飞秒激光在石英玻璃表面刻蚀微槽的研究

采用波长为1040 nm、脉宽为388 fs、重复频率为100 kHz的飞秒激光对石英玻璃表面进行大深宽比微型凹槽的刻蚀。首先,通过面积推算法,实验测量得到石英玻璃的损伤阈值为10.61 J/cm²。然后,采用单线刻蚀法,研究了激光单脉冲能量、扫描速度和扫描次数对微槽刻蚀深度和宽度的影响。最后,利用激光扫描振镜,使用螺旋环切法,有效地增大微槽深宽比。实验结果表明:激光单脉冲能量是影响微槽深宽比的主要因素,在激光单脉冲能量为110μJ、扫描速度为100 mm/s、扫描次数为30的条件下,能够获得质量良好、槽宽50μm且深宽比达5.4的石英玻璃微槽。     

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。     

熔融石英玻璃飞秒激光微纳加工研究

熔融石英玻璃因具有耐热性高、热膨胀系数低、绝缘性能好等优点,广泛应用于航空航天、微光学元件、军事等领域,并对其加工精度和表面质量提出了更高的要求。由于飞秒激光具有“冷加工”的特点,因此在熔融石英玻璃微纳加工方面展现出独特优势。采用波长为1030nm、重复频率为100kHz、脉宽为290fs的飞秒激光对熔融石英玻璃进行加工,确定了不同物镜下熔融石英玻璃的损伤阈值,研究了不同物镜下的激光功率、扫描速度、离焦量、扫描次数对加工线槽的影响,使用逐层叠加加工的方法在低功率下得到了高深宽比(4∶1)的线槽,并且提高加工线槽的宽度与深度的可控性,可以在较薄熔融石英玻璃(200μm)上进行微纳加工。     

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。     

Kevlar-29材料的飞秒激光制孔形貌及性能研究EI北大核心CSCD

为提升飞秒激光加工芳纶纤维复合材料制孔质量,优化制孔加工参数,进行了制孔试验。用共聚焦显微镜与超景深显微镜观察圆孔边沿形貌,并测量了热影响区大小。分析了激光功率、扫描速度和重复频率对圆孔的形貌、热影响区大小以及几何精度的影响,对比了激光制孔与机械制孔后材料的拉伸强度。研究发现,一定参数范围内,激光功率增加、重复频率降低或扫描速度减小使热影响区尺寸整体上逐渐变大。但激光功率不足导致的烧蚀不充分也会产生较大的热影响区与表面损伤。热影响区最优状态对应的激光参数为激光功率5 W,扫描速度1050 mm/s,重复频率200 kHz。对比传统机械加工,飞秒激光加工后材料的拉伸强度波动性更小。结果表明,芳纶纤维复合材料的飞秒激光制孔加工不是完全的“冷”加工,由于芳纶纤维导热性差,热量累积造成纤维及纤维周边基材的热损伤,仍会导致较小的热影响区产生。采用合适激光参数的飞秒激光对芳纶纤维复合材料进行制孔加工,能有效提升制孔质量,满足相关领域精度和强度的要求。     

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。     

飞秒激光在光敏玻璃内制作微孔

用20倍显微物镜将波长为775 nm的飞秒激光聚焦在光敏玻璃（FOTURAN）内部,通过纵向写制模式由表面以下500 μm曝光至表面,并结合热处理和在浓度8%的氢氟酸超声溶液中腐蚀50 min,在FOTURAN内部制作了直径为几十μm的微孔.利用光学和扫描电子显微镜分析发现微孔具有圆形横截面和清晰边缘,目前得到的深宽比大约为7.通过在宽范围内改变入射激光能流（2.3~36.2 J/cm2）和写制速度（100~1 000 μm/s）,研究了这两项飞秒激光入射参量对制作微孔的影响.发现写制速度对制作微孔直径影响较小,而利用相对低的入射激光能流曝光可得到较大深宽比的微孔,并且在此情形下制作微孔的横截面更圆,璧面光滑度更高,并分析了原因.     

