高重频飞秒激光高效加工太赫兹滤波器核心结构

高频太赫兹滤波器的核心结构具备跨尺度、大去除量、高精度等特点,为实现核心结构高效精密加工,加工技术的选择尤为重要。与常见的机械加工、光刻工艺、MEMS等技术相比,飞秒激光加工技术具有材料普适性强、流程简单、可实现薄壁结构精密加工等优点。以中心频率850 GHz的太赫兹滤波器核心结构设计为输入,利用飞秒激光加工技术开展太赫兹滤波器核心结构的加工实验研究。考虑到低重频飞秒激光不满足高效加工的实际要求,选择高重频飞秒激光作为加工光源,在加工策略精准设计和加工参数精准优化的条件下,实现了高频太赫兹滤波器核心结构的高效精密加工。研究结果表明,高重频飞秒激光加工的太赫兹滤波器,其中心频率测试值与设计值接近。因此,高重频飞秒激光加工技术成为太赫兹滤波器核心结构加工的可选手段。     

单晶金刚石微杯形谐振子的激光刻蚀制造方法

基于激光刻蚀技术,提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质,单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料,但是金刚石硬度大且化学性能稳定,难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高,加工结构对称性好以及破损率低等特点,是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机,研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响,通过合理设计微杯形谐振结构,规划激光刻蚀加工的轨迹,采用优化后激光刻蚀参数,实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工,有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。     

单晶金刚石微杯形谐振子的激光刻蚀制造方法

基于激光刻蚀技术,提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质,单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料,但是金刚石硬度大且化学性能稳定,难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高,加工结构对称性好以及破损率低等特点,是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机,研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响,通过合理设计微杯形谐振结构,规划激光刻蚀加工的轨迹,采用优化后激光刻蚀参数,实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工,有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。     

单晶金刚石微杯形谐振子的激光刻蚀制造方法（英文）

基于激光刻蚀技术,提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质,单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料,但是金刚石硬度大且化学性能稳定,难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高,加工结构对称性好以及破损率低等特点,是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机,研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响,通过合理设计微杯形谐振结构,规划激光刻蚀加工的轨迹,采用优化后激光刻蚀参数,实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工,有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。     

高重频硬X射线自由电子激光脉冲到达时间诊断方法研究

X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测,是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术,为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号.随着XFEL向高重频、短脉冲发展,对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求.该技术通过泵浦探测和光学互相关实现,当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间,导致样品复折射率突变,使XFEL到达时间编码于突变空间.本文基于空间编码和光谱编码两种方法,研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置;并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟,研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度,完善了样品的分析选择模型;对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析,得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响.该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.     

PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法

对密度为90 mg/cm3的PMP泡沫材料的飞秒激光烧蚀结果进行了分析,推导出该材料在脉宽50 fs、波长800 nm、重复频率为1000 Hz的飞秒激光作用下的蚀除阈值为0.91 J/cm2（100个激光脉冲）,获得了烧蚀直径分别随激光功率、脉冲数及聚焦物镜数值孔径的变化规律。相同飞秒激光加工系统下,对比了铜箔上获得的烧蚀形状,确定了PMP泡沫材料本身的多孔洞及其分布不均匀是造成烧蚀区域的形状不规则的重要因素。PMP泡沫在较高能量或是较长时间的飞秒激光作用下,烧蚀区域发生碳化的原因是由热作用引发的。提出了一种基于激光束耦合的飞秒激光切割厚度大于1 mm的薄膜-泡沫材料的方法,并获得了切割厚度大于1.5 mm、切割侧壁与光束光轴夹角小于5、切割面整洁的薄片。     

飞秒激光辅助刻蚀制备蓝宝石光栅(特邀)

利用飞秒激光辅助刻蚀技术,在蓝宝石表面实现了周期、占空比及高度可调的光栅结构。解决了飞秒激光加工硬脆材料时表面质量较差、碎屑堆积导致的加工精度降低和难以制备深结构的问题。蓝宝石光栅结构的粗糙度从78 nm(激光直写后)降低到了7 nm(干法刻蚀后),实现了周期为800 nm光栅,以及深宽比为4的蓝宝石微结构的制备。飞秒激光辅助刻蚀技术能够制备蓝宝石表面高平滑光栅,并对光栅各级次衍射效率进行提升。     

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.     

