纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性北大核心CSCD

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

石墨烯在强激光作用下改性的拉曼研究

采用化学气相沉积法制备了不同层数的石墨烯样品.根据石墨烯透过率曲线分析石墨烯样品层数与550 nm处透过率关系的同时,利用拉曼光谱法分析了不同层数石墨烯样品在强激光辐照下的损伤特性.结果表明:单层石墨烯样品经强激光辐照后,G带和2D带均向高频移动;多层石墨烯样品经强激光辐照后只有G带发生了略微的频移;石墨烯样品拉曼光谱G带与2D带强度比值表征了石墨烯的层数,此比值随激光辐照时间的增加而减小,这表明强激光对石墨烯样品具有明显的剥离现象.     

1064nm纳秒激光对石墨烯的损伤效应研究

通过化学气相沉积法制备,并转移到基片得到1~3层石墨烯样品。利用霍尔效应及微区拉曼光谱测量,结合光学显微镜观察,分析了不同层数石墨烯在1064nm纳秒激光辐照下的损伤特性。实验发现1~3层石墨烯的激光损伤阈值依次降低,分别为:单层0.45J/cm2,2层0.34J/cm2,3层0.23J/cm2。激光强度超过阈值时,石墨烯薄膜电阻增大,载流子迁移率降低。通过光学显微镜观察发现局部区域破损,破损区域的拉曼光谱中1580cm-1左右的G峰和2700cm-1左右的2D峰高度比发生变化。实验结果表明1064nm纳秒激光辐照石墨烯主要为剥离作用。     

连续激光重复加载下30CrMnSiA钢的反射率

利用双光束反射率测量装置,研究了连续激光重复加载作用下30CrMnSiA钢金属材料的反射率变化特性。通过激光加载、冷却然后再加载到更高的温度的辐照试验与激光单次辐照的结果比较,发现二次加载时材料表面的激光反射率与样品表面首次加载时达到的最高温度所对应的反射率基本一致,只有达到并超过首次加载时样品曾达到的最高温度后,样品表面的反射率才会再次发生变化,且变化趋势与单次完整加载时的路径重合。这表明样品表面的反射率与其达到的最高温度有关,进一步的研究结果表明,样品达到的最高温度与样品表面在最高温度下产生的氧化反应层有关,而这一氧化层在冷却过程和再加载过程不变化。     

基于光丝效应的飞秒激光单次高质量直接切割薄石英玻璃工艺研究(特邀)

提出了一种基于光丝效应的利用高重频飞秒激光结合高速扫描振镜对200μm石英玻璃进行单次直接切割的方法。优化加工工艺参数,实现了薄石英玻璃的快速高质量切割,加工速度可以达到10 mm/s,崩边小于7.5μm,断面粗糙度小于1μm。该方法实现了薄玻璃切割效率和质量的同步提升,在激光加工领域有较好的应用前景。     

基于光克尔门空间扫描单次激光信噪比测量

提出一种基于光克尔门空间扫描的单次激光信噪比测量方法.在该方法中,门光和探测光在光克尔介质中正交传输,通过光克尔门对探测光的空间扫描实现激光信噪比测量.采用该测量方法进行了单次激光信噪比测量的实验研究,测得时间窗口和分辨率分别为88.2ps、2.7ps.由于取样门是由光克尔效应来控制,因此该激光信噪比测量方法对于待测激光的波长没有限制.     

飞秒激光形成的半导体低维结构与发光

采用飞秒激光辐照硅和硅锗样品,用扫描电子显微镜(SEM)观察样品同,发现样品上产生了某低维结构.用飞秒激光作用产生等离子体相干驻波对硅和硅锗表面的融蚀模型来解释低维结构的形成机制,发现硅的表面周期约为400 nm的光栅结构在波长719 nm处有较强的光致荧光(PL)峰.该光致荧光的发光强度较小,其机制可从激光的脉宽和重复率两个方面来分析.当激光辐照的能量明显超过硅的融蚀阈值时,光栅形状消失,另一种锥状结构开始形成.控制加工条件,可以获得用于衍射和微分束的纳米光栅.     

