高频率皮秒激光微加工石英衬底铝膜效率

采用重复频率100 k Hz下,输出功率为3.7 W的532 nm Nd:YAG皮秒激光器对石英衬底微米量级的铝膜进行了烧蚀,研究了脉宽为10 ps的激光单脉冲能量密度对烧蚀效率、光斑耦合率对烧蚀图形以及重复加工次数对加工精度的影响。单脉冲激光烧蚀实验证实,皮秒激光烧蚀铝膜可分为高能量密度烧蚀与低能量密度烧蚀两个区域。光斑耦合率对烧蚀深度影响较大,不易从理论角度控制烧蚀效率。为提高加工精度与验证求解烧蚀率的准确性,提出重复多次加工的方法。对比了高斯线性法与高斯线性修正法的求解烧蚀率的结果,证明了高斯线性修正法在扫描激光精细加工方面的优越性。利用高斯线性修正法求得的烧蚀效率,模拟了激光在不同光斑耦合率下烧蚀微槽的三维轮廓图。

短脉冲激光刻蚀加工铜材料的机制

利用数值模拟方法，研究波长1064nm、脉冲宽度介于1～20ps的激光在刻蚀铜靶时，单次脉冲作用下非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制的竞争过程。结果表明：随着脉冲宽度的增加，刻蚀过程由非平衡电荷分离场刻蚀占主导地位转变为热平衡刻蚀起主要作用，且脉冲宽度和激光峰值功率密度增大到一定程度后，各种电子加速机制在不同时刻开始突显，电子能量分布出现多峰结构。在能量密度为15J／cm^2的激光作用下，1和5ps脉宽对应的非平衡场刻蚀深度分别为110和101nm，10和20ps脉宽分别为25和18nm。

柔性CIGS薄膜太阳电池的激光划线研究

单片集成是Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池组件的一种形式,可以降低电流和电阻损失,制备的关键步骤是通过划线实现子电池间的隔离和互联。超短脉冲激光划线能降低死区宽度,提高划线质量。为实现一种新型结构CIGS薄膜太阳电池组件的单片集成,采用1 064 nm波长皮秒激光对PI衬底CIGS薄膜太阳电池划线。通过对不同工艺条件划线沟道深度、结构及成分的研究发现,可以实现选择性移除CIGS薄膜太阳电池材料层,露出PI衬底或钼背电极层,划线沟道底部平整、干净,划线两侧整齐,宽度在100μm左右。

透明材料的激光标刻工艺

红外器件的封装中常需用一些透明材料制成零部件,适合采用脉冲激光对其进行切割和标刻加工,但需要对加工参数进行精细优化。文中以在用于红外焦平面封装的红外级康宁玻璃基片上进行激光标刻为例,对透明样品进行激光标刻所涉及的一些基本参数,包括烧蚀阈值、激光加工头的光束特性参数以及扫描偏角引起的几何误差等,进行了实际测量和分析,在此基础上得出了合适的打标策略和激光参数,并成功应用于实际操作。此种策略和参数设置方法可以推广到对其他透明材料进行激光标刻。

皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析,发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的,并且随着激光能量密度的增加,石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明,皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面,而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少,因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小,导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法测定金属镀锡层的厚度

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)应用于测定金属镀锡层的厚度时激光脉冲能量的大小及其稳定性会影响分析结果的准确度。本文采用一款自制的皮秒激光剥蚀固体进样系统(ps LA),与ICP-MS联用建立了一种测定金属镀锡层厚度的方法。在激光脉冲能量为12μJ,散焦距离为625μm的条件下采集锡和镀锡层基材元素检测同位素的时间分辨图,根据提出的边界确定规则确定了剥蚀镀锡层的时间,同时根据厚度标准片计算单位脉冲剥蚀量。该方法的单位脉冲剥蚀量为88 nm/pulse,厚度分辨率为0.40μm,应用于测定钢镀锡厚度标准片、铜镀锡厚度标准片、有涂层马口铁和镀锡不锈钢带等样品,测定值与认定值的最大偏差为0.5μm。本方法避免了激光脉冲能量的不稳定使得单位脉冲剥蚀量发生变化的问题,提高了镀层厚度测定的准确度,适用于各种形态、各种规格金属镀层厚度的测定,也可应用于生命科学、考古、环境、司法等领域。