飞秒激光用多层介质膜脉宽压缩光栅的设计

以薄膜光学的干涉理论和衍射光学的傅里叶模式理论为基础，给出了0.8μm飞秒激光器用多层介质膜脉宽压缩光栅的理论设计；设计采用H3L(HL)^9H0.5L2.4H的多层介质膜为基底，当刻蚀后表面浮雕结构的占宽比为0.35，线密度为1480线/mm，槽深为0.2μm，顶层HfO₂的剩余厚度为0.15μm时，对于Littrow角度(36.7°)和TE波模式入射的衍射光栅其-1级衍射效率达到95％以上. 关键词： 飞秒激光 脉宽压缩光栅 多层介质膜     

利用飞秒激光加工碳纤维(英文)

为验证光学加工碳纤维材料的可行性,利用飞秒激光和连续激光对碳纤维块体材料进行了加工。获得了利用飞秒和连续激光加工的表面形貌。与连续激光加工相比,利用脉宽40fs的激光加工效率较高,加工区边缘形貌较好,加工质量较高。通过不同激光功率下加工孔径尺寸的研究获得了飞秒激光加工阈值在1012W/cm2量级。研究结果证明了光学加工碳纤维体材料的可行性。     

飞秒激光辐射诱导金属表面微纳结构研究

通过1 kHz的飞秒脉冲(脉宽130 fs,中心波长800 nm)对厚度为60 μm的不锈钢65Mn表面进行飞秒微加工,通过拟合得到65Mn的消融阈值为0.5 J·cm-2。研究了飞秒激光作用下表面形成的多种微结构,其中包括纳米孔及纳米柱状物。同时讨论了激光能量和作用脉冲个数对微结构形成的影响。随着周期波纹结构的形成,发现在各种能量和脉冲个数条件下,周期结构的周期约为入射脉冲的波长。相同的激光功率下,在不同加工速度和加工次数下对不锈钢进行表面微加工,得到了规则的圆孔阵列结构。     

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...     

大面积高深宽比硅微通道板阵列制作

利用光辅助电化学刻蚀方法,在厚度为425μm的5英寸硅片上,制作成深宽比达50以上的微通道板阵列结构.理论分析了影响微孔阵列形貌形成的关键因素,并结合实验条件,通过调整刻蚀电压值和根据莱曼模型修正实验电流值得到理想的孔壁形貌.结果表明,相比于目前在硅基上制作高深宽微结构的几种技术,光辅助电化学刻蚀方法能够实现孔壁光滑、面积大和深宽比高的微通道板阵列结构的低成本制作.     

6H-SiC单晶的激光刻蚀及光谱分析

激光微加工是半导体精密加工的一个有效方法。对于碳化硅(SiC)单晶,使用紫外波段激光可以获得对入射能量最大的吸收效率。使用355 nm全固态激光器对6H-SiC单晶进行刻蚀。同时将样品置于不同的介质下以探究最优加工条件。使用拉曼光谱表征激光刻蚀后的SiC表面。刻蚀后表面主要由无定形硅及纳米晶石墨组成,对于空气下刻蚀的SiC晶片,无定形硅主要分布于刻蚀坑的周围,刻蚀坑内较少。而在液体下刻蚀的样品,无定形硅的空间分布相反。通过分析残留在表面的物质,在另一角度研究了激光刻蚀的反应机理。对于液体辅助的激光加工,以往的研究主要关注液层的厚度及粘度,对液体还原性的研究很少。为确定液体还原性的影响,使用共聚焦激光扫描显微镜及能量色散谱检测了不同液体辅助加工样品的表面形貌及氧含量。结果表明,液体还原性在激光刻蚀过程中有着较大的影响,使用有着还原性的液体作为介质可以有效减少表面氧化并获得更规则的表面形貌。     

多光束纳秒紫外激光制作硅表面微结构

使用波长351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器作为光源,经过位相光栅分束,形成干涉光场,在硅表面直接刻蚀微结构,制作了周期为0.55 μm,槽深可达55 nm的一维微光栅和周期为1.25 μm,刻蚀深度45 nm的正交微光栅结构.给出了微光栅形貌结构的扫描电子显微镜和原子力显微镜的测量结果.正交微光栅的一级衍射效率在1.8%～6.3%之间.该研究是改变硅表面微结构,优化硅材料特性的一种新方法,并扩展了大功率激光刻蚀在表面微加工领域的应用.     