飞秒激光全息加工光学系统搭建与分析

合理的光学系统设计及参数优化是飞秒激光全息并行加工系统功能实现的前提。在分析了飞秒激光全息并行加工系统光路设计要求的基础上,对其中的两个关键点进行了较为深入的研究。采用能量利用率高的斜入射方式照射选用的空间光调制器,得出了后续光路设计的关键参数;通过光学理论推导出空间光调制器与两个透镜组成的4-f系统中最佳光路参数,利用Zemax软件对光路中系统孔径仿真,验证了该方案的合理性;搭建了一套合理高效的飞秒激光全息并行加工系统,实现了7焦点阵列的微透镜和微齿轮并行加工。研究结果表明,该光路设计方案可以实现高效的飞秒激光全息加工过程。     

基于光场调控的飞秒激光直写光波导研究进展(特邀)

飞秒激光直写是一种无掩模、高效、灵活的三维加工技术,可以对材料实现微纳米级加工,已经成为应用最广泛的材料精密加工技术之一.基于光波导的微纳光子器件(如分束器、频率转换器和电光调制器等),不但可以保持块体材料本身的优异特性,还能极大提高器件的性能和集成度,具有块体材料器件所不具备的特点和优势.因此,对集成光波导和光波导器...     

短脉冲红外激光诱导等离子体微刻蚀单晶高温高压金刚石

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构,研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响.当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时,光热作用明显,诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用...     

高厚度薄膜-泡沫平面调制靶的飞秒激光微加工

 利用数值孔径为0.14的显微物镜聚焦中心波长800 nm、脉宽120 fs、重复频率1 kHz的飞秒激光,采用焦点逐线扫描等距下移方式,选取的入射平均功率为30 mW,加工速度为300 μm/s,对瑞利-泰勒(R-T)不稳定性实验靶用的厚度1.5 mm聚苯乙烯（PS）薄膜-聚4-甲基-1-戊烯（PMP）泡沫双层复合长条块体样品进行精确切割成型,并与纳秒激光切割情形对比。结果表明：利用飞秒激光微加工有效控制了切割区变形和材料分层,获得了整齐的切割边缘和平坦的切割面,样品最大切割深度超过800 μm。     

高厚度薄膜-泡沫平面调制靶的飞秒激光微加工

利用数值孔径为0.14的显微物镜聚焦中心波长800 nm、脉宽120 fs、重复频率1 kHz的飞秒激光,采用焦点逐线扫描等距下移方式,选取的入射平均功率为30 mW,加工速度为300 μm/s,对瑞利-泰勒(R-T)不稳定性实验靶用的厚度1.5 mm聚苯乙烯（PS）薄膜-聚4-甲基-1-戊烯（PMP）泡沫双层复合长条块体样品进行精确切割成型,并与纳秒激光切割情形对比。结果表明：利用飞秒激光微加工有效控制了切割区变形和材料分层,获得了整齐的切割边缘和平坦的切割面,样品最大切割深度超过800 μm。     

LD泵浦Nd∶YAG多波段激光器

为了获得高效率多波段激光输出,通过高重复频率驱动声光调Q技术和LD侧面泵浦技术,获得高功率高重频窄脉宽1.06 m激光输出。利用起偏器件获得垂直和水平两束1.06 m线偏振光,一束垂直线偏振光泵浦非线性晶体周期极化钽酸锂（PPLT）,实现1.46 m与3.9 m激光输出后与另一束1.06 m水平线偏振光合束,实现三波段共轴激光输出。在电源输入电流35 A、调Q驱动频率10 kHz的条件下,获得140 W的1.06 m激光。分束后泵浦PPLT获得最高功率为6.3 W的3.9 m和8.6 W的1.46 m激光,差频转化效率为21.3%。试验结果表明:通过高重频声光调Q技术和LD侧面泵浦技术,可以实现高重频窄脉宽1.06 m光输出,泵浦PPLT可获3.9 m和1.46 m激光输出。     