皮秒激光刻蚀固体进样-电感耦合等离子体质谱法快速测定金属镀锌层厚度

采用一款自制的皮秒激光剥蚀固体进样系统(psLA),与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用,提出了一种测定金属镀锌层厚度的新方法。通过实验参数优化,选择激光脉冲能量10μJ,散焦距离875μm,采集锌和镀锌层基材元素检测同位素的时间分辨图,确定剥蚀镀锌层的时间,根据厚度标准片计算单位脉冲剥蚀量,实现了金属镀锌层厚度的快速测定。结果表明,单位脉冲剥蚀量为67nm·pulse-1,厚度分辨率为0.30μm。用该方法测定了黄铜镀锌厚度标准片、热浸镀锌和电镀锌样品,测定值与认定值最大偏差为0.4μm。方法具有实际应用价值。

无标样皮秒激光剥蚀电感耦合等离子体质谱快速定量分析金属镀层

提出了一种基于皮秒激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(psLA-ICP-MS)的无标样快速分析金属镀层中各元素含量的方法。psLA系统由实验室自己研制,激光波长266 nm,脉冲频率20 Hz,脉冲宽度30 ps,样品池8 cm^(3),气溶胶传输管路50 cm,单位脉冲剥蚀量低至20 nm,空间分辨率30μm。经与纳秒激光剥蚀(nsLA)比较,psLA剥蚀坑陡峭、边界清晰。经与nsLA-ICP-MS比较,psLA-ICP-MS的元素分馏效应和基体效应不明显,金属镀层中各元素的时间分辨图边界清晰。调谐ICP-MS,使在相同同位素丰度的情况下,低、中、高质量数的信号值趋于一致。采用单点剥蚀法采集样品中所有元素的时间分辨图,经积分获得各元素的信号值。该信号值经电离度校正和同位素丰度校正后,采用归一法求得金属镀层中各元素的含量。该方法不需要绘制校准曲线,不受激光功率和激光剥蚀量波动的影响,样品制备简单,分析成本低,效率高。选择已知值的纯银和高纯锌标准物质作为金属镀层进行方法验证,结果趋于一致。该方法适用于各类金属镀层及金属样品的快速定量分析。

时域整形皮秒激光双脉冲烧蚀玻璃表面特性

基于亚纳秒间隔的皮秒激光双脉冲,研究了双脉冲时域整形对K9玻璃表面烧蚀特性的调控规律。当子脉冲间隔为667 ps时,不同形状双脉冲下玻璃表面的烧蚀形貌随激光通量增加的变化规律明显不同,而泵浦通量起着决定性作用。当泵浦通量低于阈值时,双脉冲烧蚀特性基本与单脉冲相似;当泵浦通量在阈值附近时,泵浦脉冲对玻璃表面的微纳米尺度的烧蚀会显著增强探测脉冲的烧蚀效应。当泵浦通量高于1.3倍阈值时,泵浦脉冲在玻璃与空气界面附近产生冲击波,探测脉冲被冲击波的高密度前沿界面反射和干涉,在中心烧蚀区域周围产生了圆环状烧蚀形貌,且圆环分布与探测通量密切相关。双脉冲烧蚀的内径尺寸与泵浦通量相关,而外径尺寸与双脉冲的形状、通量均相关。对比研究了子脉冲间隔为333 ps和667 ps时的等通量双脉冲烧蚀形貌,结果发现:低通量下较小的脉冲间隔可以增强烧蚀效应;高于烧蚀阈值的泵浦脉冲会影响探测脉冲的能量沉积;两种脉冲间隔下环状形貌的不同反映了泵浦脉冲产生的冲击波的传输特性不同。最后基于实验结果讨论了双脉冲序列时域整形进行表面烧蚀调控的物理机制。

