微型光热驱动机构的光热膨胀理论模型与实验研究

提出和发展了一种基于微尺度光热膨胀效应的微型光热驱动机构.建立了膨胀臂的微尺度光热传导与膨胀的物理模型,利用有限元分析和数学物理方法,推导出膨胀臂的一维温度分布表达式及光热膨胀量和偏转量的计算公式.利用准分子激光微加工系统设计制作了一个长度为1200?μm 的微型光热驱动样机,根据激光和样机的相关参数,计算得到光热膨胀量与激光功率之间的理论关系曲线.实验结果表明,微型光热驱动机构的光热偏转量（对应于膨胀量）与照射到膨胀臂上的激光功率近似成线性关系,实验曲线与理论模型及计算结果符合良好.在理论和实验研究基础上,作为光热微驱动的应用实例,设计并加工制作了一个双向微开关型光热驱动机构,并通过实验实现了双向微开关功能. 关键词： 光热膨胀臂 微驱动机构 光热传导模型 激光     

光热膨胀材料的光谱特性分析及微型光热驱动机构研究

光热膨胀材料的光谱特性是影响微型光热驱动机构性能的关键因素,该文在理论分析的基础上,采用单积分球测量法对四种聚合物材料的反射光谱及吸收特性进行了实验测量,据此选择制作光热驱动机构的最佳光热膨胀材料,发现掺杂染料的高密度聚乙烯(HDPE)材料在600～690 nm的范围内有较强烈的吸收.选取HDPE作为光热膨胀材料,设计制作了一种长度1 500 μm的微型光热驱动机构,并采用自行研制的CCD显微监控和视频运动测量系统进行了驱动机构的驱动性能测量实验.研究结果表明,在10 mW/650 nm的半导体激光器驱动下,该微型光热驱动机构可以产生18.7 μm的光热偏转量,说明其具有良好的光谱吸收和光热转换特性,可望在微光机电系统(MOEMS)中获得广泛应用.     

硫化锌表面微结构抗反射特性的理论模拟及制备EI北大核心CSCD

针对硫化锌表面微纳米结构在中远红外波段7~10μm的增透性能开展理论及实验研究。基于时域有限差分软件建立物理模型,理论研究微结构参数变化对减反性能产生的影响,依据红外光谱值分布图宏观展示微结构参数与透过率的关系。利用飞秒激光在空气环境中制备不同规格的微纳米结构阵列,通过实验实现了设计的结构。分别测试样品在中远红外波段7~10μm范围内透过率,其中8μm的网格结构在8.5~10μm波段的平均透过率可提高4%,在10μm波长处透过率提升7%。实验结果表明所制备的结构具有良好的抗反射性能。对比结果显示实验所示透过率变化趋势与仿真结果具有一致性。     

光热偏转成像实验

概述了光热偏转成像原理,搭建了热波成像光热偏转自动化检测系统,并实现了数据采集和数据处理的自动化.利用该实验系统绘制了直线划痕SrBT样品和三角划痕硅片样品的表面光热偏转图,成像结果清晰直观.     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40μm2、球面半径60μm、单元间距1μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90%以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

新型低电压大变形微驱动器数值求解及仿真

针对横向加载单向变形MEMS静电微驱动器位移过小或驱动电压过大问题,提出一种基于纵横弯曲变形原理的硅基大位移低驱动电压静电驱动器模型;基于拉格朗日-麦克斯韦机电动分析力学,建立轴向横向同时加载的微驱动器动力方程;分析温度应力、静电调节力和轴向挤压力对轴向载荷的影响;基于龙格-库塔算法和有限差分法分别将横向分布载荷和轴向载荷等效转化为横向集中载荷;仿真得到变形同驱动电压、调节电压、轴向挤压量和温差的关系;结果显示当驱动电压仅为16 V时,位移高达10.861μm,远大于传统横向加载单向变形微驱动器的位移量.实验验证了仿真结果.     

