短脉冲激光清洗细微颗粒的研究进展_陈菊芳 (1)
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
飞秒激光微加工的研究进展
飞秒激光微加工的研究进展顾理;孙会来;于楷;赵方方【摘要】The article reviews the progress of micro-fabrication by femtosecond laser at home and abroad in recent years. Femtosecond laser pulses have undergone through the laboratory process to become a useful tool for material mi-cro-nano-processing in industrial field. In this paper, we introduce the process of femto-second laser precise micro-nanofabrication. Two different fabrication mechanisms are described which are laser ablation and two photo polymerization. Finally,the existing problems and future development of micro-manufacture by femtosecond laser are discussed.%综述了近年来国内外利用飞秒激光微加工的研究进展.飞秒激光脉冲作为材料微纳加工的一项工具,已经从实验室进入到工业化阶段.介绍了飞秒激光在微纳加工领域的一些研究情况,分别就飞秒激光烧蚀微加工以及双光子聚合加工进行了阐述.最后分析了飞秒激光微加工目前存在的问题及未来发展的主要方向.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)001【总页数】5页(P14-18)【关键词】飞秒激光;微加工;烧蚀;双光子聚合【作者】顾理;孙会来;于楷;赵方方【作者单位】天津市现代机电装备重点实验室天津工业大学机械工程学院,天津300387;四川省制造与自动化重点实验室西华大学,四川成都610039;天津市现代机电装备重点实验室天津工业大学机械工程学院,天津300387;四川省制造与自动化重点实验室西华大学,四川成都610039;辽宁省铁岭港华燃气有限公司技术设备部,辽宁铁岭112000;天津市现代机电装备重点实验室天津工业大学机械工程学院,天津300387;四川省制造与自动化重点实验室西华大学,四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言激光作为20世纪最伟大的发明之一，自1960年Maiman利用红宝石实现的第一台激光器，已经经历了五十余年。
6.5 超短脉冲激光介绍讲解
物质相互作用、激光核聚变…
图8. 超短脉冲（飞秒）激光切割染色体内的线粒体
图9. 不同超短脉冲激光与物质作用的不同效果
3. 小结
本次课介绍了超短脉冲激光的特点和应用：脉冲宽度
超短、谱线丰富和峰值功率超强的特殊性使得超短脉冲激 光具有与常规激光和物质作用不同的规律，特别适合超快 现象和超强现象研究。
4. 作业思考题
1）与常规激光相比，超短脉冲激光的主要特点是什么？
2 ）飞秒激光与物质作用时属于光热作用还是光化学作用，为 什么？ Nhomakorabea 飞秒脉冲
图2. 超短脉冲激光技术发展
图3. 我国研制的超短脉冲激光器(极光I号和极光II号）
图4. 我国研制的超短脉冲激光器 （极光III号）
2.3 超短脉冲激光的获得方法
锁模技术
调Q技术
2.4 超短脉冲激光的特点和应用 （1）时间宽度非常短:瞬态成像、超快光开关、高速光通信…
图5. 高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间 （微妙量级）
高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间微妙量级飞秒激光的出现使人类第一次能在原子电子层面上研究这一超快运动原子分子层面的粒子运动示意图飞秒量级2光谱含量非常丰富
超短脉冲激光介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解超短脉冲激光的特点和主要应用。
2.超短脉冲激光的特点和主要应用
飞秒激光的出现，使人类 第一次能在原子、电子层 面上研究这一超快运动
图6. 原子、分子层面的粒子运动示意图（飞秒量级）
（2）光谱含量非常丰富：光谱检测、脉冲整形、光谱编码…
不同原子具有不同的 特征谱线，据此可对 物质的组成和化学成 分做出分析
激光粒度仪测定煤油／水乳液粒度分布的实验研究
在 自然界和 日 常生活中， 原油 、 橡胶类植物 的乳 浆、 农药乳剂和牛奶等都是乳液 。乳 液的液滴 因光 反射作用而呈现乳 白色＿ １ ］ 。乳液 的粒径分布作为评 价乳液稳定性 的重要指标 ， 对制备稳定乳液［ ２ ］ 和破 乳＿ ３ ］ 有着重要 的指导作用。 目前 ， 乳液 的粒径分 布 检测方法主要 有沉降法 、 显微镜法和激 光衍射法［ ５ ］ 等 。前二者具有操作繁琐 、 检测速度慢 和重现性差 等不足之处， 激光衍射法具有样品量少 、 检测迅速和
影响。
２ 结 果与 讨 论
２ ． １ 分散剂 Ｓ ＤＳ浓度 对粒径 的影 响
圈２ 不同Ｓ Ｄ Ｓ浓度的粒度分布 图
ｌ Ｉ ２ 实验 原 理
