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中国激光 2017年第01期杂志 文档列表

中国激光杂志“超快激光加工与微纳制造”专题

“超快激光加工与微纳制造”专题前言1-2

摘要：激光制造技术历经多年的研究发展，涵盖了以激光表面工程、激光焊接、激光切割、激光制孔、激光标记、激光增材制造等为代表的宏观制造技术，以激光微焊接、激光精密切割、激光精密钻孔、激光烧蚀等为代表的激光微加工技术，和以飞秒激光直写、双光子聚合、干涉光刻、接触离子透镜序列、激光诱导表面纳米结构和纳米颗粒激光制备等为代表的激光微纳制造技术等广泛的研究领域。

单光束飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅机理及应用研究进展3-22

摘要：单光束飞秒激光诱导的玻璃内部纳米光栅结构自发现以来就受到了广泛的关注，成为飞秒激光与物质相互作用研究领域的一大热点。经过十几年的发展，这一研究方向在基础研究和应用探索方面均取得了很大的进步。主要综述了飞秒激光诱导玻璃内部自组织纳米光栅的研究现状，围绕影响纳米光栅形成的关键参数、形成机理和应用探索等方面，重点介绍了这一研究领域近五年来的进展，并对当前研究中存在的问题进行了总结和对未来发展前景进行了展望。

飞秒激光直写制备内嵌微透镜、能源器件及生物传感器的研究进展23-33

摘要：飞秒激光具有独特的超短脉宽和极高峰值强度的特点已被广泛用于精细加工与微纳制造领域。目前,激光直写用于柔性器件的制备受到极大的关注。本文将基于激光直写技术以下四个研究方向进行综述：1,激光直写微透镜用于广角成像;2,激光制备纳米金/还原氧化石墨烯微超级电容器;3,聚酰亚胺（PI）基体上多层超级电容器的制备;4,电容生物传感器的激光制备。同时介绍了本课题组开展的相关研究工作。通过对本课题组所获得的研究结果总结与归纳,本文致力于为激光直写制备微纳结构器件的研究与应用及未来发展方向提供参考。

基于飞秒激光直写的三维高定向碳纳米管组装34-45

摘要：双光子聚合（TPP）激光直写技术因具有超高的空间分辨率和真三维微纳制造能力，在三维微纳功能器件制造领域有着巨大的发展前景。本文介绍了碳纳米管（CNTs）复合材料分散性、定向排布和组装方面的研究进展，并详细介绍了利用TPP激光直写技术，实现多壁碳纳米管（MWNTs）在三维空间的定向排布和分子组装。通过加入硫醇（thiol）分子，提升了MWNTs聚合物复合材料的碳纳米管分散品质和掺杂浓度，增强了碳纳米管复合材料在电学、光学、机械方面的性能，并成功实现了三维碳纳米管功能器件的制造。研究表明通过将TPP激光直写技术与热退火工艺相结合，可以实现对碳纳米管簇的排列方向和位置的精确控制。

飞秒激光制备微光学元件及其应用46-58

摘要：近年来,微光学元件的制备与应用正受到人们的广泛关注。微光学元件体积小、重量轻及制造成本低,并且易于与微机电系统相集成,能够实现普通光学难以实现的功能,在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域,突显出重要和广阔的应用价值。飞秒激光因其超短的脉冲宽度和超高的瞬时功率,实现超高精度的微纳加工,轻松突破衍射极限。飞秒激光加工技术对材料没有选择性,加工过程也非常灵活,可以进行任意复杂结构的加工,丰富了微光学元件的制备。飞秒激光还能在现有结构或系统上进行集成加工,极大扩展了微光学元件的应用。本文简要概述了微光学元件的优点及一些常用的制备方法,同时对飞秒激光加工技术进行了简单概括,对近年来飞秒激光制备各种微光学元件的实验和应用研究进行了综述,最后对微光学元件未来的研究方向进行了预测和展望。

激光微加工技术制备生物医用器械的现状与进展59-73

摘要：激光微加工具有超快、超精密的特性，在医疗器械加工中有着独特的优势，尤其是针对具有良好生物相容性材料的微加工有着不可替代的作用。系统总结了激光微加工制备技术在生物医学领域的若干最新应用，重点讨论了生物材料表面结构微加工、医学元件和血管支架微结构制备以及三维生物组织快速成型等技术，并进一步指出现有激光微加工制备生物医用材料的局限和发展趋势。

双螺旋微结构的双光子聚合制备74-80

摘要：利用拉盖尔-高斯模式光束叠加产生的双螺旋光束，通过单次曝光双光子聚合可制备出双螺旋微结构。为了增强手性及谱宽，必须增加螺旋微结构的螺旋圈数，要求选择模式面上斜率更大的模式进行叠加，但是又导致旁瓣光较强，在聚合过程中将双螺旋的两个主瓣粘连到一起。本文提出了紧聚焦下的优化方法，可以明显抑制旁瓣光，得到符合要求的纯相位板，并通过单次曝光聚合了螺旋圈数高的无粘连的双螺旋微结构。

