紫外纳秒激光加工高深宽比且高一致性微槽的研究

高深宽比微槽广泛应用于生物学以及电子学等各领域。然而,在制备高深宽比微槽时,微槽的一致性仍然是一个技术上的难题。通过一种新颖的多次扫描技术,利用355纳米纳秒激光成功制备了同时具有高深宽比和高一致性的微槽。研究了脉冲能量、离焦量和扫描次数对微槽深度和宽度的影响。结果表明:略微增加负离焦量和脉冲能量可以显著提高微槽的深宽比,但过大的脉冲能量会导致一致性下降。提出一种多次扫描的方法,通过在每次扫描的同时调整激光离焦量,制备了一组高深宽比且高一致性的微槽。所获得的微槽的平均深宽比高达6.84,深度和宽度的一致性也得到了显著提高。深度和宽度的相对标准偏差分别低至4.8%、4.4%。由于其高深宽比和高一致性,这些微槽有望在生物医学科学、3D微型电池和超疏水表面等领域得到广泛应用。

CO_(2)激光改性溶胶-凝胶SiO_(2)薄膜光谱及紫外纳秒激光损伤特性研究

研究了经过CO_(2)激光处理的溶胶-凝胶SiO_(2)薄膜的物理化学性能和抗激光损伤性能,研究结果表明激光处理后薄膜表面变得更加光滑,粗糙度从14.08 nm降低到9.76 nm,下降了30%以上;薄膜的厚度随着CO_(2)激光处理功率增加有所降低,经过20 W激光处理后薄膜的厚度下降了17%~28%,而薄膜的弹性模量和硬度等力学性能获得提升,弹性模量从1.5 GPa增加到6 GPa,硬度从40 MPa增加到110 MPa;傅里叶变换红外光谱测试结果表明激光处理后薄膜的傅里叶光谱峰值从1 125 cm^(-1)移动至1 120 cm^(-1),薄膜中的硅原子和氧原子的平均桥键角变小,原因为CO_(2)激光处理时会使局部温度升高,会加速Si—OH键脱水缩合,孔隙率降低,吸收下降。采用紫外纳秒激光对薄膜进行损伤测试,结果显示经过12 W CO_(2)激光处理后的薄膜与未经过CO_(2)激光处理的薄膜相比损伤面积更小,而损伤阈值从4.8 J·cm^(-2)上升到7 J·cm^(-2),提升了46%;经过16 W和20 W CO_(2)激光处理的薄膜紫外纳秒激光损伤阈值没有明显变化,原因为较高功率CO_(2)激光处理导致薄膜表面发生烧蚀沉积,沉积物会影响紫外纳秒损伤阈值无法有效改善薄膜的激光损伤性能。研究结果表明CO_(2)激光处理技术可以有效改善溶胶-凝胶SiO_(2)薄膜的弹性模量、硬度等力学性能和抗激光损伤性能,CO_(2)激光的功率对薄膜性能影响较大,CO_(2)激光处理是一种有效的提升溶胶-凝胶SiO_(2)薄膜紫外纳秒激光损伤特性的技术手段。

355 nm全固态紫外纳秒激光加工蓝宝石通孔研究

采用355 nm全固态紫外纳秒脉冲激光器对蓝宝石(Al_(2)O_(3))进行打孔实验。通过控制变量法,对蓝宝石样品进行了打孔加工,研究了激光能量密度、重复频率和扫描速度对蓝宝石通孔质量的影响。实验结果表明,通孔边缘熔融物堆积形成的重凝区随着激光单脉冲能量的升高而减小,但是激光能量过高时,通孔附近出现沉积物,影响通孔的质量;通孔边缘的重凝区随着激光重复频率的降低而减小;通孔附近的沉积物随着激光扫描速度的降低而减少,但是速度过低时,激光脉冲的重叠率过高,导致高斯激光外围孵化效应明显,且其能量不足以使材料气化,因此扫描速度过小时孔道边缘再次出现熔融物堆积形成的重凝区。研究结果表明,采用纳秒脉冲激光加工高质量蓝宝石微通孔是可行的。