单发大口径光束下介质膜损伤阈值测试

针对传统的激光诱导损伤阈值测试中存在的耗时问题,提出了一种利用单发次、大口径光束的介质膜损伤阈值的快速测定方法。该方法以图像处理为基础,通过坐标变换和栅格压缩,建立了样品辐照区域内损伤分布与光斑强度分布之间的精确对应关系。基于对大口径光斑辐照区域内损伤信息的快速提取和统计方法,通过单次激光辐照,获取了待测区域的损伤阈值。根据此方法搭建了单发大口径光束损伤阈值测试平台,并对HfO2/SiO2高反射膜损伤阈值进行了单发次测定的验证。     

脉冲激光与电化学复合的应力刻蚀加工质量研究

脉冲激光电化学复合加工可以有效去除激光辐照区域内的电解产物, 提高加工效率, 改善加工质量. 针对高性能金属材料的微细加工要求, 采用脉冲激光电化学复合的应力刻蚀加工方法对铝合金的刻蚀特性进行理论和试验研究. 通过比较激光直接刻蚀加工和激光电化学复合加工的特点, 应用扫描电子显微镜、光学轮廓仪等检测技术分析了刻蚀区域的形貌特征. 根据力学电化学原理, 探讨了金属材料微结构加工的应力去除机理. 通过加工试验, 研究了工艺参数和加工方式对加工质量的影响, 采用优化的工艺参数, 加工出了质量较好的微结构. 试验结果表明, 激光电化学复合的连续扫描加工稳定性好, 可以有效地降低表面粗糙度, 提高加工质量. 关键词： 激光电化学 应力刻蚀 加工质量 工艺参数     

基于脉冲分组的光剂量监控新算法

精确控制脉冲激光加工光剂量是保证加工产品工艺和质量的关键。在对现有的光剂量控制算法进行分析后,提出了基于脉冲分组的光剂量监控新算法,有效提高了光剂量监测精度和反馈控制速度。设计了光剂量监控系统,实现了脉冲激光加工光剂量实时监测及反馈控制。与Ophir公司的StarLab激光能量测量系统相比,500个激光脉冲以内的总能量测量,本系统测量误差不超过±0.1 5%。对一套脉冲最大重复频率为10 kHz、单脉冲最大能量为5 mJ、恒压工作下最大能量波动为±10%的脉冲激光加工系统光剂量进行了监控实验。在本系统的监控下,可将日标光剂量为150 mJ/mm~2以内的加工光剂量控制精度和重复精度分别控制在0.90%和0.100mJ/mm~2以内,同时将光剂量反馈控制速度提高了4倍。     

激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响

为了提高激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发产生土壤等离子体,采用光栅光谱仪和光电检测系统记录了元素谱线AlⅠ394.401 nm,BaⅠ455.403 nm,FeⅠ430.791 nm和TiⅠ498.173 nm的辐射强度和信背比,研究了激光脉冲重复频率(5,10和15 Hz)对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,在相同的激光输出能量条件下,当采用15 Hz的激光脉冲重复频率时,元素Al,Ba,Fe和Ti的谱线强度要比5 Hz时的分别提高50.94%,112.7%,107.46%和99.38%,光谱信背比分别提高15.16%,24.08%,40.26%和72.06%。通过测量等离子体参数,解释了激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响机理。     

NaCl对激光诱导土壤等离子体辐射的增强效应

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd:YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录等离子体发射光谱,研究了激光输出能量（100~500 mJ）和NaCl样品添加剂（质量分数0%~20%）对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200 mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信噪比,而更高激光能量诱导的等离子体中光谱线自吸严重。当土壤样品中加入适量NaCl添加剂以后,能够进一步改善激光光谱质量。NaCl加入量为10%时,等离子体中元素Fe,Ba,Al和Ti的谱线强度比无添加剂时分别提高了37%,32%, 32% 和70%,光谱信噪比分别提高了33%,26%,16% 和38%。而样品烧蚀量、电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%,9.6%和26%。     