静电排斥型微机电系统变形镜驱动器

为了克服常规静电微机械驱动器所存在的静电吸合现象,基于非均匀分布的静电场可以产生排斥力的原理,设计了一种新型的微机电系统变形镜驱动器。驱动器由5组电极构成,最大的一组由中心质量块和位于正下方的下电极组成,其它4组分别位于各条边上。中心质量块由4根L形弹簧支撑,每根弹簧分别固定于驱动器的4个锚点。利用有限元软件对驱动器的频率响应和暂态响应特性进行了仿真,结果表明,谐振频率高达4kHz,暂态响应时间小于0.05s。利用表面硅工艺加工出了驱动器,并利用白光扫描干涉仪对驱动器的静态位移电压特性进行了测试,测得驱动器在70V激励电压下的形变量为1.4μm。     

准分子激光辐照HgCdTe半导体材料的损伤机理研究

利用光学显微镜和扫描电子显微镜对248 nm准分子脉冲强激光辐照的HgCdTe晶片表面进行了观察,观察到一些与红外波段内激光辐照HgCdTe晶片时大不相同的实验现象.研究表明,红外波段内1 064nm激光辐照HgCdTe半导体材料的损伤机制主要为光热作用,而紫外波段248 nm准分子激光对HgCdTe材料的损伤机制既包含光化学作用也包含光热作用.分析了准分子激光对晶体的机械破坏现象,同时对HgCdTe材料在激光辐照区的条纹产生机理进行了探讨,发现激光驱动声波理论模型比光学模型和热导波模型能更好地解释HgCdTe晶体表面的条纹现象.     

用共线光热偏转技术测量光学薄膜的微弱吸收

用具有高灵敏的共线光热偏转技术研究SiO_2、ZrO_2、MgF_2、ZnS等单层光学薄膜的吸收特性,测得它们的吸收率.实验结果与激光量热法及横向光热偏转技术符合良好,表明共线光热偏转技术是测量光学薄膜弱吸收的较理想方法.     

203W全光纤全保偏结构皮秒掺铥光纤激光器

利用光纤布拉格光栅作为光谱滤波器来控制锁模掺铥光纤激光器的光谱形状和脉冲宽度,以及结合纤芯抽运高掺杂双包层掺铥光纤技术,实现了2μm波段重复频率为611.5 MHz的皮秒脉冲激光输出.利用该高重复频率皮秒激光作为种子源,结合主振荡功率放大技术,研制出了百瓦量级全光纤全保偏结构皮秒脉冲掺铥光纤激光放大系统,得到了平均功率为203 W的线偏振皮秒脉冲激光输出,偏振消光比15 d B,激光脉冲宽度为15 ps,相应的激光峰值功率为22 k W.该结果为目前国际上2μm波段全光纤结构超短脉冲激光器所产生的最高平均输出功率,为下一步2—5μm波段高功率中红外激光的产生提供了可靠的抽运源.     

Theoretical modelling and experimental study of novel photothermal microactuators

We present a category of novel photothermal （PT） microactuators. Each microactuator consists of two PT arms that are jointed at the free end and connected to an anchor at the fixed end. When a laser beam irradiates one of the arms （called hot arm, and the other is cold arm）, light energy is absorbed and converted into heat. The asymmetric thermal expansion of the hot and cold arms results in lateral deflection. Based on conduction heat transfer theory and heat dissipation mechanism, we study the PT effects and establish the theoretical model of PT expansion for the microactuators. The temperature distribution and the linear thermal expansion can be numerically calculated. The analytical solution provides an insight into the operation of the actuators and predicts the performance of the actuators with new designs. A symmetry microactuator and a microswitch as the prototypes have been fabricated and tested. The experimental results are in good agreement with the theoretical predictions and prove the feasibility of the novel PT microactuators.     