高功率紫外纳秒激光脉冲的光纤取样传输特性研究

在神光Ⅱ系列装置中,为降低成本和减少示波器、快响应光电管等设备的使用,采用紫外光纤对高功率紫外纳秒激光脉冲进行取样并束测量。对高功率紫外纳秒激光脉冲在光纤中的传输特性和保真传输条件进行了理论分析和模拟研究,并据此选取了不同芯径的阶跃型紫外多模光纤进行实验研究。结果表明,对于芯径为25μm的光纤,传输纳秒量级的紫外激光脉冲时畸变小,能进行较长距离传输,可以作为紫外激光脉冲的取样传输介质。利用芯径为25μm的光纤演示了光纤取样传输并束测量实验方案,验证了光纤并束测量的可行性。研究结果为神光Ⅱ高功率紫外激光脉冲时间波形的光纤并束测量提供了理论和实验依据。

基于紫外纳秒脉冲激光的微加工系统设计与实验分析

介绍了紫外纳秒脉冲激光微加工系统的设计,以及利用该系统对不同材料的样品进行加工实验分析。系统采用355nm波长的紫外纳秒脉冲激光作为加工光源,设计了光路机械结构和基于DSP和FPGA的运动控制板,驱动3D运动平台带动样品运动实现加工。上位机软件对加工图像进行解析,并对加工过程进行控制。光路结构的共焦特性,保证了CCD的照明光源和加工光源共焦平面,实现了自动聚焦和在线观测功能。利用该微加工系统,针对单晶硅、光敏玻璃、陶瓷、金属等材料展开了多种加工实验,验证了系统性能的可靠性和实用性,通过对不同材料的加工结果进行了观测和分析,对加工参数和工艺进行了优化,总结了紫外脉冲激光针对不同材料的加工特性。

紫外纳秒激光加工金刚石微槽工艺参数优化研究

金刚石微槽在微电子散热器件和光学器件等领域都有非常大的潜在应用价值。系统研究了激光脉冲能量、扫描速度、扫描次数、重复频率和离焦量对金刚石微槽形貌、微槽宽度、微槽深度及微槽深度与宽度的比值的影响规律。研究结果表明,金刚石微槽的深度与激光脉冲能量、扫描次数呈正相关,随着激光脉冲能量和扫描次数的增大,微槽深度逐渐增加,并且当激光脉冲能量达到200μJ,扫描次数增加到30时,微槽深度趋于稳定;金刚石微槽的深度与扫描速度呈负相关,当扫描速度为5 mm/s时,可获得深度较大的微槽;微槽的深度随着激光重复频率的增大而增加,当激光重复频率达到60 kHz时,微槽的深度趋于稳定。当离焦量从负值变化到正值时,微槽的深度先增加后减小,当离焦量为-1 mm时,微槽的深度达到最大。在激光脉冲能量为200μJ,扫描速度为5 mm/s,扫描次数为30,重复频率为60 kHz,离焦量为-1 mm的优化参数下,能够获得微槽深度与微槽宽度的比值大于12的金刚石微槽。

纳秒紫外激光制备聚二甲基硅氧烷超疏水表面

利用纳秒紫外激光对聚二甲基硅氧烷进行表面加工,研究了激光功率密度、光斑重叠率和线距等工艺参数对改性后聚二甲基硅氧烷表面接触角的影响。结果表明,增大激光功率密度、光斑重叠率或减小线距,均会使聚二甲基硅氧烷表面接触角呈上升趋势,并且都是先缓慢到急剧的一个变化过程。当激光功率密度达到1.56×106W/cm2,光斑重叠率为75%,线距为120μm时,表面水接触角达到最高154°。通过傅里叶变换红外光谱测试发现激光作用未改变材料化学组分,但通过扫描电镜的表征发现聚二甲基硅氧烷表面形成微纳嵌套结构。基于Cassie-Baxter模型,分析了激光形成的微纳嵌套结构对聚二甲基硅氧烷表面接触角的影响规律。