激光刻蚀对镀金表面二次电子发射的有效抑制

使用红外激光刻蚀技术在镀金铝合金表面制备了多种形貌的微孔及交错沟槽阵列.表征了两类激光刻蚀微阵列结构的三维形貌和二维精细形貌,分析了样品表面非理想二级粗糙结构的形成机制.研究了微阵列结构二次电子发射特性对表面形貌的依赖规律.实验结果表明:激光刻蚀得到的微阵列结构能够有效抑制镀金表面二次电子产额(secondary electron yield,SEY),且抑制能力明显优于诸多其他表面处理技术;微阵列结构对SEY的抑制能力与其孔隙率及深宽比呈现正相关,且孔隙率对SEY的影响更为显著.使用蒙特卡罗模拟方法并结合二次电子发射唯象模型和电子轨迹追踪算法,仿真了各微结构表面二次电子发射特性,模拟结果从理论上验证了微阵列结构孔隙率及深宽比对表面SEY的影响规律.本文获得了能够剧烈降低镀金表面SEY的微阵列结构,理论分析了SEY对微结构特征参数的依赖规律,对开发空间微波系统中低SEY表面及提高镀金微波器件性能有重要意义.     

6H-SiC单晶的激光刻蚀及光谱分析（英文）

激光微加工是半导体精密加工的一个有效方法。对于碳化硅(SiC)单晶,使用紫外波段激光可以获得对入射能量最大的吸收效率。使用355nm全固态激光器对6H-SiC单晶进行刻蚀。同时将样品置于不同的介质下以探究最优加工条件。使用拉曼光谱表征激光刻蚀后的SiC表面。刻蚀后表面主要由无定形硅及纳米晶石墨组成,对于空气下刻蚀的SiC晶片,无定形硅主要分布于刻蚀坑的周围,刻蚀坑内较少。而在液体下刻蚀的样品,无定形硅的空间分布相反。通过分析残留在表面的物质,在另一角度研究了激光刻蚀的反应机理。对于液体辅助的激光加工,以往的研究主要关注液层的厚度及粘度,对液体还原性的研究很少。为确定液体还原性的影响,使用共聚焦激光扫描显微镜及能量色散谱检测了不同液体辅助加工样品的表面形貌及氧含量。结果表明,液体还原性在激光刻蚀过程中有着较大的影响,使用有着还原性的液体作为介质可以有效减少表面氧化并获得更规则的表面形貌。     

基于飞秒激光的光纤切割加工工艺研究

为了得到理想的光纤切割断面,利用飞秒激光对石英光纤材料进行切割微加工实验。研究激光功率、脉冲频率、扫描速度等加工参数与光纤切割断面质量间的关系,以寻求最理想的加工参数。最后在可调倾角光纤夹具的辅助下,很好地弥补加工过程中产生的端面倾斜角,得到垂直度高达89.56°的光纤切割断面。     

多光束纳秒紫外激光制作硅表面微结构

使用波长351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器（DPSSL）作为光源,经过位相光栅分束,形成干涉光场,在硅表面直接刻蚀微结构,制作了周期为0.55 µm,槽深可达55 nm的一维微光栅和周期为1.25 µm,刻蚀深度45nm的正交微光栅结构。给出了微光栅形貌结构的扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)的测量结果。正交微光栅的一级衍射效率在1.8%到6.3%之间。该研究是改变硅表面微结构,优化硅材料特性的一种新方法,并扩展了大功率激光刻蚀在表面微加工领域的应用。     

非晶硅薄膜太阳能电池的紫外激光刻蚀工艺

为提高电池的光电转换效率,通过改善激光刻蚀工艺,采用355 nm紫外纳秒激光分别进行了ZnO:Al薄膜（AZO）刻蚀（P1）、非晶硅薄膜（-Si）刻蚀（P2）和背电极刻蚀（P3）研究。采用万用表测量P1隔离电阻,采用电子扫描显微镜（SEM）和三维激光扫描仪测量刻槽的微结构和三维成像,激光拉曼散射光谱检测非晶硅薄膜刻蚀边缘的晶化。实验结果表明,当刻蚀速度600 mm/s,重复频率40 kHz,功率1.74 W的紫外激光刻蚀ZnO:Al薄膜时,刻槽的隔离效果最佳,达20 M; 紫外激光刻蚀能够有效地减小激光热效应引起的热影响和刻槽边缘的晶化范围,提高非晶硅薄膜电池的性能。     

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