飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视．在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内，从而可以获得极高的分辨率和加工精度。文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展，分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍，阐述了各自的物理机制．最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨。     

激光超衍射加工机理与研究进展

随着纳米科技和微纳电子器件的发展,制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术,具有巨大的发展潜力,己广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造,研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况,包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等;然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术,包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展;最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.     

基于PDMS的光纤端面微纳结构转移法

微纳光纤传感器将微纳加工与光纤传感技术有机结合，具有重大的科研意义和产业化潜力。现有加工方法无法达到任意复杂三维结构可制备化，从而限制了微纳光纤传感器的发展。介绍了一种新型微纳加工方法，该方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上实现微纳结构的制备，之后将薄膜连同微纳结构一同转移到光纤端面，在光纤端面实现人为定义三维立体微纳结构。通过在扫描电镜下对制备的样品进行检测，确认PDMS薄膜及其上三维结构可被无损转移至光纤端面。该方法具有易制备、低成本且可加工三维微纳结构的特点。     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 m,球冠高6.7 m,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 m,长径比超过100。     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 μm,球冠高67 μm,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 μm,长径比超过100。     

基于微纳光纤的气溶胶探测应用技术

为获得激光装置密闭空间内部气溶胶分布变化情况,提出了一种基于微纳光纤传感的密闭空间气溶胶检测方法。首先通过理论计算微纳光纤表面吸附气溶胶后传输能量的变化情况,得到能量损耗与气溶胶折射率、尺度之间的关系。利用火焰熔融扫描拉锥法拉制微纳光纤,并放置在激光装置中实验验证。实验结果表明:利用直径为1.5μm的微纳光纤可以有效检测密闭空间内直径为1μm和2μm尺度的颗粒污染物,并可以通过微纳光纤的附加损耗评估颗粒污染物的数量及尺寸,得到附加损耗与空间环境洁净度之间的关系,且理论与实验结果符合较好。     

超快激光的光电应用

超快激光一般是指脉冲宽度短于10ps的脉冲激光,主要指短皮秒和飞秒(10-15s)激光。这个时间尺度短于激发态电子向晶格弛豫能量的所需时长,使光与物质相互作用呈现了与通常光激发显著不同的特性,也促成了其崭新的光电应用。围绕飞秒激光与物质相互作用快(作用时间短)、强(瞬态功率高)、精(非线性使作用区体积小,用作加工分辨率高)的特点,开展了系列研究,包括飞秒激光超快光谱用于光/电-电/光转换动力学探索,激光诱导气体成丝用于近程遥感探测,及飞秒激光微纳加工用于新原理、新材料微纳集成器件的制备。介绍了相关研究的进展。     

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

高光谱吸收微纳结构表面提高太阳能温差发电性能的研究

采用飞秒激光等离子体丝（飞秒光丝）在金属铝箔表面以不同飞秒光丝扫描速度（5,15,25,35和45 mm·s-1）制备了微纳结构表面,并在太阳光能量主要覆盖的光谱范围（330～890 nm）内对其进行了反射率测量,发现飞秒光丝制备的微纳结构表面具有显著的高光谱吸收特性,并且飞秒光丝扫描速度越慢,光谱吸收率越强,5 mm·s-1条件下微纳结构表面光谱吸收率达97%以上。将制备的高光谱吸收微纳结构表面作为温差发电片（TEG）光吸收体,以此为基础构建了考虑太阳光辐照及温差发电模块（即TEG模块：结合微纳结构表面的TEG）散热情况的仿真实验环境并进行发电功率测量。研究结果表明,具有微纳结构的铝表面（5 mm·s-1制备条件下）与抛光铝箔或裸发电片相比,光电转化效率（发电效率）可分别提高43.3和10.7倍。进一步研究了TEG模块的温差发电的过程与机理,将TEG模块的温差发电过程分为光热（光能转化为热能）与热电（热能转化为电能）两个转化过程分析：首先在光热转化过程中,微纳结构表面增强了太阳光吸收效率,为光热转化提供更多的光子能量,实现了其在表面更多的热量沉积,进而在之后的热电转化过程中,更多的热能沉积使得TEG模块的载流子迁移率得到了很大提升,这样在同样的温差（发电片冷热端的温度差值）条件下,微纳结构表面与普通表面相比可以获得更高的热电转化效率。因此,微纳结构表面的高光谱吸收性能使得TEG模块经光热转化后得到的高热能沉积使载流子迁移率得到了提高,进而显著提升了TEG模块发电性能,这是微纳结构表面增强TEG温差发电效率的主要原因。这一机理的揭示,为TEG模块发电性能的进一步优化和提升提供了理论依据,对TEG模块的实际应用具有重要的意义。     

