角度复用的光学加密超表面的超快激光嵌套加工方法研究

图案信息的光学加密在防伪、信息加密存储等方面具有广泛的应用,基于各向异性功能复用的结构色超表面得到发展。基于一维光栅衍射的光学加密超表面由于需要逐个加工掩模或单元结构,从而导致效率低下;传统激光烧蚀波纹结构(LIPSS)效率高,但所形成的结构均匀、一致性差。基于以上难题,提出了一种基于皮秒激光直写相变材料Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)得到的改性结构加工光学超表面的方法。首先,表征所制备的GST改性光栅的色散性能,结合改性光栅的偏振依赖性,设计了角度复用的信息加密超表面。实现了在自然光条件下加密,在强光条件下能够选择性解密读取并动态展示的性能。相比于传统加工方法,本方法可在一次直写过程中以同时打印的形式生成一系列光栅结构,提高了加工效率;同时加工得到的光栅结构均匀一致性好,提高了显色效果。利用取向角相差16°的改性光栅实现了无串扰的选择性信息读取,所得结构色均匀鲜艳。本文提出的加工策略在防伪、信息加密存储及可穿戴柔性显示设备等领域有深刻的应用前景。

飞秒激光时空整形的电子动态调控微孔加工

微孔作为一种常见结构,被广泛应用于生物医疗、航空航天、三维封装等领域。飞秒激光具有的超短脉冲持续时间和超高峰值功率特性使其在高质量微孔加工方面具有独特优势。本文综述了近年来飞秒激光时空整形微孔加工方法及其应用,包括飞秒激光时空整形方法、时域/空域整形的电子动态调控微孔加工以及微孔在增透减反、切割以及油水分离、雾气收集、气体收集等方面的应用,并讨论了时空整形飞秒激光微孔加工目前所面临的挑战和未来研究方向。

飞秒激光加工熔融石英的理论和实验研究

对单脉冲飞秒激光加工熔融石英进行了理论和实验研究,在追踪自由电子密度、温度和激光强度时空分布的基础上,量化了飞秒激光辐照熔融石英的电子动力学及瞬态材料光学和热物理的演变过程.通过将理论预测的烧蚀阈值、深度及轮廓,和实验结果进行比较,发现了理论预测结果与实验测量结果较好吻合,验证了本文所提出的理论模型的有效性.并进一步通过理论模型,揭示了在不同飞秒激光能量密度(也称“激光通量”)和脉冲持续时间(也称“脉冲宽度”)的辐照下,光致电离和碰撞电离中的自由电子弛豫时间演变规律,发现了自由电子弛豫时间对材料光学性质的演变和飞秒激光能量吸收过程起着至关重要的作用.理论模拟和实验测量均发现激光能量密度对烧蚀坑的形状有很大影响,即在激光能量密度略高于烧蚀阈值时烧蚀体积与激光能量密度呈线性关系.相较于皮秒激光而言,在飞秒激光辐照下烧蚀体积随着激光能量密度的增加而增大更为明显.因此,本文提出在略高于烧蚀阈值时可获得较高的加工效率,而在远高于烧蚀阈值时可获得良好的可重复性加工.

