AlSi10Mg铝合金选区激光熔化热行为的数值研究

利用ANSYS有限元分析软件建立了选区激光熔化(SLM)的单层多道的三维温度场有限元模型,针对AlSi10Mg铝合金材料进行模拟,研究了扫描速度对AlSi10Mg铝合金选区激光熔化热行为的影响。结果表明:随扫描时间的增加,由于前一扫描道对后一扫描道的热积累效应,后一扫描道上监测点的熔池温度越来越高,尺寸越来越大。随扫描速度的增加,同一监测点的熔池最高温度、尺寸和液相存在时间都逐渐减小,熔池沿扫描方向和垂直扫描方向的温度梯度略微增大。试验结果与数值模拟结果吻合良好。

双光子光聚合与功能微纳结构制备

随着纳米光电子学及生物医学组织工程领域的发展,器件的小型化、结构多样化及高度集成化,给微纳结构与器件制造领域带来了新的挑战。本文围绕飞秒激光双光子聚合技术,简要综述了双光子光聚合基本原理与双光子引发剂分子的研究进展,并对飞秒激光双光子聚合技术在功能微纳结构与器件制备中的应用及发展前景进行了展望。

秒激光双光子微纳加工技术及其在光子学微器件制备中的应用

飞秒激光可以与包括玻璃、陶瓷、半导体、金属、塑料、树脂等各类物质产生相互作用,其相互作用原理不同,加工方法也不同。利用非线性光学效应——双光子吸收的飞秒微纳加工技术是最独特也是最具有应用前景的微纳加工技术。利用显微物镜将飞秒激光聚焦到加工介质时激光光强在焦点处呈三维空间分布,双光子吸收过程仅产生在具有足够激光强度的微小区域,通过控制激光光强可以调节双光子吸收的产生范围,在适当的激光强度时,可以突破光学衍射极限的限制,将双光子吸收过程控制到远小于激光波长甚至纳米尺度范围,从而达到进行纳米加工的目的。飞秒激光双光子微纳加工技术具有真三维、一次成型及高加工分辨率的特点,是三维微纳结构制备的理想工具之一。通过"理论计算-计算机辅助图形设计-微纳激光制造"这样一个简单的流程可以实现制备可设计的复杂三维微细结构,因此在光子学微器件、微机电系统等领域具有巨大的应用前景。最近几年双光子微细加工技术也已成功地应用到功能性光子学器件中。在制备基于光子晶体带隙原理的三维光子元器件及其立体集成方面,飞秒激光双光子方法具有无可比拟的优势。我们研究小组利用碳硅烷树状大分子修饰的激光染料与光聚合制备的光固化树脂,采用双光子聚合微加工技术制备了包含聚合物纳米线的微尺度谐振腔结构,并观察到荧光发射增强效应。上述结果为设计制备无反射镜、超低阈值或无阈值高分子激光微谐振腔展示了可能性。将在对双光子微加工技术基础与现状进行介绍的同时,结合我们近年来在双光子微加工技术及功能性光子学微器件研究领域所进行的研究工作,对上述领域的发展趋势进行评述。相关研究结果及最新进展将在会议进行详细介绍。

双光子三维微结构快速制备技术

建立了一种利用双光子聚合技术快速制备三维微结构的方法,并对加工分辨率进行了研究。通过对高速扫描原理的研究,提出了采用二维振镜与一维压电微移动台相结合,利用跳跃和扫描协同的运动模式,以段段扫描方式进行三维微结构加工的系统来提高其加工速度。实验制备千里马和具有木堆结构的三维光子晶体结构说明,采用上述扫描方式可使其加工速度较点点扫描方式提高10倍至1000倍。实验结果表明,使用一定的激光功率时,其加工分辨率随曝光时间减小而显著提高,实验得到了50 nm的线宽分辨率,超过文献报道的100 nm的最高值。研究还表明,上述加工方法可实现激光三维微结构的快速制备并具有高分辨率加工的特点。