飞秒激光刻蚀V型光纤微腔及其干涉谱特性

实验发现飞秒激光单步刻蚀的光纤微腔两个反射壁与纤芯轴向并不完全垂直,微腔形状与飞秒激光经显微物镜聚焦后的焦点相对于光纤的位置有关.当激光经显微物镜聚焦于光纤侧表面时,刻蚀的微腔形状近似V型.与常规的光纤法布里-珀罗(F-P)腔相比,V型光纤微腔干涉谱出现了自由光谱范围、微腔光损耗以及干涉条纹对比度与波长有关等反常现象....     

“机器微纳光学科学家”:人工智能在微纳光学设计的应用与发展

微纳光学材料与器件是光通信、光传感、生物光子学、激光、量子光学等诸多光学领域的关键.目前微纳光学设计主要依赖传统数值方法,存在依赖计算资源、创新效率低、得到全局最优设计困难的难题,是当前微纳光学设计的瓶颈.人工智能(artificial intelligence,AI)目前已经在多个学科开展应用,带来了科学研究的新范式.本文从微纳光学设计对象、数据集构建、学习任务与算法以及性能度量四个方面对AI在微纳光学设计领域的应用进行综述.对AI在微纳光学研究中的难点及未来的发展趋势进行了分析与展望.     

微纳光纤直径精细控制技术

为实时监测高通量激光系统中洁净情况,提出了基于微纳光纤的微量污染物传感技术。为消除微纳光纤外形结构误差对测试结果影响,首先理论研究了微纳光纤拉制过程,得到了加热长度和拉伸长度误差和引入微纳光纤外形结构偏差的关系,接着通过理论仿真得到了不同拉制参数条件下,微纳光纤外形结构误差情况,并得到了拉制长度为10 mm、直径为1.5 μm的最优制备参数,最后通过实测微纳光纤外形结构验证了理论仿真结果。实验结果表明,通过优化微纳光纤拉制参数可实现其外形结构的精细控制,为微纳光纤用于微量污染物传感工程实用化奠定基础。     

飞秒激光诱导微结构中飞秒时间分辨等离子体的时空动力学过程(特邀)

利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术研究了不同数值孔径显微物镜聚焦的单脉冲飞秒激光诱导熔融石英微结构中等离子体的瞬态时间-空间演化特性及瞬态电子密度空间分布与激光诱导微结构的联系。实验结果表明显微物镜聚焦的飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度随延时的增加先增大后逐渐减小。当显微物镜的数值孔径为0.45时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加变化不大,基本都在非线性焦点处,激光在样品中诱导的微结构是点状的;当显微物镜的数值孔径为0.3时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加逐渐向样品内部移动,激光诱导的微结构是长条状的。此外,不同数值孔径显微物镜聚焦飞秒激光在样品中诱导最大瞬态电子密度的空间位置与激光诱导微结构的位置一致,这说明飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像可用于超快激光微加工过程的在线检测,可为超快激光诱导材料微结构的定向调控及加工参数优化提供参考。     

聚焦激光束在微纳材料中的应用

低维微纳材料因其特有的小尺寸效应以及由此而来丰富的物理性质,预示着其在后摩尔时代的电子、光电器件中将发挥重要作用。由于微纳材料的小尺寸特性,通过运用传统技术,很难实现对微纳材料的精准操控,制约了微纳材料在微型化、集成化、多元化器件中的应用。文章回顾了聚集激光技术的发展历程,重点介绍如何通过聚焦激光束实现对微纳材料的精准操控、加工与改性,并对聚焦激光技术的研究前景进行展望。     

