高性能双轴振镜控制系统设计

针对高速高精度的激光微加工应用,提出一种基于并行处理架构的全数字控制双轴振镜驱动系统设计方案,在高频数字控制下实现了双轴振镜的高动态实时控制。通过建立振镜系统数学模型,以串级闭环控制为基础,采用模型跟踪控制策略提升了位置跟踪性能。实验结果表明所设计的双轴振镜控制系统能够有效提升动态响应速度、降低跟踪误差,满足期望工作性能指标.

聚焦激光在KDP晶体中的传输特性模拟

激光在KDP晶体中制作3维微结构是抑制高功率激光驱动器中横向受激喇曼散射效应的一种有效方法。为了了解激光制作微结构的可行性以及激光参量对制作精度、效率和成品率的影响,对聚焦激光在KDP晶体中的传输特性进行了数学模拟研究。激光焦点峰值功率密度、光斑畸变和位置偏移是影响制作精度和造成晶体碎裂的主要因素;e光焦点形貌会随着晶体光轴与入射激光的夹角增大而发生畸变,其峰值功率密度随着夹角的增大而迅速减小。结果表明,当夹角小于15°,e光焦点可使加工效率提升1倍以上;当夹角大于30°,低能量加工其影响可忽略,高能量加工则极易造成晶体碎裂,应对e光进行屏蔽。

基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。

激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究

为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角±15°、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-θ镜和入光口径8mm、光学杠杆比1∶8、后工作距800mm±40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-θ镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm×310mm×50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10μm,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。

皮秒激光抛光KDP晶体的工艺研究

为了改变KDP晶体精密加工难和效率低的状态,采用皮秒超快激光抛光KDP晶体的新方法,系统地研究了激光波长、单脉冲能量密度、激光束入射角、光斑搭接率、扫描方式以及激光焦深等因素对激光抛光KDP晶体质量的影响规律,并对激光与KDP晶体的相互作用机理进行了分析。结果表明,在皮秒激光波长λ=355nm、聚焦镜焦距f=56mm、激光束入射角α=84°、激光重复频率F=800k Hz、脉冲能量密度Q=2.4J/cm^2、光斑搭接率O=60%、45°多方向交叉扫描以及加工次数T=10次的优化参量条件下,KDP晶体表面粗糙度均方根值可达到76nm。这一结果使激光抛光技术的研究得到了进一步补充。

基于双振镜激光扫描的玻璃纤维复合板直壁孔制造

为改善玻璃纤维复合材料制孔的精度和质量,本文提出了一种双振镜激光扫描加工方法。双振镜激光扫描加工系统共包括4片可偏转反射镜,4片反射镜协同运动可以实现对扫描激光的四轴(x,y,α,β)控制,其中x和y为激光焦点在二维平面的位置,α和β为扫描激光的入射角度。基于双振镜激光扫描加工系统开展了玻璃纤维复合材料的制孔实验,通过调节激光入射角度和激光扫描策略,在厚度为3.6 mm的玻璃纤维复合材料板上加工了侧壁完全垂直的孔,孔直径可达10 mm,热影响区宽度小于10μm,侧壁表面粗糙度小于2μm,没有发现材料分层和纤维拔出等缺陷。

飞秒激光五轴扫描加工深盲孔

采用五轴激光扫描技术研究了FR4覆铜板的深盲孔制造技术。通过实验研究了激光参数和扫描图形的填充间距对盲孔侧壁锥度和底部材料去除均匀性的影响,通过调节激光扫描策略,实现了盲孔锥度和孔径的连续调节。盲孔深度为925μm,最大深径比可达4.9∶1,孔侧壁平直,孔底玻璃纤维复合材料被完全去除,铜层的损伤深度小于1μm。实验结果表明,五轴激光扫描技术可以有效提升激光的盲孔制造能力。

飞秒激光组装一维纳米材料及其应用

一维纳米材料具有众多优异的特性,是构建微纳米功能性器件的基石。实现一维纳米材料在二维和三维空间的高精度和高定向组装是充分发挥其应用潜力的关键,同时也是制造难点。在众多纳米材料组装技术中,飞秒激光直写诱导组装技术具有独特优势,可实现一维纳米材料在任意三维结构中的可设计、高定向及高精度的组装。首先简要介绍了一维纳米材料组装研究的背景,并总结了非激光直写组装技术的研究现状和存在的挑战,然后较详细介绍了飞秒激光直写技术在一维纳米材料组装研究中的进展,重点回顾了金属(包括Au和Ag纳米线)、半导体(包括CNTs和ZnO)一维纳米材料的飞秒激光直写组装及微纳光电子功能器件的制造。并讨论了诱导一维纳米材料定向排布的光学力和非光学力(包括剪切力、体积收缩应力和空间限制)的作用机理,理论计算和实验研究结果验证了飞秒激光诱导的非光学力作用是导致一维纳米材料定向排布的主要原因。最后探讨了目前飞秒激光组装技术面临的一些问题和未来在高精度纳米材料组装和三维功能器件集成方面的发展趋势。

飞秒激光诱导纳米材料的图案化生长研究进展及其应用

纳米材料具备小尺寸和大比表面积的特点,在能源器件、集成电路和生物医学等领域中具有众多独特的优势。目前,研究人员通过固相、液相或者气相沉积等方法实现了各类纳米材料的高质量制备,但这些方法主要聚焦于纳米材料的生长过程,通常需要后续多步工艺配合才能实现微纳器件的制备。因此,对纳米材料的直接图案化制备将有效提高器件的集成度,并将充分发挥纳米材料的尺寸优势。尽管已有部分方法能够实现原位免转移的纳米材料图案化制备,如紫外光刻、电子束光刻、溶液直接成型以及连续/长脉冲激光选择性诱导生长等,但仍难以满足纳米材料的图案定制化、精密化以及在热敏、柔性和曲面衬底上原位异质集成的需求。飞秒激光作为一种具有高峰值功率的“冷加工”手段,在实现纳米材料的原位图案化生长方面具有独特的优势。回顾了现有的纳米材料的原位图案化制备方法,总结了这些方法存在的问题,并重点介绍了飞秒激光诱导纳米材料的图案化生长方面的研究进展,包括金属、金属氧化物、金属硫化物以及碳基纳米材料的图案化生长及其应用。最后探讨了飞秒激光诱导纳米材料图案化生长需要解决的问题以及其在未来微纳功能器件制造中的应用前景和发展潜力。