CFRP纳秒紫外激光交错扫描高质量切孔研究

利用纳秒紫外激光通过自上而下变焦点同心圆填充式扫描方法,可实现碳纤维复合材料(CFRP)通孔切割。在通过热烧蚀与光化学断裂激光去除材料过程中,一定脉冲重叠热积累以及沿碳纤维轴向显著热传导,致使切割边缘存在热影响区,严重影响材料力学性能。围绕提高切割质量,降低热影响区(HAZ),本文提出一种交错扫描方法,并设计正交实验,分别采用顺序扫描和交错扫描模式切割CFRP。结果表明,交错扫描通过降低相邻轨迹热累积效应可显著降低热影响区,平均达20.13%,在参数组合60kHz,1250mm/s,0.06mm下降低幅度最大(28.37%)。同时可有效降低材料激光切割表面微观缺陷,包括裂纹、树脂基体损伤以及基体与碳纤维脱粘等缺陷。因此,交错扫描方法是显著提高激光切割CFRP表面质量的有效手段。

掩模辅助激光切割PDMS的工艺实验研究

为了提高紫外纳秒固体激光切割聚二甲基硅氧烷(PDMS)的加工质量,提出了一种掩模辅助激光切割PDMS的方法。采用聚酰亚胺薄膜作为掩模材料,进行了无掩模及不同厚度掩模下紫外纳秒固体激光切割PDMS实验,分析了PDMS材料表面微裂纹的形成机理,获得了激光主要工艺参数对微槽的槽深、槽宽及加工质量的影响规律。结果表明,掩模条件下激光切割PDMS的表面加工质量较好,无微裂纹产生且玻璃态转化较少;槽深和槽宽均随激光脉冲能量、扫描速率的增加而增大;掩模厚度为15μm和50μm、扫描速率为40μm/s和50μm/s、脉冲能量高于0.40 mJ时,微槽表面热影响区较小。本研究为提高紫外纳秒固体激光切割PDMS的加工质量提供了一种方法。

基于355 nm激光在硬脆材料的表面标识研究

针对透明玻璃既要满足玻璃的装饰性,也要满足对产品进行赋码追溯的高质量图形标识的需求,采用紫外纳秒激光源在常见透明玻璃材质(高硼硅玻璃、石英玻璃)表面进行激光直接标识的工艺研究。通过改变激光工艺参数来定量研究激光累计脉冲能量密度、峰值功率密度以及激光脉冲扫描方式对标识区域的完整性、粗糙度以及烧蚀深度的影响效果,从而寻找适合玻璃材料表面激光标识的工艺窗口。

激光对羟基磷酸铜的还原机理研究

为了研究激光选区金属化技术中,激光与尖晶石型化合物的相互作用机理,选用质优价廉、具有尖晶石结构的可见光和近红外光敏催化物质羟基磷酸铜(Cu 2(OH)PO 4)作为研究对象,利用X射线光电子能谱技术,探讨了波长为1064nm纳秒脉冲光纤激光、连续光纤激光和波长为355nm的纳秒脉冲紫外激光与羟基磷酸铜的相互作用机理。结果表明,3种激光都能将羟基磷酸铜中的+2价铜元素(Cu 2+)还原为+1价铜元素(Cu+),但还原过程随激光功率(0.13W^3.89W)或激光能量密度(2.76J/cm 2~25.48J/cm 2)的变化呈现不同的规律;结合羟基磷酸铜的热性能分析和紫外可见光吸收光谱分析,初步判断,在上述还原过程中,可能同时存在光热反应和光化学反应。该研究为羟基磷酸铜作为一种新型的激光活性物质提供了理论基础。

355nm纳秒和1064nm皮秒激光加工蓝宝石研究

利用波长355nm的纳秒激光和1064nm的皮秒激光对蓝宝石基片进行刻槽及切割实验,通过控制变量法研究了微槽深度、宽度及质量随工艺参数变化的情况,并进行对比分析。结果表明,355nm纳秒激光加工过程存在很大的热作用,而且刻蚀效率低,即使其峰值功率密度达到109 W/cm2也不能实现对蓝宝石毛坯片的图形切割;而1064nm皮秒红外激光切割微槽的质量很高,几乎可实现完全的"冷加工"。最后,通过分析总结,认为激光峰值功率密度达到1012 W/cm2可实现对蓝宝石基片的图形切割,且利用平均功率1 W、单脉冲能量1mJ、脉宽15ps的1064nm红外激光,实现了0.55mm厚蓝宝石毛坯基片的高质量图形切割。