微纳卫星COTS器件应用研究

大量采用宇航级元器件进行航天器研制的模式,由于其“成本高、研制周期长、元器件性能不足”等缺点,已经难以满足微纳卫星“周期短、成本低、集成度高”的要求。因此提出了在微纳卫星上使用COTS(Commercial off-the-shelf)器件的方法;针对微纳卫星的特点,首先分析了微纳卫星对COTS器件的需要和风险,提出了COTS器件微纳卫星应用的选用原则、选用依据;在此基础上经过分析,提出了COTS元器件微纳卫星应用流程,有针对性提出了COTS器件应用的器件级和板级筛选方法,并开展了COTS器件的微纳卫星抗单粒子效应加固设计,进一步提高COTS器件应用的可靠性。通过在轨应用验证,结果表明,通过该方法选用筛选的COTS器件,在进行有效加固后可以满足微纳卫星在轨稳定运行的要求,同时为微纳卫星降低成本缩短研制周期提供了保障。该方法对COTS器件在微纳卫星中的应用提供了一般性指导意义。     

微纳光纤及其锁模激光应用

微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的纤维波导,由于纤芯和包层折射率差较大,具有强光场约束、强倏逝场、低损耗、反常波导色散、表面均匀性好和机械性能高等特性。近年来,以纳米材料作为饱和吸收体的被动锁模激光器成为超短脉冲激光技术方向的研究热点。得益于微纳光纤的强光场约束能力及大比例倏逝场,纳米材料与微纳光纤的复合结构能显著增强光与物质的相互作用,进而降低该复合结构的饱和吸收阈值,为超短脉冲产生和非线性动力学等研究提供一个新颖而灵活的平台。同时,微纳光纤因具有反常波导色散、光谱滤波、饱和吸收和偏振敏感等特性,在激光器的色散调控、偏振锁模等方面获得应用。介绍了微纳光纤的制备和特性以及在锁模激光方面的典型应用和相关技术的最新进展,并就未来的发展方向进行了展望。     

离子束刻蚀辅助飞秒激光加工制备碳化硅微光学元件

为了解决飞秒激光加工硬质材料所带来的表面质量差的问题,提出了离子束刻蚀与飞秒激光复合加工技术.利用飞秒激光加工技术在碳化硅表面制备微纳结构图形,然后通过离子束刻蚀技术对碳化硅微纳结构进行刻蚀,以调控结构的线宽和深度,使结构表面粗糙度由约106nm降低到11.8nm.研究表明,利用该技术制备的碳化硅菲涅尔波带片展现出良好的聚焦和成像效果.     

通过光致还原调制氧化石墨烯寿命并用于微纳图形制备

氧化石墨烯因其宽带可调谐的荧光发射特性已被广泛应用于荧光成像、金属离子高灵敏检测和光电器件的制备.相比于荧光强度,氧化石墨烯荧光寿命不受材料厚度和激发功率的影响,具有更为稳定和均一的特性.本文研究了在激光还原过程中氧化石墨烯荧光寿命逐渐减小的变化行为,发现了长寿命sp~3杂化结构向短寿命sp~2杂化结构的转变.通过精确控制还原时间,结合激光直写技术,在单层氧化石墨烯薄膜上实现了二维码、条形码、图形和数字等微纳图形的制备,还在多层氧化石墨烯薄膜结构上获得了多寿命多层微纳图形.这种微纳图形的制备具有灵活无掩膜、高对比和多模式的特点,可用于高密度光学存储、信息显示和光电器件制备等诸多领域.     

薄膜微区域变形的微标记阵列检测方法研究

本文应用阵列微压痕标记技术完成了薄膜表面微孔洞缺陷邻域变形检测. 检测中通过应用纳米压痕和微区域放电技术, 制作微标记阵列和微孔洞缺陷, 并在数字化显微系统下完成微区域点阵变形检测, 进而实现微区域小变形测量. 研究了微标记点的信息提取与表征方法, 讨论了微标记法在薄膜材料性能检测中的可行性及其检测性能.