电子动态调控超快激光微纳制造

超快激光是指脉宽短于10 ps的激光,在制造过程中其作用时间、功率密度等趋于极端,具有超强(也就是非线性)、超快(也就是非平衡态)的独特优势。本研究提出了电子动态调控的核心思想。电子动态决定了材料的所有特性,包括它的光学、热力学、磁学、化学、电学特性等。超快激光的加工决定于光子与电子相互作用过程。超快激光脉冲可以激发、电离电子,从而改变辐照过程中的局部瞬时电子动态。在超快激光辐照过程中,电子密度的变化可以达到几个甚至上十个数量级,如此巨大的电子密度的变化使材料的瞬时局部特性也发生了巨大的变化。在超快激光辐照非金属过程中,辐照区域的非金属可呈很强的金属态,它的反射率从原来的接近于零变成了零点九几。这样强烈的材料瞬时局部特性的变化对激光光场进行了显著重整:激光在达到自由电子临界密度之前是高斯分布;当自由电子密度达到临界密度之后,多数光都被反射了。所以,我们通过设计激光光场时空分布以调节光子与电子的相互作用过程。当我们将一个超快激光脉冲分成两束来调节子脉冲间的延迟,就可以调节电子电离过程,从而改变瞬时局部状态。此时仅仅调节一个简单的参数——子脉冲间的延迟,就可以使自由电子的密度分布产生巨大变化。在不同延迟下,峰值自由电子密度变化非常的剧烈。相应的,在不同延迟下材料的瞬时局部特性变化也非常大。同样的,通过调整延迟,激光能量的吸收情况分布变化也非常大。所以,通过改变脉冲延迟,可使自由电子密度、材料的瞬时局部特性、激光透射能量分布等产生巨大变化。通过超快脉冲时空整形,调控电子-电子相互作用过程,进而局部调控电子瞬时状态(密度温度激发态分布等),从而调控材料瞬时局部特性,进而调控材料相变过程,实现全新的目标制造方法。我们建立了超快激光与材料相互作用的多尺度量子理论模型,提出了电子动态调控超快激光微纳制造新方法,通过设计超快激光能量时域及空域分布,调控加工过程中的能量吸收、传递及材料相变过程,进而提高加工质量、精度。此外,搭建了多时间尺度电子动态实时观测系统,观测超快激光微纳加工过程中的材料瞬时局部折射率、等离子体强度等,优化加工参数,实现了对局部瞬时电子动态的主动调控,并应用于国家重大需求关键核心构件的加工工艺中,开启了电子层面调控的新机理和新方法研究。

飞秒激光辐照二硫化钨的超快动态响应及时域整形调制

飞秒激光加工作为一种高效可控的调制手段,其辐照所引起的材料电离可以对激光脉冲在材料内部的能量传递和沉积产生重要影响,进而调控材料的表面形貌和化学组分.因此,本文重点研究了飞秒激光辐照二硫化钨的烧蚀特性并利用等离子体模型对辐照过程中材料的超快响应以及能量的传递、吸收进行计算分析.研究发现,烧蚀坑的深度和直径均展现出先快速增长再趋于稳定的变化规律,并且理论计算与实验结果符合.揭示了飞秒激光烧蚀二硫化钨的机制,辐照初期材料内部会产生大量自由电子并形成致密等离子体区域,导致材料表面反射和内部吸收的显著增加.两个增强效应共同影响激光能量的注入和沉积,使得大量入射能量沉积在近表面浅层区域,并且激光通量增加时烧蚀坑的扩张出现饱和趋势.此外,利用时域整形双脉冲序列烧蚀二硫化钨,通过调节脉冲延迟在保持烧蚀深度不变的情况下,在双脉冲延时为0.7 ps时得到最优化的最小烧蚀坑直径.研究结果有助于激光调制二氧化钨在光催化方面的应用研究.

飞秒激光液相烧蚀的超快观测展望(特邀)

飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点,在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而,飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度,多物理化学现象耦合的复杂过程,现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程,并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题,并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。

二次校准光纤光栅温度传感器

为了提高光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器的测温精度,提出了一种新型的光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器的封装方法,并采用二次多项式拟合的方式标定该温度传感器。新的封装方法可以消除FBG温度传感器存在的应力交叉敏感,新的标定方式可以极大地提高光纤温度传感器的测温精度。通过对比光纤温度传感器的线性拟合和二次多项式拟合测温结果,表明这种封装方法结合二次多项式标定使得光纤温度传感器具有很好的稳定性和重复性。在0℃~80℃的温度范围内,曲线拟合度在0.9999以上,测温误差不超过0.13℃,能够满足实际工程应用的需求。

一种基于马赫-曾德干涉仪的全光纤传感器双参数测量技术

提出一种干涉式全光纤传感器,能够同时实现对折射率和轴向拉力或温度进行双参数测量。传感器由一个微腔和一个纤芯失配衰减器组成。其中微腔结构是由飞秒激光加工光纤纤芯形成,直径和深度分别是6μm和2.5μm。该干涉式传感器可以获得20dB的高品质干涉对比度。传感器透射谱波长为1496.68nm和1533.18nm的两个衰减峰对应的折射率灵敏度分别为-29.91nm/RIU和-16.72nm/RIU,拉力灵敏度分别为-1.55pm/με和-0.31pm/με。实验结果表明,传感器通过灵敏度矩阵可以同时测量折射率和轴向拉力或温度两个参数。