飞秒激光诱导金属银纳米布线加工精度的研究81-85

摘要：对利用飞秒激光诱导银纳米布线的精度进行研究,并将其应用到银微纳器件的加工制作领域。对飞秒激光与银离子前驱体溶液的相互作用进行了实验，通过对飞秒激光功率、曝光时间、银离子前驱体中表面活性剂种类以及浓度的调控，利用扫描电子显微镜对布线结构进行表征，得到 140 纳米宽的银纳米线。利用飞秒激光制备出一组银微纳图案和微型催化反应器。该研究为银微纳结构图案制备以及复杂衬底上金属功能器件集成提供了新的技术。

基于空间光调制器的能量可控飞秒激光加工86-90

摘要：针对飞秒激光微纳加工技术中激光与加工样品相对运动的控制、聚焦光斑能量的控制中存在的问题，提出一种基于硅基液晶空间光调制器动态加载计算全息图同时控制焦点位置和能量的新型加工方法。该方法通过加载叠加闪耀光栅的全息图，控制单点运动来扫描加工二维结构，无需平台移动。进一步控制全息图的挖空区域，可以调制入射光斑的能量，进而控制被加工点阵的形貌。利用这一加工效应，成功实现各种可控环状结构的加工，并在光学显微镜下测试达到相应效果，证明这种加工方法在飞秒激光微纳加工领域具有可行性。

飞秒激光前向转移诱导产生金属纳米结构薄膜91-96

摘要：使用掺镱光子晶体光纤飞秒激光放大系统作为加工光源, 利用激光诱导前向转移（LIFT）技术对铜膜进行加工, 产生纳米结构。通过控制飞秒激光光源参数, 得到不同纳米结构的金属薄膜。在功率较低时, 能够得到纳米团簇; 随着功率升高, 团簇尺寸变大; 到达一定功率时, 出现纳米线结构。通过实验分析了飞秒激光与材料相互作用时发生的物理过程。利用该机理, 对20, 40, 200 nm三种厚度的铜膜在相同实验条件下的实验结果进行比较, 获得了产生纳米团簇和纳米线结构薄膜的最佳条件。

飞秒激光在钨表面制备二维周期复合结构的研究97-102

摘要：通过控制飞秒激光脉冲分别在线偏振和角向偏振条件下的入射脉冲个数，我们在金属钨材料表面获得了周期性亚波长条纹和金属纳米线复合而成的新型微纳米结构。对实验结果的研究分析表明，线偏振激光脉冲诱导形成亚波长表面条纹结构的周期和脊面宽度随脉冲个数的增加而减小；在两种不同偏振情况下，飞秒激光脉冲在样品表面诱导形成的金属纳米线结构随激光脉冲个数的增加逐渐趋于消失，而形成微纳米结构的区域面积随激光脉冲个数逐渐增加而增大，并在飞秒激光脉冲个数为 150 时趋于不变。

飞秒激光在不同羟基浓度石英玻璃内部诱导缺陷研究103-109

摘要：采用飞秒激光脉冲辐照不同羟基浓度的纯石英玻璃，诱导其内部产生缺陷。系统研究了羟基浓度、激光脉宽和激光功率对缺陷类型和浓度的影响。石英玻璃的显微荧光谱、吸收谱和发射谱测试表明，飞秒激光诱导石英玻璃可以产生非桥氧空穴中心（NBOHC）、非弛豫氧空位（ODC（Ⅱ））和 E′心 3 种缺陷；低羟基浓度石英玻璃易产生 ODC（Ⅱ）缺陷，高羟基浓度石英玻璃易产生 NBOHC 缺陷。用波长为 254 nm 的紫外灯激发飞秒激光辐照后的高羟基浓度石英玻璃可观察到明显的红色荧光（波长为 650nm），其发光强度与飞秒激光的脉宽和功率相关，发光强度随激光脉宽的增加先增加后减小，随激光功率的增加先增加后趋于平缓。

不同晶面单晶硅在飞秒激光作用下的行为特性110-116

摘要：不同晶面单晶硅的物理性能和化学性能的微小差异会对微纳加工结果产生明显影响。利用电子背散射衍射（EBSD）技术,研究了不同晶面单晶硅在飞秒激光作用下的行为特性。结果表明, （111）面单晶硅在飞秒激光能量密度低于和高于破坏阈值时分别形成非晶区和刻蚀区, 而（100）面单晶硅在不同能量飞秒激光的作用下只形成刻蚀区。飞秒激光在微纳加工领域得到广泛应用, 对晶体材料的不同晶面在飞秒激光作用下的行为特性的研究有助于制造新型微纳器件。