DD6镍基单晶合金的纳秒及皮秒激光烧蚀和制孔研究

采用脉冲宽度为100ns和2.1ps激光对厚度为0.8mm DD6镍基单晶合金进行了表面烧蚀、加工小孔等实验。观察不同脉冲能量下材料的烧蚀形貌和直径,得到了DD6镍基单晶合金等效脉冲数为670时纳秒和皮秒激光的烧蚀阈值。对纳秒和皮秒激光烧蚀凹槽剖面进行金相观察,以确定两种激光烧蚀材料的区别。在相同能量密度条件下,纳秒和皮秒激光制孔,观察孔表面和孔壁质量。实验结果表明,纳秒激光和皮秒激光对DD6镍基单晶合金的烧蚀阈值分别为1.63、0.11J/cm2;纳秒激光烧蚀凹槽内充满再铸层和微裂纹等热缺陷,而皮秒激光烧蚀凹槽内无再铸层且边缘材料的显微组织无任何变化;纳秒激光制孔表面存在飞溅物,孔口堆积冠状熔化物,孔壁存在微裂纹和20μm厚的连续再铸层,皮秒激光制孔,孔表面基本无飞溅物,孔壁上存在微裂纹和间断的再铸层,孔口较圆整。

皮秒激光烧蚀K9玻璃后表面损伤研究

考察了利用皮秒激光烧蚀切割K9玻璃过程中后表面的烧蚀损伤现象,比较了前、后表面的烧蚀特性,分析了激光能量密度、扫描次数和扫描速度等因素对后表面损伤的影响。根据后表面烧蚀形貌和质量,优化了激光单行单次扫描时的激光能量密度和扫描速度等参数。讨论了后表面烧蚀损伤的机理,提出了抑制后表面损伤的方法。实验结果表明,激光聚焦在前表面进行烧蚀切割时,后表面会出现严重的烧蚀损伤,且后表面烧蚀形貌和规律与前表面的显著不同。

皮秒激光剥蚀固体进样系统的研制

研制了一款皮秒激光剥蚀固体进样系统(ps LA)。该装置由激光器、激光束聚焦系统、样品池、气溶胶传输系统、观察系统、样品移动平台等几部分组成。激光器的输出波长可选,有1064,532,355和266 nm 4种,脉冲宽度30 ps,脉冲频率20 Hz。选用266 nm的波长进行性能表征,脉冲能量可达3.0 m J,剥蚀坑呈圆形,边缘陡峭,空间分辨率小于30μm,时间分辨率小于2 s,单位脉冲剥蚀量为20 nm。该装置与ICP-MS联用可实现固体样品的直接分析。

高重复频率皮秒激光烧蚀不锈钢的研究

利用兆赫兹量级高重复频率皮秒激光对304不锈钢进行烧蚀,通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对烧蚀表面进行测量观察。结果表明:单脉冲峰值能量密度和重复频率共同决定不锈钢的烧蚀率,单脉冲峰值能量密度与烧蚀阈值比值越大,烧蚀率越大;在高频低峰值能量密度下能获得更优的表面烧蚀质量。随着扫描速度的提高,烧蚀深度呈对数函数关系逐渐减小,烧蚀后的表面粗糙度先减小后趋于稳定。扫描速度在1.0~1.7 m/s内变化时,烧蚀率变化不大。因此采用交叉扫描路径有利于提高烧蚀后的表面质量。