自由曲面补偿飞秒激光成丝系统像差的应用

针对飞秒激光远距离成丝系统所产生的像差,基于光学自由曲面较强的像差补偿能力,提出了在飞秒激光成丝系统中使用透射式自由曲面相位板补偿系统像差的方法。首先,在光学设计软件中对实际系统像差特性进行了仿真建模。然后,对透射式自由曲面相位板进行了优化设计,优化后系统的像差得到了有效补偿,飞秒激光光斑质量得到了改善。最后,对优化设计后的自由曲面相位板进行了公差分析,并利用加工后的透射式自由曲面相位板开展了实验研究。结果表明,飞秒激光聚焦系统引入光学自由曲面相位板后,聚焦光斑形状规则,在聚焦位置处光斑的均方根（RMS）半径小于0.5 mm,飞秒激光成丝系统的像差得到了有效补偿,远距离飞秒激光的成丝强度得到了有效提高。     

几种新型超硬薄膜的研究进展

超硬材料主要由Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族共价键化合物（碳化物,氮化物）和单质（金刚石）组成,硬度高于40GPa,有单晶,多晶,非晶等多种,除金刚石外,这些材料都是人工合成的,没有天然对应物,除超硬性质以外,这些材料大都具有宽带隙,高温稳定性,化学惰性等优良的物理化学性质,新型超硬薄膜材料研究从金刚石开始,目前主要的研究对象有金刚石,类金刚石碳（DLC）,立方氮化硼（cBN),氮化碳（C3N4,CNx),硼碳氮（BCN）等,是近二十年来材料研究的热门方向之一,文章结合作者近年来的工作,介绍这几种超硬薄膜的研究进展和展望。     

飞秒激光诱导材料内部三维光功能微结构新进展

飞秒激光是近年来获得迅速发展的一种超快激光．超短脉冲和超高电场强度是它的两个特征．飞秒激光已广泛用于物理化学反应的动力学过程分析和热效应可忽略的超精细加工．利用飞秒激光与材料的非线性相互作用，还可以实现透明材料内部有空间选择性的三维调控光功能微结构．文章重点介绍了在可擦重写三维超高密度光存储、立体彩色内雕、可集成超快光开关等方面的应用和国内外相关领域的最新进展，并展望了应用前景。     

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.     

飞秒激光金属着色颜色差分析

利用飞秒激光聚焦辐照金属表面可以诱导出亚波长周期结构,从而实现金属表面着色.改变照明光入射角和样品水平旋转角,金属表面结构色的色调和亮度均发生变化,这说明结构成色具有方向性.为探究飞秒激光在金属表面着色的均匀性,基于国际光学照明委员会关于颜色差的规定对成色的偏差作了分析,结果表明,样品加工面积越大,颜色的均匀性越差.在设定的实验参数下,当样品加工面积达到64 mm2时,其边缘与中心颜色的差异可以被人眼明显察觉.通过制作两个彩色图标来展示结构色的方向性和均匀性对飞秒激光彩色标记实际应用的影响.     

双束延时飞秒激光调控制备二维亚波长周期阵列结构

利用偏振垂直的双束延时蓝色飞秒激光（400 nm）经柱透镜聚焦扫描钼表面,获得了二维矩形周期排列的方形和（椭）圆形阵列结构,以及六边形周期排列的三角形阵列结构。最小结构尺寸和周期达到100 nm和280 nm。研究发现双束飞秒激光的能量密度和能量比是不同类型结构形成及形貌转化的关键参数。通过优化激光参数,实现了圆形和三角形阵列结构的大面积均匀制备。两种周期排布的阵列结构的形成与双束延时飞秒激光与材料作用的超快动力学过程之间的瞬态关联作用以及作用过程中表面等离激元波的共线和非共线激发密切相关。该二维周期阵列结构加工方法及理论可拓展至其它硬质金属和半导体硅表面。