周期渐变型准金刚石结构光子晶体的双光子聚合纳米加工技术

利用双光子聚合加工技术在低折射率材料中制备了具有宽带隙的光子晶体结构,通过递推方式获得晶格常数的最佳变化条件。通过透射及反射谱测量及时域有限差分方法证实了周期渐变的准金刚石结构的带隙展宽现象,该结果表明三维光子晶体带隙展宽可由不同晶格常数的结构叠加形成。

直接驱动快点火Au-CD锥壳靶的研制

介绍了近年在直接驱动快点火锥壳靶研制方面取得的进展。采用带止口金锥的设计提高金锥与微球的装配精度,讨论了芯轴电镀工艺中尖端效应的影响。采用飞秒激光加工实现聚合物微球打孔,讨论了激光扫描方式对打孔质量的影响。

飞秒激光双光子加工的极限分辨力

采用3维压电微移动台高速扫描方式控制曝光时间与高精密转台精确控制圆形渐变衰减片以控制曝光功率两种方法,曝光时间和曝光功率可分别精确控制至0.02 ms和7 pW。通过精确控制聚合阈值附近处的曝光时间和曝光功率,分别在玻璃基板上获得了35 nm和45 nm的聚合物纳米线条,分别为所使用激光波长的1/22和1/17。实验结果表明,当曝光时间或曝光功率在加工阈值附近时,曝光时间和功率的微量减少会使聚合线宽急剧下降。

数字掩模投影光刻的极限分辨率研究

研究了一种基于数字微镜器件(DMD)的数字掩模投影光刻(DMPL)技术,以400 nm飞秒激光作为光源,结合高缩放比投影系统,来缩小光刻胶与光子束的反应区域,通过调控不同DMD像素投影光场强度分布,将投影光刻的线宽分辨率推进至亚微米尺度,实现了具有跨尺度加工能力(单次曝光面积在百微米以上,曝光精度在百纳米)的DMPL技术,同时详细对比分析了DMPL中存在的几何和物理光学模型,阐明了像素个数与加工结构尺寸的关系,并进一步基于物理光学模型分析了DMPL中极限分辨率的关键科学问题。

正交试验优选TC4钛合金粉体放电等离子烧结工艺

通过正交试验方法研究了放电等离子烧结制备TC4钛合金烧结体工艺中温度、压力和保温时间对其相对密度、硬度和显微组织的影响规律,根据烧结体相对密度和硬度优化了烧结工艺参数。结果表明:温度是影响烧结体性能和显微组织的关键因素,压力和保温时间对其影响较小;随着烧结温度升高,烧结体的相对密度逐渐增大,硬度先增大后减小,晶粒逐渐由等轴状向片层状演变,晶粒尺寸变大;随着压力增大,烧结体的相对密度增大,硬度先增大后减小;随着保温时间延长,烧结体的相对密度和硬度均呈递增的趋势;最优的烧结条件为烧结温度850℃、烧结压力40 MPa、保温时间8min,此时烧结体的相对密度和硬度均较高,分别为99.09%和42.3HRC。

径向偏振光对微纳尺度聚合物结构纵向分辨率的改善

研究了径向偏振型飞秒脉冲激光并将其引入基于双光子吸收理论的微纳加工系统,得到了更高纵向分辨率、更低长径比的二维微纳尺度聚合物结构。对聚焦光场内光强分布的理论模拟表明:径向偏振型飞秒脉冲激光在提高纵向分辨率的同时会在一定程度上降低聚合物结构的横向分辨率,使聚合物结构的长径比降低。用扫描电子显微镜表征聚合物结构得到的结果与理论模拟结果具有良好的一致性。径向偏振型飞秒脉冲激光提高了微纳尺度聚合物结构的纵向分辨率,在激光光刻领域有良好的应用前景。