Processing of transparent materials using visible nanosecond laser pulses

Laser micromachining of transparent materials is an intensively studied research area from the point of view of microoptical element fabrication. One of the most promising indirect processing methods is the laser-induced back-side dry etching (LIBDE). During this method, transparent targets are contacted with solid thin layers, which absorb and transform the pulse energy resulting in etching. The applicability of LIBDE technology for processing of fused silica using a visible nanosecond dye laser (λ=500 nm, FWHM=11 ns) and a 100-nm-thick aluminium absorbing layer was investigated. The applied fluence was varied in the range of 0–3050 mJ/cm²; the illuminated area was 0.1 mm². The threshold fluence of the LIBDE etching of fused silica was found to be approximately 540 mJ/cm². The chemical composition of the surface layers on and around the etched holes was investigated by field-emission scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectrometry. It was found that on average 0.4±0.3 at. % aluminium is built into the upper ∼1-μm-thick volume of the illuminated fused silica, while the aluminium content fell below the detection limit in the case of the original surface. Our experiments proved that the LIBDE procedure is suitable for microprocessing of transparent materials using visible nanosecond laser light. PACS 42.62.-b; 61.80.Ba; 81.16.Rf; 81.65.Cf     

激光诱导Mg等离子体电子温度的实验研究

利用波长为1 064 nm,最大能量为500 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温,一个标准大气压下对Mg合金冲击,改变激光能量,得到相应的Mg等离子体特征谱线。分析谱线,发现谱线有不同的演化速率,同时得到了MgⅠ,MgⅡ离子谱线,证明此实验条件下,激光能量足够Mg合金靶材充分电离。选择了相对强度较大的MgⅠ 383.2 nm, MgⅠ 470.3 nm, MgⅠ 518.4 nm三条激发谱线,利用这些发射谱线的相对强度计算了等离子体的电子温度,激光能量为500 mJ时,等离子体温度为1.63×104 K。实验结果表明：在本实验条件下,Mg原子可以得到充分激发;在200～500 mJ激光能量范围内,等离子体温度随着激光能量的降低而衰减,在350～500 mJ激光能量范围内的等离子体温度随激光能量的变化速度十分明显,200～350 mJ时等离子体温度变化速度迅速减缓;激光能量为300 mJ时,谱线相对强度明显减弱,低于350和250 mJ的谱线相对强度,不符合谱线相对强度会随着激光能量提高而上升的变化趋势,证明发生了等离子体屏蔽现象,高功率激光产生的等离子体隔断了激光与材料之间的耦合。此时的等离子体温度明显升高,不符合变化趋势,这是由于在发生等离子体屏蔽现象时,激光能量被等离子体吸收,导致等离子体温度上升。     

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。     

纳秒激光在铜靶材中诱导冲击波的实验研究

基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.     

A study on the pulsed laser printing of liquid-phase exfoliated graphene for organic electronics

The aim of this work is the pulsed laser printing of liquid-phase exfoliated graphene in the nanosecond regime and the optimization of the printing process on Si/SiO₂ and flexible polymer substrates (polyethylene naphthalate) via the laser-induced forward transfer technique (LIFT). The laser printing conditions and the optimum energy fluence window for reproducible deposition have been investigated, while the deposited graphene features have been studied morphologically and structurally by means of optical microscopy, micro-Raman spectroscopy and electrical characterization. LIFT experiments were carried out using the fourth harmonic (266 nm) of a pulsed ns Nd:YAG laser combined with a high-power imaging micromachining system to monitor the printing process throughout the experiments. The irradiation of our graphene solution resulted in the deposition of well-resolved patterns on different surfaces, highlighting LIFT as an alternative technique for the printing and patterning of liquid-phase exfoliated graphene for organic electronics applications.     

激光脉冲能量对激光诱导Al等离子体辐射特征的影响

使用Nd：YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体,利用光谱时-空分辨技 术,在52 mJ～145 mL/pulse激光脉冲能量范围内,关于激光脉冲能量对激光诱导等离子体 辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气,压强为10 kPa。结果发现,激光脉冲能量 升高,引起特征谱线强度增加,连续谱强度也增加;但能量过高,会击穿周围气体,产生气 体微等离子体。此时,特征谱和连续谱几乎不再增强;最大特征辐射强度在145 mJ、10 kPa 、靶前0.1 mm处、延时180 ns获得;同一条件下获得最强背景连续谱,而信号-背景差是在 145 mJ、10 kPa、靶前1.0 mm处、延时450 ns达到最大值。基于Al等离子体不同激光脉冲能 量下的时间-空间分辨谱,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信 号-背景差的条件。