飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术研究

针对目前PMMA微流道加工质量差和效率低的问题, 对飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术进行了研究。通过实验分析了不同激光参数对微流道的宽度、深度、粗糙度、微流道两侧堆积物火山口高度的影响及变化规律。实验结果表明, 当激光扫描速度为20 mm/s时, 激光功率为0.5 W时, 微流道粗糙度较低且变化幅度不明显; 激光能量从0.5 W增加到0.75 W时, 微流道的宽度、深度与激光能量呈线性关系增加; 激光功率大于0.5 W时, 随着激光功率以及加工次数的增加, 微流道宽度、深度、粗糙度以及堆积物火山口的高度逐渐增加。经过计算得出, PMMA的烧蚀阈值为0.357 J/cm2。通过优化工艺参数, 制备出粗糙度较低、表面光滑、深度为16 μm的微流道芯片。     

光谱测量在激光加工在线监测上的应用研究进展

随着现代工业的发展,复杂加工环境和对象、大动态范围、高效率和高精度激光加工需求愈加迫切,在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径。与此同时,激光与物质相互作用时可产生与加工参数、加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化,在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态,故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在线监测手段。实际上,光谱测量已应用于激光焊接、激光切割和钻孔、激光清洗打磨、微纳结构制备和增材制造等几乎所有激光加工工艺,具有分辨率高和光谱信息丰富等特点。分析和总结了用于激光加工在线监测的光谱测量技术,包括等离子体光谱、反射光光谱和非线性光信号光谱等。基于单脉冲和多脉冲激光加工激发等离子体信号的光谱测量,除实现化学成分定性和定量监测外,还可以根据特征谱线相对强度变化实时调焦,根据等离子体温度监测和调控激光加工过程中与热效应相关的物理过程;作为一种无损伤且工作距离较远的监测方法,反射光光谱监测可通过测量特定波段反射光信号光谱积分功率、特征谱线和波段位置和强度来有效监测材料表面清洁度、损伤、色度和成分变化等;而在特定条件下产生的谐波信号、荧光信号和拉曼信号等非线性光信号,尽管应用场景有限,但提供了一种实现成分、焦距和材料损伤等监测的新方法。进而,展望了光谱测量在激光加工在线监测上应用的未来发展趋势,包括多种光信号的光谱协同监测与光、声、温度及图像等多种信号测量的复合监测。同时,人工智能技术与在线监测和激光加工的深入结合将进一步推动激光加工技术的智能化发展。     

水下低频声信号的激光探测及波的衰减

为了探测几十赫兹的低频水下声信号,建立了水下低频声信号的光学探测系统,得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系,声源距离越小,衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后,实验上得到了表面声波的衰减特性,理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化,频率不同衰减系数也不同,而且频率越大,衰减系数越小.     

水下低频声信号的激光探测及波的衰减

为了探测几十赫兹的低频水下声信号,建立了水下低频声信号的光学探测系统,得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系,声源距离越小,衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后,实验上得到了表面声波的衰减特性,理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化,频率不同衰减系数也不同,而且频率越大,衰减系数越小.     

飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。     

研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应

根据激光激发声表面波的热弹运动方程及热传导方程, 采取有限元技术对方程进行求解, 得到声表面波传播波形图. 当声表面波经过近表面缺陷时, 声表面波与近表面缺陷之间产生一种振荡效应, 通过近表面缺陷的振荡波形幅值存在一个逐渐增加后又逐渐减小的过程. 当声表面波经过不同深度的近表面缺陷时, 振荡信号中心频率存在一定的变化规律. 数值仿真结果表明: 当近表面缺陷深度从0.1 mm到0.5 mm变化时, 振荡效应产生的振荡信号中心频率从0.4 MHz到0.76 MHz变化, 振荡信号中心频率与近表面缺陷深度呈近似线性关系, 这为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础.     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。      

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。     

飞秒激光烧蚀氟化钙晶体表面特性

采用飞秒激光对氟化钙晶体表面进行加工。通过调控激光参数,采用静止聚焦和动态扫描两种方式在晶体表面加工出一系列微结构(烧蚀孔和烧蚀线)。分别对两种加工方式烧蚀后的氟化钙晶体表面微结构进行系统研究,包括参数依赖关系、材料表面烧蚀阈值等。计算结果表明:在静止聚焦情况下,累积因子为0.0033;在动态扫描情况下,当扫描方向与激光偏振方向垂直或平行时,累积因子分别为0.0043和0.0052。飞秒激光加工过程中的脉冲累积效应能够对晶体的烧蚀产生重要影响。     