双光子微纳加工技术结合化学镀工艺制备三维金属微弹簧结构

利用飞秒激光双光子微纳加工技术与化学镀工艺制备了三维金属微弹簧结构。采用扫描电子显微镜(SEM)及选区电子能谱(EDS)对镀层进行了表征,当化学镀时间为15min时,所得到的镀层厚度约为130nm。对不同电镀时间下获得的镀层电阻率进行了测定,实验结果表明,当电镀时间为35min时得到的镀层电阻率约为80×10-9Ω·m,仅为银块体材料电阻率16×10-9Ω·m的5倍。利用这种方法,我们制备了总长度为28.75μm、周期为2.93μm的悬空金属弹簧结构,其中弹簧圈数为9圈,直径为6μm,弹簧线分辨率为1.17μm。文中所述的将双光子微纳加工技术与化学镀技术相结合的方法可以实现任意三维微金属结构与器件的制备,在微光学器件、微机电系统(MEMS)及微传感器等领域有着广泛的应用前景。

可见光波段飞秒激光双光子微纳加工

基于矢量衍射理论,计算了多个可见光波段激光经紧聚焦后在焦点附近的双光子点扩散函数。计算结果表明,双光子吸收效应的作用区域随着波长的减小而减小。采用多个可见光波段飞秒激光光源进行了双光子光聚合加工,并对加工分辨率和加工阈值进行了分析.实验结果表明,在每个激光波长条件下,降低光子流密度能够提高加工分辨率;随着加工波长的减小,双光子跃迁过程逐渐满足近共振跃迁条件,双光子吸收几率逐渐增大,双光子加工的阈值逐渐降低。

SU-8胶双光子微加工分辨率与工艺条件研究

为了提高SU-8光刻胶的微加工分辨率,利用飞秒激光双光子聚合技术研究了SU-8光刻胶微加工时的加工工艺条件与分辨率之间的关系。实验在本研究组自主研制的纳米光子学超细微加工系统上进行,以钛蓝宝石飞秒激光器发出的780nm波长激光作为加工光源,考察了不同激光功率与曝光时间等激光加工条件和后烤与无后烤等工艺条件对SU-8聚合点形貌与尺寸的影响。在后烤工艺条件下获得的最小加工点直径为0.22μm,而无后烤过程的加工结果中这一数值为0.47μm。实验结果表明,降低激光功率和缩短曝光时间可以获得尺寸较小的聚合点,后烤工艺有利于降低加工能量并提高加工分辨率,实验结果与基于双光子聚合加工理论的模拟分析具有良好的一致性。

水热法生长方式对ZnO纳米棒阵列结构和性能的影响

本文系统地比较了三种方式制备的ZnO纳米棒阵列的结构和性能的异同。根据水热法生长液中碱来源的不同,ZnO纳米棒阵列的生长方式分为三种:N方式(氨水)、H方式(六次甲基四胺)和NH方式(两次N方式和一次H方式)。通过扫描电子显微镜,对这三种方式生长的ZnO纳米棒阵列形貌进行了表征。此外,利用X射线衍射仪、透射电子显微镜和激光拉曼光谱对ZnO的结晶性能进行比较。结果表明,ZnO纳米棒阵列的取向性N≈NH>H,ZnO的晶体质量H>NH>N。NH方式综合N方式和H方式的优势,得到了取向性和晶体质量优良的ZnO纳米棒阵列。这将为在进一步应用中有效地选择ZnO纳米棒阵列的制备方式提供重要信息。

新型有机盐光引发剂的双光子聚合特性研究

本文运用激光微细加工技术,通过对不同浓度引发剂的甲基丙烯酸类树脂的聚合行为进行评价,研究了1-甲基-2-[2-(9-戊基-咔唑-3-基)-乙烯基]-3,3-二甲基吲哚碘盐(I)作为双光子光引发剂的聚合特性,结果表明该化合物在扫描速度为44μm/s时,双光子聚合阈值为139kJ/cm2;当激光能量密度为286kJ/cm2时,引发聚合的曝光时间阈值为0.7ms.实验结果为进一步作为双光子聚合三维结构的微细加工提供了可靠依据.