带热障涂层的高温合金飞秒激光旋切打孔117-122

摘要：针对燃气轮机叶片气膜孔传统加工方法存在的缺陷,采用飞秒激光旋切带热障涂层的高温合金加工气膜孔,获得了无裂纹、无附着残渣及无重铸层的锥孔。结合飞秒激光加工过程中材料的去除机理,分析得出：等角速度旋切造成孔锥度较大;材料的去除过程为绝热冷却过程,即与周边材料几乎没有热交换,未发生基体材料熔化后重新凝固形成重铸层的过程。然而,在孔的入口发现黑色附着物,随着加工次数的增加,逐步覆盖整个入口边缘的部分。试验过程中可收集到含有镍、锆、氧等元素的纳米颗粒,证明被去除的材料通过液相爆破的方式以纳米颗粒的形式快速离开基体,从而解释了加工后在孔壁未发现大量附着残渣粘连的原因。相对于低速单层旋切,高速多层旋切加工效率更高。

皮秒激光对医用钛合金植入物表面微加工及生物相容性的研究123-128

摘要：钛合金具有优良的综合性能，作为医用金属植入材料广泛的应用于临床医学，而在钛合金植入物表面进行微造型有助于提高钛合金的生物相容性。论文采用 1064nm 波长的皮秒激光在钛合金（TC4）表面进行微造型实验，并验证微造型的生物相容性。设计正交试验，通过扫描电镜、扫描探针显微镜、共聚焦显微镜，分析了样件表面形貌，建立微造型几何尺寸与激光参数的关系，确立了制备可控微沟槽结构的最优工艺参数，完成钛合金微造型样件制备。进行了大鼠骨髓间充质干细胞培养和免疫荧光观察细胞骨架实验。实验表明，微造型对细胞生长起到促进和引导作用。

皮秒激光烧蚀K9玻璃后表面损伤研究129-138

摘要：研究了皮秒烧蚀切割 K9 玻璃过程中后表面烧蚀损伤现象。实验结果表明，激光聚焦在前表面进行烧蚀切割时，后表面将出现严重的附带烧蚀损伤，且后表面烧蚀形貌和规律与前表面显著不同。单点单脉冲激光烧蚀时，后表面烧蚀阈值小于前表面，入射与反射激光在前后表面的干涉效果不同是其主要原因；前表面烧蚀坑横向尺寸随激光通量增大时增加速率大于后表面。单点多脉冲激光烧蚀时，后表面烧蚀深度随着脉冲数目的增加呈类对数增长，最后趋于饱和。激光扫描烧蚀切割时，比较了后表面烧蚀特性与前表面的区别，分析了激光能量密度、扫描次数和速度等对后表面损伤的影响,后表面烧蚀宽度大于前表面。根据后表面烧蚀形貌和质量，优化了激光单行单次扫描时激光能量密度和扫描速度等参数。最后，讨论了后表面烧蚀损伤的物理机理，提出了抑制后表面损伤的方法。

全光纤皮秒激光切割蓝宝石晶圆的实验研究139-145

摘要：本实验搭建了中心波长为 1064 nm 的光纤激光器装置。全保偏光纤结构的锁模脉冲种子源结合选频单元和全光纤放大器，实现了重复频率连续可调、脉冲串中脉冲数可选、微焦量级单脉冲能量的皮秒激光输出。此外，实验开展了利用该光源装置的隐形切割技术。通过优化选取激光器的输出参数，对厚度为 110 μm的蓝宝石晶圆进行了切片。观察多种激光参数下切片后的微观形貌，发现单脉冲能量、脉冲串的脉冲数以及光束的光斑圆度会显著影响切割效果。最终得出，在重复频率 100 k Hz、脉冲串内 7 脉冲、光斑圆度大于 97%，平均功率 0.37 W、划切速度 600 mm/s 时，芯片外观最佳，电性能良率高达 99.58%。

SiCp/Al复合材料纳秒脉冲光纤激光刻蚀工艺146-151

摘要：研究了在高压辅助气体作用下运用纳秒脉冲激光刻蚀SiC陶瓷颗粒增强Al基复合材料的可行性。结果表明, 刻蚀深度随激光能量的增加而增大。由于刻蚀过程中发生了复杂的冶金反应, 在刻蚀表面很难观察到独立的SiC颗粒。重凝层内Al、Si、C、O元素空间分布相对均匀, 其厚度和表面粗糙度随激光能量的增加而增加, 并呈饱和趋势。高压同轴气体的机械作用是材料蚀除的主要机制。