Magnetically actuated bi-directional microactuators with permalloy and Fe/Pt hard magnet

Bi-directional polyimide (PI) electromagnetic microactuator with different geometries are designed, fabricated and tested. Fabrication of the electromagnetic microactuator consists of 10 μm thick Ni/Fe (80/20) permalloy deposition on the PI diaphragm by electroplating, high aspect ratio electroplating of copper planar coil with 10 μm in thickness, bulk micromachining, and excimer laser selective ablation. They were fabricated by a novel concept avoiding the etching selectivity and residual stress problems during wafer etching. A mathematical model is created by ANSYS software to analyze the microactuator. The external magnetic field intensity (H_ext) generated by the planar coil is simulated by ANSYS software. ANSYS software is used to predict the deflection angle of the microactuator. Besides, to provide bi-directional and large deflection angle of microactuator, hard magnet Fe/Pt is deposited at a low temperature of 300 °C by sputtering onto the PI diaphragm to produce a perpendicular magnetic anisotropic field. This magnetic field can enhance the interaction with H_ext to induce attractive and repulsive bi-directional force to provide large displacement. The results of magnetic microactuator with and without hard magnets are compared and discussed. The preliminary result reveals that the electromagnetic microactuator with hard magnet shows a greater deflection angle than that without one.     

Local infrared microspectroscopy with subwavelength spatial resolution with an atomic force microscope tip used as a photothermal sensor

We describe a new method of infrared microspectroscopy. It is intended for performing chemical mapping of various objects with subwavelength lateral resolution by using the infrared vibrational signature characterizing different molecular species. We use the photothermal expansion effect, detected by an atomic force microscope tip, probing the local transient deformation induced by an infrared pulsed laser tuned at a sample absorbing wavelength. We show that this new tool opens the way for measuring and identifying spectroscopic contrasts not accessible by far-field or near-field optical methods and with a subwavelength lateral resolution.     

不同金属材料在不同热源加热下的热传导研究

本文分别采用酒精灯火焰和CO_2激光器发射的波长为10.6μm的红外线对铜、铝、铁正入射加热,用DIS信息化系统测量各种情况下的温升情况。通过实验发现采用CO_2激光器发射的波长为10.6μm的红外线正入射加热时铝、铁出现反常温升现象,从理论上进行分析得到了正确的解释。     

金纳米星诊疗剂的光热特性及其在光热治疗和光学相干层析成像中的应用研究

为了开发一种优异的用于光热治疗和光学相干层析成像的金纳米星诊疗剂,对金纳米星的制备、光热特性以及光热治疗和光学相干层析成像中的应用进行研究.利用尖端结构增强金纳米材料的局域表面等离子体共振特性,通过种子介导法制备了多枝化的金纳米星,多尖端的结构使其具有明显的光热效果,并探究了其作为光热治疗的诊疗剂和光学相干层析成像造影...     

Generation of elastic waves in a laminated solid by a moving photothermal source

The steady state response of an elastic layered plate (laminate) which is subjected to a moving laser source illumination is studied. The response of the laminate is obtained using the transfer matrix approach. The application of the photo-thermal source (laser) to the upper surface of the laminate is formulated as equivalent stresses applied at the illuminated boundary. The equivalent stresses are derived with the use of the causality principle. It is shown that the generated displacement field is sensitive to the variations of the laminate inner structure and also to the variations of the elastic properties of a bonded elastic half-space.     

金属材料次表面缺陷成像检测系统及其应用

介绍了一种基于光热光偏转检测技术的原理,可以检测金属材料次表面缺陷空间分布的激光热波探测系统.该系统具有结构紧凑,调试简便,运行稳定,测试结果可靠的特点,它用半导体激光作泵浦光源和探测光源,采用电源调制的方式对泵浦光束进行调制,有频率稳定、噪音小的优点,同时系统可以用低压直流电源供电,为仪器化和便携化研究创造了条件.利用该系统对金属铝片次表面不同深度的凹槽作了检测,得到了与实际样品一致的检测结果.     

低阈值单横模852nm半导体激光器

基于波导理论、等效折射率方法,设计并制备了非对称波导隔离双沟结构脊型边发射激光器,最终获得了低闽值单基侧模852 nm激光器.详细研究了不同脊型台深宽比参数设计对激光器侧向模式特性的影响规律,实现了腔面未镀膜情况下脊型波导边发射激光器的单基侧模稳定输出,同时激射波长可以精确调谐到852 nm;工作电流达到150 mA,工作温度30℃;斜率效率最高可达0.89 nW/mA,光谱半宽小于1 nm.研究结果为进一步实现超窄线宽激光器提供了参考和借鉴,并且为实现激光器稳定输出提供了实验基础.