烧结技术

介绍了以Al2O3,Ta2O5,BaTiO3,Na0.5K0.5NbO3(NKN)等多种功能陶瓷为研究对象，在功能陶瓷激光烧结技术工艺特点及其特殊烧结效应等方面的实验研究结果。研究表明，采用激光烧结陶瓷技术的关键问题是建立合适的温度场，需要保证烧结时陶瓷径向温度场的基本均衡稳定及合适的轴向温度梯度;对于熔点接近2000 ℃的高熔点陶瓷，激光烧结功率密度上限为103～104 W/cm2;此外激光波长的选择定则、样品支架的选择及功率曲线调节方式的确定也不容忽视。激光烧结陶瓷具有特殊的物相和显微结构特点：易获得平衡相图中没有的新相，晶粒生长易具有取向性，可以在不添加烧结助剂的情况下通过液相传质完成高熔点陶瓷的致密烧结。该技术作为一项新型的陶瓷快速制备技术，有律可循，但还存在很多值得深入探究的地方。     

激光加工陶瓷裂纹行为的理论分析及实验验证

通过建立脉冲激光陶瓷打孔二维温度场模型,计算了相应的热应力分布,预测了打孔过程中的两种裂纹形态--径向裂纹和环形裂纹,并由此预测出激光脉冲切割过程中的两种裂纹扩展方式--发散型和回归型,提出通过降低加工处温度、减少热影响区以及增大孔径(或切缝宽度),可以达到降低热应力,抑制加工裂纹产生的目的.通过讨论模型参数和激光加工工艺参数之间的对应关系,提出低占空比、高辅助气体压力和离焦加工是激光加工工艺参数优化的基本方向,通过对氧化铝陶瓷和单晶硅的激光加工实验,对裂纹的产生及扩展预测进行了验证,并对加工参数优化实现了陶瓷的激光无裂纹加工.