探讨飞秒激光微纳加工技术及其应用

激光微纳加工技术是制造技术中的一种先进高新技术,目前已在工业、机械制造等诸多领域有了广泛的应用。运用这种技术对材料进行加工,可以达到纳米级的加工分辨率,可以大大提高机械加工的精度与效率。本文主要探讨了飞秒激光微纳加工技术的原理与特征,以及该技术在实际中的应用。

飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用

所谓飞秒激光微纳加工,即运用超短脉冲激光的紧聚焦获得的焦点具有超高能量密度,同材料在微尺度的状态下产生非线性反应,对材料产生诱导作用,出现“改性”及“成型”等状况。飞秒激光加工技术优势明显,在材料加工领域内得到了广泛的应用,受到格外的关注与重视。该文在这一基础上,就飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用作简要论述。

基于飞秒激光微纳加工技术制备的光纤布拉格光栅的带宽特性

理论和实验上研究了利用飞秒激光微纳加工技术制备的广义高斯切趾光纤布拉格光栅(FBG)的带宽特性。模拟结果表明,FBG带宽随着折射率调制度的增大而增大,随着光栅长度的增大先减小后趋于饱和。利用飞秒激光相位掩模法制备FBG的实验结果表明,当飞秒激光功率较小时,随着激光功率的增加,FBG带宽基本不变;激光功率超过一定阈值,FBG带宽随着激光功率的增大而逐渐增大。曝光时间较短时,FBG带宽随曝光时间的增加而急剧增大;随着曝光时间的继续增加,FBG带宽逐渐趋近于饱和。FBG带宽随着飞秒激光功率和曝光时间的变化可以归因于飞秒激光诱导FBG折射率调制度和光栅长度的变化。这些规律为调控利用飞秒激光微纳加工技术制备FBG带宽提供了参考。

飞秒激光加工镍基合金无锥度微孔试验研究(封面文章·特邀)

随着我国航空航天事业的不断发展,镍基合金等耐高温材料和气膜冷却技术逐渐应用于航空发动机的热端部件中,对航空发动机热端部件气膜孔的制造要求也日益提高,电火花和电化学等传统加工方法已无法满足在镍基合金上加工高质量微孔的制造要求。而飞秒超快激光由于其精密、低损伤、冷加工的特点,越来越契合镍基合金微孔的加工需求,但是在加工大深径比微孔时出现的热缺陷、锥度不足等问题仍然需要克服。针对镍基合金材料深微孔加工难题,基于倾斜工件旋转钻孔的激光加工工艺,首先阐述了加工方法和试验原理,然后在镍基合金材料上开展了无锥度单孔加工试验,采用控制变量法探究了激光离焦量、激光重复频率、激光扫描半径和激光光轴偏移量对单孔形貌的影响规律,在2 mm厚度镍基合金上实现了无锥度的高质量单孔加工。为了解决较厚材料的大深径比无锥度微孔加工问题,在倾斜工件旋转钻孔的基础上进行了工艺优化,采用钻孔、扩孔、修孔三道工序,并增加了旁轴吹气辅助工艺,从而在6 mm厚度镍基合金上实现了锥度为0.14°的深微孔加工。

基于飞秒激光双光子的微齿轮加工技术研究

针对传统加工方法很难实现微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)零部件高质量加工的问题,在微细加工技术研究基础上,提出采用飞秒激光双光子聚合加工技术加工标准渐开线微齿轮的方法。采用钛蓝宝石激光器自行搭建的飞秒激光双光子加工系统,能够输出波长为800 nm的飞秒激光用于双光子聚合加工,利用AutoCAD软件设计标准渐开线微齿轮,通过理论和试验两种方法研究激光功率与单个固化点尺寸之间的关系,进而研究扫描步距与加工精度和表面粗糙度之间的关系,结果表明,激光功率越小,加工分辨率越高;扫描步距越小,加工变形越大,但表面质量提高。采用优化后的加工工艺参数加工出高质量的标准渐开线微齿轮,其表面粗糙度Ra27.66 nm。因此,飞秒激光双光子加工技术能够为微齿轮或其他MEMS零部件的加工提供一条有效途径。

飞秒激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器微槽实验研究(特邀)