贴膜条件下飞秒激光诱导硅基表面锥状微结构

利用波长为800 nm的飞秒脉冲激光,对表面贴有聚对苯二甲酸乙二醇酯透明膜的单晶硅片进行扫描,研究了不同激光制备参数对微结构形成的影响.结果表明,锥状微结构是否形成取决于激光能量密度,能量密度太小时不能形成锥状结构,能量密度太大时易破坏锥状突起;而激光扫描速度可直接影响锥状微结构的质量,扫描速度太小时也易破坏锥状结构突起,扫描速度太大时,由于作用深度太浅使得锥状结构轮廓不分明.在此基础上对实验参数进行优化,得到了较理想的锥状微结构.最后通过分析指出,贴膜条件下锥状微结构的形成是由激光烧蚀作用和氧化作用共同引起的,且激光烧蚀作用占主导.     

偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响

为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响,开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响,利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌,并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明:线偏振光烧蚀线宽度大于圆偏振光,且激光功率越大,线宽差异越明显;当线重叠率在65%~90%时,线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大,在重叠率为65%时达到1.33μm;线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大,并在重叠率为80%时达到较小值1.05μm;当重叠率不到80%时,线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小;重叠率为90%时,其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。     

全内反射显微技术探测亚表面缺陷新方法研究

亚表面缺陷的检测和去除对于提高光学元件的激光损伤阈值至关重要。结合全内反射显微技术和数字图像处理技术获得光学元件亚表面缺陷信息的新方法,利用显微镜系统的有限焦深,对亚表面缺陷沿深度方向扫描,可以获得不同离焦量下的散射图像,通过数字图像处理技术,建立缺陷散射图像清晰度评价值与离焦量的关系,通过清晰度曲线得到亚表面缺陷的深度位置及深度尺寸。模拟全内反射显微平台的成像过程,讨论微调焦过程中全内反射显微成像的特点。缺陷深度位置及深度尺寸的测量精度主要由载物台精密调焦机构的精度以及显微镜的焦深决定,一般可达微米量级。利用飞秒激光加工技术制备尺寸和位置已知的微结构,使用该方法准确获得了微结构信息,验证了该方法的有效性。     

利用光斑图像特征确定飞秒激光有效烧蚀焦距

为确定飞秒激光光束对微尺度结构的烧蚀深度,研究了给定功率条件下对应的激光束有效烧蚀焦距。提出采用激光焦点处获得的烧痕阵列图像及在离焦状态下提取烧痕图像特征,通过分析图像特征与离焦距离,获得激光束有效烧蚀焦距范围的方法。在激光束焦点附近的硅晶片表面烧蚀出斑痕阵列,向下逐渐减小焦距,采集硅晶片斑痕图像,提取斑痕平均像素面积及斑痕目标与背景之间的R分量灰度差,获得斑痕像素面积及灰度差随激光束焦距变化的曲线;向上逐渐增大焦距,提取并获得斑痕像素面积及灰度差随激光束焦距变化的曲线。结合激光束向下离焦阈值(633 μm)及向上离焦阈值(993 μm),确定20 mW输出功率条件下,飞秒激光在硅晶片材料表面的有效烧蚀深度为360 μm。采用中位值方法确定了激光束在硅晶片表面聚焦时的焦距为0.823 mm。实验表明,激光烧蚀斑痕像素面积及灰度差与激光束焦距之间的关系能够客观地反映激光束有效烧蚀焦距的变化范围。     