激光-电化学沉积制备超疏水铜表面及其Cassie状态稳定性研究

目前已有大量研究关注超疏水表面的制备方法,但金属表面微纳米复合结构对Cassie状态稳定性影响的研究还相对较少。采用激光-电化学沉积连续加工方法,在铜表面制备出具有丰富纳米镍棱锥的微纳米复合结构。改变激光扫描间隙,铜样品得到不同尺寸的微米结构,在常温(25℃)和低温(5℃)下表现出不同的润湿性。激光扫描间隙相当于激光光斑直径时,超疏水表面在常温和低温下的接触角均达到最大值,分别为161°和151°,滚动角均达到最小值,分别为1°和5°。此时,液滴冲击试验下的Cassie状态最稳定,样品表面有3、4次完整的回弹过程。冷凝试验表明,稳定的Cassie状态与表面微纳米复合结构有关。丰富的纳米结构能使冷凝微液滴从表面跳开,且激光扫描间隙相当于光斑直径时,均匀、紧密分布的微米结构小于液滴跳跃的临界尺寸,具有更稳定的Cassie状态。本研究提供一种高效制备微纳米复合结构的超疏水铜表面的方法,并讨论其表面Cassie状态的稳定性。

532nm皮秒激光加工石英玻璃的研究

采用皮秒激光对石英玻璃进行打孔实验，探究了石英玻璃在532nm皮秒激光作用下的损伤阈值，同时通过控制变量法研究了激光能量密度、脉冲持续时间和激光重复频率等参数对石英玻璃加工孔径与深度的影响，并对这种规律进行简要的分析。通过实验最终得出皮秒量级下石英玻璃的损伤阈值约为2．01J／cm2，并发现所加工石英玻璃的孔径与深度在一定范围内与激光能量密度和加工时间成正比，但增速最终趋于平缓；激光重复频率对小孔加工质量亦有重要影响。最后，在得到的损伤阈值和加工规律基础上对加工参数进行了初步优化，获得了无裂纹、表面形貌规整的小孔加工效果。

高模量碳纤维增强树脂基复合材料的皮秒激光加工阈值特性

对聚丙烯腈基高模量碳纤维/改性氰酸酯树脂复合材料(M55/BS-4)和一种沥青基高导热碳纤维/树脂基复合材料(K600/5418)的皮秒激光加工阈值和形貌特性进行了研究。通过面积外延法测定并比较了这两种碳纤维复合材料的近红外皮秒激光加工阈值及其阈值孵化效应,并预测了两种复合材料的单脉冲阈值;分析了入射能量通量(0.7~25 J/cm^(2))及光束扫描速度(0.2~5 m/s)对切口质量的影响规律。结果表明,碳纤维热导率的巨大差异导致不同碳纤维复合材料的加工阈值及形貌存在明显定量差距。使用可获得的最高扫描速度(5 m/s)和3.2倍(~8 J/cm^(2))单脉冲阈值的加工参数,可使材料的碳纤维和树脂几乎协同去除,加工形貌上表现为切缝入口宽度均匀、切割边缘整齐。使用更高扫描速度并配以合适的加工能量有望进一步提高加工质量。

皮秒激光加工热障涂层试验研究

针对目前带热障涂层(TBC)叶片的难加工问题,开展了皮秒激光加工热障涂层的试验。试验分别在三种扫描速度下(50 mm/s,150 mm/s,250 mm/s)使用不同单脉冲能量加工热障涂层。发现随着扫描速度的增大,材料出现缺陷对应的最小单脉冲能量分别为120μs,280μs和400μs;随着脉冲能量的增大,热障涂层出现裂纹、崩边及脱落等缺陷越多。通过面积外延法,计算三种扫描速度下多脉冲烧蚀阈值分别为1.17 J/cm^2、2.72 J/cm^2和4.45 J/cm^2,随着激光扫描速度的提高,烧蚀阈值也随之增大。小脉冲能量去除热障涂层主要以雪崩电离为主,当以较大脉冲能量去除时主要以多光子吸收为主,当脉冲能量远大于烧蚀阈值时会在加工区域产生烧蚀潜热,在材料加工区域边缘处因产生应力集中出现微裂纹、崩块和整块脱落的缺陷。