光纤温度传感器相较于传统光学功能器件具有损耗小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点,其中的光纤法布里-珀罗传感器更因其结构简单紧凑、稳定性好、易于制造受到广泛关注。光纤法布里-珀罗传感器功能结构的传统加工工艺存在工艺复杂、加工效率低下、热影响区严重等问题。光纤作为纤细透明的脆性材料,激光作为非接触的加工方式和微米尺度的聚焦光斑可以有效避免机械性破坏同时可以实现多样性的加工,已经广泛应用于光纤温度传感器的加工。目前,激光加工依然存在纤芯区域粗糙度高、平行度低、加工质量较差等难题。为了确保激光加工的法布里-珀罗腔能够满足传感性能要求,文中进行了飞秒激光加工法布里-珀罗腔的工艺实验研究,得到了不同激光参数、扫描路径对加工法布里-珀罗空气腔的影响规律,发现采用往复式扫描方式并在激光功率选用10 mW、扫描速度100μm/s、扫描间隔4μm、扫描分五次逐次向下进给5μm的工艺参数组合后,可以加工出两反射面接近平行(87.95°),侧壁光滑、面粗糙度稳定在2~4μm的良好形貌法布里-珀罗腔。加工了5种不同腔长的光纤中,腔长为80μm的传感器性能最优为21.07 pm/℃。将腔长为80μm的传感器封装在3种金属管中进行测试,结果证明激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器的质量得到了进一步优化,性能进一步提升。但不同的封装材料会较大影响传感器的探测效果,结果发现封装材料的热膨胀系数越大,温度传感器的响应特性越好。

飞秒激光玻璃微加工技术

为了研究飞秒激光作用下光学玻璃内部发生的改性过程,利用重复频率为1 kHz、中心波长为775 nm、脉宽为130 fs的飞秒激光对光学玻璃进行微加工.结果表明,激光辐照区发生永久性折射率改变,并且玻璃的改性线宽随着激光功率的增加而增加,随激光扫描速度的降低而增加.根据飞秒激光致使光学玻璃发生改性的特点,利用飞秒激光在光学玻璃内部直接刻写了相位光栅和二维图案,研究了相位光栅的衍射特性.

基于飞秒激光微加工的温度补偿型高灵敏度光纤光栅传感器的实验教学研究

在传统的大学物理实验教学中,长周期光纤光栅的折射率灵敏度较低且温度灵敏度通常为正值,与布拉格光纤光栅相结合不能很好地实现温度串扰的消除。因此,我们利用飞秒激光直写技术制备出一种微纳光纤布拉格光栅(mFBG)与微纳小长周期光纤光栅(SP-mFLPG)级联的温度补偿高灵敏度光纤光栅传感器。这种传感器体积小巧、稳定性高,折射率灵敏度高达759.02 nm/RIU,同时具备温度补偿特性等优势。对于本次传感器的制备实验教学,有助于本科基础教学授课,为创新性教学实验带来更多可能性,学生将参与微纳光纤器件的制作与测试实验,这将有助于他们提升动手能力、专注力以及科研素养。更重要的是,学生们能够涉足创新性的光纤结构设计领域,从而激发其对新型光纤器件和传感应用的兴趣,为其未来学习和深造奠定坚实的基础。

飞秒激光数控微纳加工及服务平台组建关键技术

提出了以飞秒激光为光源,配合高精度的放大及光路、微加工数控系统,搭建了数控微纳加工及公共服务平台,探索了平台组建及加工应用中的关键技术问题,在玻璃、玉石等材料的实际微纳加工中取得了良好的应用效果。

飞秒激光微精细加工技术与MEMS动态测试技术

本文阐述了飞秒激光微精细加工技术的原理特点，在微机械和微光学中的应用，及其在加工研究中取得的一些进展；提出一种基于计算机视觉、显微干涉及激光多普勒的MEMS的动态测试技术，实现MEMS器件平面运动幅度的快速测量、平面和离面运动的测量和离面运动的瞬态测量。

飞秒激光微精细加工技术与MEMS动态测试技术

本文阐述了飞秒激光微精细加工技术的原理特点,在微机械和微光学中的应用,及其在加工研究中取得的一些进展;提出一种基于计算机视觉、显微干涉及激光多普勒的 MEMS 的动态测试技术,实现 MEMS 器件平面运动幅度的快速测量、平面和离面运动的测量和离面运动的瞬态测量。