多光子纳米加工中激光扫描条件对金属微纳结构的影响

研究了飞秒激光多光子还原制备银微纳结构技术中激光扫描条件对金属微纳结构与形貌的影响。结果表明:增加激光扫描点间距d可获得较小线宽,延长曝光时间t使线条变宽,增加扫描次数N可使金属微纳结构表面银纳米粒子熔融凝固成较大尺寸颗粒及块状物。

新型双光子引发剂9-苄基-3,6-二[2-(吡啶-4-基)-乙烯基]咔唑的合成及其聚合特性

以咔唑和苄氯为原料,在温和条件下与N-溴代丁二酰亚胺反应得到了中间体3,6-二溴-9-苄基咔唑。从此中间体出发,经Heck反应合成了具有C2v对称性的9-苄基-3,6-二[2-(吡啶-4-基)-乙烯基]咔唑(BPyVC)。采用核磁共振、红外、质谱等手段确定了新化合物的结构,并对化合物的光物理特性进行了评价。双光子聚合实验的结果表明,BPyVC在扫描速度为22mm/s时的双光子聚合的最低能量密度低于92.7kJ/cm2,在固定光强为12.7mW时,引发双光子聚合的最少曝光时间低于1.15ms。

变换光学的物理原理和前沿进展

变换光学基于麦克斯韦方程的形式不变性,可以任意地控制电磁场达到需要的空间分布,是最近光学及电子工程领域的热门研究方向。从历史发展的角度回顾了变换光学概念的产生历程,简要介绍变换光学的基本物理原理,并结合光学隐身、光学幻觉和波导工程等现代光学工程试验总结了在当前科学和工程领域中的代表性应用。介绍近期变换光学新概念框架的进展以及在声学、热学、量子波领域中应用的拓展,讨论变换光学未来理论和工程方面的发展方向。

具有C_(2v)对称性二苯并噻吩衍生物的合成及光学特性

以二苯并噻吩为原料合成了中间体2，8-二溴二苯并噻吩和2，8-二甲酰基二苯并噻吩，并从这两种化合物出发，分别利用Heck反应和Wittig反应合成了具有C2v对称性的一系列二苯并噻吩衍生物。用核磁共振、红外、质谱等光谱手段表征了新化合物的结构，对这些化合物的光物理特性进行了评价。结果表明：2，8-二[2-（吡啶-4-基）乙烯基]二苯并噻吩（I）的紫外吸收峰随着溶剂极性的增加而出现蓝移现象，而其他化合物的紫外吸收峰随溶剂极性增加往长波方向移动；化合物I具有较低的荧光量子效率；用750-920 nm的飞秒激光激发时化合物I的溶液表现出明显的双光子吸收特性。

多光子光刻用的杯[4]芳烃分子玻璃正性光刻胶

分子玻璃材料和多光子光刻技术分别是近年来光刻胶和光刻技术领域的研究热点.本文对分子玻璃正性光刻胶在多光子光刻中的应用进行了探索,设计合成了叔丁氧基羰基保护的杯[4]芳烃衍生物分子玻璃材料,将其作为主体材料与光生酸剂三氟甲磺酸三苯锍鎓盐进行复配,制备了分子玻璃正性光刻胶,探讨并优化了光刻胶的成分配比及其在紫外光曝光下的显影工艺.利用780nm波长飞秒激光对所制备的分子玻璃正性光刻胶进行了多光子光刻特性的评价,实验得到了最低线宽180nm的线条和复杂的二维微结构图形,结果表明杯[4]芳烃衍生物分子玻璃正性光刻胶有望应用于多光子光刻技术.