飞秒激光脉冲能量累积优化对黑硅表面形貌的影响

在黑硅表面制备的微结构可以使其获得多种表面功能,这些功能在太阳能、探测器等领域具有广泛的应用.因此,黑硅微结构的形成机理及制备条件优化一直是研究关注的焦点.本文的研究发现,随着激光辐照量(提高单脉冲能量或增加积累脉冲数)的增加会遇到形貌尺寸生长的瓶颈效应:过多的能量累积对微结构的优化和控制并没有进一步的作用.理论计算结果表明,产生这一现象的原因是前序飞秒激光脉冲诱导产生的微结构形貌对当前激光脉冲能量的吸收产生了调制,使当前激光脉冲的有效烧蚀效率降低.根据这一飞秒激光烧蚀规律,提出了一种优化表面形貌的新方案——在辐照激光总能量一定的条件下,通过改变激光能量的分配方式(单脉冲能量与脉冲数的组合)可实现表面形貌的优化.这一新的工作方式不但可以提高黑硅的制备效率,而且还有助于减少飞秒加工过程带来的表面缺陷及损伤,并降低加工过程中的能源消耗.这一研究成果对黑硅性能的进一步提升及其工程应用具有重要的意义.     

声学超表面抑制Mack第2模态机理与优化设计

从理论上推导了声学超表面对平面声波的作用模型,该理论模型计及声波高阶衍射模态,从而能够计及超表面微结构之间的声学干扰.通过与数值结果对比,该模型预测的反射频率精度得到了一定程度的提高,并能够分辨出相邻孔声场之间的耦合模态.讨论了声学超表面吸声特性与阻抗特性对高超声速边界层内Mack第2模态的抑制机理,研究发现通过设计超表面阻抗特性,使得入射声波与反射声波在壁面处相位相反,同样可以抑制Mack第2模态.基于理论模型,分别优化设计得到最优的微结构几何尺寸,并通过对Mach 6平板边界层流动进行稳定性分析,验证了超表面不同声学特性的抑制效果.      

飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究

基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变化(由Drude模型得到的介电常数变化),引入包含双温方程的电子数密度模型.计算结果表明,Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的周期性波纹结构.同时,波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,其空间周期略小于激光波长,并受到入射激光通量的影响.在激光通量为0.38 J/cm~2时,波纹周期达到最小值.另外,还得到了不同入射角度的波纹周期变化情况,并在不同偏振态下随入射角度增大时波纹周期呈现相反的变化趋势.该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要参考意义.     

表面垂直裂痕诱发瑞利波散射的数值分析

激光激发的声表面波为材料表面缺陷的检测提供了有力的工具.针对含缺陷材料在模型边界上的复杂性,建立了基于平面应变的有限元模型并选取了相同厚度但含有不同深度的表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,得到了声表面波经过不同深度的表面裂痕时产生的反射及透射信号波形的时域特征.进而引入了基于Wigner-Ville分布理论的时-频分析方法计算裂痕前、后散射的瞬态表面波的能量在时间-频率平面内分布的情形.结果显示：声表面波接近中心频率的某一频率成分在经过深度小于其中心波长的表面缺陷时,随着裂痕深度的增加,对应于该频率的反射系数呈现单调递增的趋势;而透射系数呈现递减的特征,这一结果可以为激光超声检测表面缺陷提供一种定量的表征手段.     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

飞秒激光双光束干涉高效率地制备硅表面超亲水结构

利用飞秒激光双光束干涉技术,结合柱透镜线扫描技术,在30 s内制备了面积为10 mm×10 mm的微米-纳米复合结构,极大地提升了激光加工效率。飞秒激光刻蚀后的硅表面包含双光束干涉引起的长周期微米结构,以及飞秒激光诱导的纳米周期结构。微米-纳米复合结构极大地提升了表面粗糙度,在毛细效应的作用下,硅在空气中显示出超亲水性,接触角从40°降为0°。测量烧蚀前后硅表面的X射线光电子能谱,发现激光加工后硅表面的Si-OH和H_2O分子的含量分别增加22.3%和13.6%,这进一步增强了硅表面的亲水性。随着激光照射功率的增加以及扫描速度的下降,硅表面接触角逐步下降。本文研究为高效制备大面积超亲水结构提供了新方法,在热传导、生物芯片等领域具有潜在的应用价值。     

准一维电子通道中声电电流的理论计算

表面声波在GaAs/Al _x Ga_1-x As异质结表面上沿由分裂门产生的准一维电子通道方向传 播时，在通道中诱导产生声电电流.采用WKB近似，计算了只有一个电子被量子阱俘获时的声电电流；并在此基础上，详细讨论了表面声波的频率和功率，以及门电压和源漏偏压对声电电流的影响. 关键词： 表面声波 准一维电子通道 量子阱 声电电流