飞秒激光微加工技术的评述与展望

综述了飞秒激光微加工技术国内外的研究现状,介绍了飞秒激光微加工在光学、微电子及生物医学等领域的应用,展望了飞秒激光微加工技术未来发展的趋势以及需要解决的关键技术。

飞秒激光加工微纳光学器件

光学器件正在向着小型化、集成化以及柔性可变形等方向发展,基于集成微纳光学器件的光学系统以其较低的功耗、快速的响应时间以及高信息容量等优势脱颖而出。然而目前的高精度微纳加工手段如聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀、半导体光刻等工艺复杂,且缺乏灵活性。飞秒激光作为一种非接触、高精度、高脉冲强度的“冷”加工工具在微纳加工方面受到格外青睐。本文首先阐述了飞秒激光加工微纳光学器件的背景及相关机理,然后讨论了提高飞秒激光加工分辨率的各种方法,接着综述了基于飞秒激光的多种先进加工手段,其后总结了近年来飞秒激光加工微透镜、光栅、光波导以及光子晶体方面的代表性研究进展。最后,本文概括了飞秒激光加工微纳光学器件研究领域所面临的挑战以及未来发展方向。

飞秒激光双光子微细加工技术及研究现状

飞秒激光双光子微细加工技术以其特有的高精度三维微加工优势,成为微型机械加工领域新的发展方向之一。介绍了飞秒激光双光子微细加工技术的原理和应用的现状。结合目前已有的微细加工技术,对双光子微细加工技术的特点加以评述。简要报道了利用飞秒激光双光子微细加工技术的一些研究进展。探讨了飞秒激光双光子微细加工技术今后的发展方向及其存在的基本问题。

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。

内嵌式微球透镜的光纤飞秒激光加工技术及应用

利用聚焦的高重复频率飞秒脉冲在聚甲基丙烯酸甲酯薄片内部制作了具有优良光学性能的微球凸透镜及微球凹透镜.微球凸透镜的加工原理是基于飞秒激光诱致折射率变化机制,而微球凹透镜的制作是基于多光子效应及高重频激光脉冲序列的热积累效应.以微球凹透镜为例,对比了不同聚焦条件下制作微球透镜的加工效率及效果,讨论了选择聚焦透镜所需综合考虑的因素.提出了采用本方法可针对特定的应用需求设计并精确制作微光学系统.最后,讨论了内嵌式微透镜在微流控器件中增强荧光信号收集能力与成像能力的潜在应用价值,以及单步制作功能集成的微流控芯片的可能性.

飞秒激光双光子聚合加工微纳结构

针对微/纳机电系统(MEMS/NEMS)零部件加工制造难题,研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法,搭建钛蓝宝石飞秒激光微纳加工系统,对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明:随着激光功率的降低,单个固化点的尺寸减小,加工分辨率提高;扫描步距减小,所加工工件的表面粗糙度数值减小,但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构,利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物,通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线,从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。

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60μm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。

飞秒激光单体素加工连续渐变微纳针形结构研究(特邀)

针对目前微纳针形结构加工中存在的精度、形貌、可控性等问题,基于飞秒激光双光子加工系统中的单个体素,通过引入一维倾角自动调控体素的空间位置,提出了一种简单高效的加工连续渐变微纳针形结构的方法。通过开展加工实验,成功地在光刻胶材料中加工出了一系列长度可控、形貌连续渐变的微纳针形结构。实验结果表明:基于本方法加工的微纳针形结构,其高度呈线性变化关系且针尖形貌渐变精度达到了纳米量级,结构横向线宽渐变连续且沿中轴线呈对称分布;针形结构顶端最小高度达到5 nm,横向最小线宽为195 nm。其在功能表面、微纳流控、生物传感等研究领域具有潜在的应用价值。

飞秒激光在材料微加工中的应用

本文介绍了飞秒激光的特性以及超短脉冲激光与材料相互作用的机理,并着重指出了其与长脉冲激光的区别。飞秒激光可产生超高光强、具有精确的损伤阈值(并且损伤阈值较低较低)、很小的热影响区、几乎可精密加工所有种类材料,并且,加工精度极高,可进行亚微米尺寸的精密加工。通过分析飞秒激光材料微加工的特性,综述超短脉冲激光材料微加工的应用研究现状。