Ｒ ｉ ｓ ｅ － ２ ０ ０ ６ 型激光粒 度仪是根据光学衍射原理 测定待测物粒度分布 ， 首先利用 Ｈｅ － Ｎ ｅ 气体激光器 激发出稳定 的单色激光获取分散度较好的样品的衍 射结果 ， 然后采用全量程米 氏 （ Ｍｉ ｅ ） 散射理论并运 用无约束拟合反演 即测试前对颗粒群不 做任何假
１ ． ３ 实验 方法
１ 实验 部 分
１ ． １ 主 要 仪器 与试 剂
乳液的制备 ： 取４ ５ ． 。 ０ ｍ Ｉ 水和 ４ ５ ． ０ ０ ｍＬ煤油
于锥形 瓶中， 加人一定 量的 Ｓ ｐ ａ ｎ ８ ０和 Ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ８ ０ 使 得其 ＨＬ Ｂ值为 １ ２ ． ０ 。利用高速分散均质机在 １ ． ０
考察 了利用激光粒度仪测定乳液的粒度分 布和平均粒径（ Ｄ ４ ， 。 ） 的实验方法和实验条件。采用
超短脉冲激光在纳米材料制备中的应用
超短脉冲激光在纳米材料制备中的应用超短脉冲激光是现代光学技术中的一种新型、快速又强大的技术。
它的产生离不开激光器，投射的光束极短，毫无渗透力，对金属、合金、玻璃等材料均能产生极强的作用，可以用于纳米材料的制备。
1. 激光脉冲的定义超短脉冲激光是指激光的脉冲时间极短，时间一般小于皮秒，强度高出正常激光的几个量级，毫无渗透性。
这种光束不仅强度非常高，而且存在时间也很短。
因此，它能够在非常短的时间内将材料表面的一层削除，还能在极短的时间内将材料加热到甚至超过蒸发温度，达到极高温度。
2. 纳米材料制备与超短脉冲激光的关系超短脉冲激光在纳米材料制备中的应用非常广泛。
在纳米科技领域，光受限制的空间是非常重要的。
光被放大，黑暗区域会变得非常小，这种光被称为聚光器。
典型的应用是：使用激光在材料的表面产生纳米光学，然后通过控制光束的干涉模式，在材料表面制造纳米模式的光场。
典型的应用是将超短脉冲激光，用于材料表面光刻，这种用法包括纳米结构的制备，比如晶体（同时具有光学、机械、电学、热学等特性），还有传感器制造等。
3. 超短脉冲激光的表现特点超短脉冲激光具有许多表现特点，如选择性、短响应时间、杰出精度、能量高等。
因此，它能够在短时间内削除材料表面，使表面形成纳米结构，调整晶体的结构，同时避免了热性损坏和材料变形的问题。
这种技术广泛应用于新型纳米材料的制备与表征，特别是在纳米微加工和纳米制造技术领域。
4. 超短脉冲激光技术的应用前景超短脉冲激光作为一种新型光学技术，其在纳米材料制造中的应用效果显然是十分显著的。
例如，它可以用来制造具有激光开关、微透镜、紫外光学元件、二次光谱光学元件等特性的标准光学元件，还可以广泛应用于光电子学、纳米科技、光通信等领域，具有非常广泛的应用前景。
5. 结束语超短脉冲激光技术在纳米材料的制备和表征中具有独特的优势，光受限制的空间是非常重要的。
使用超短脉冲激光技术，可以制造具有某些特殊物理、化学特性的纳米元件。
脉冲绿激光划切蓝宝石基片的工艺参量研究
脉冲绿激光划切蓝宝石基片的工艺参量研究谢小柱;高勋银;陈蔚芳;魏昕;胡伟【摘要】To improve the yield rate and scribing efficiency of sapphire substrate , the effect of polarization direction , laser power , focus position , cutting speed , scanning times on the scribing quality of sapphire substrate with pulse green laser (λ=532nm) was studied.The results show that narrow and deep grooves can be obtained when the polarization direction is parallel to the incidence plane and the laser focus position is negative defocus 50μm when scribing sapp hire substrate with pulse green laser .The groove depth and width increase while the pulse laser powerincreases .The groove depth decreases and the groove width increases at first and then decreases with the increase of the scanning speed .The groove depth and width increase with the increase of the scanningtimes .The results are helpful for selection of reasonable laser scribing technical parameters to achieve optimal groove performance .%为了提高划切蓝宝石的成品率和划切效率，研究了脉冲绿激光（波长532nm）的偏振性、脉冲激光能量、激光焦点位置、扫描速率、扫描次数等工艺参量对蓝宝石基片划切质量的影响。
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第31卷 第3期2007年6月激 光 技 术LASER TECHNOL OGYV o.l 31,N o .3June ,2007 文章编号:1001-3806(2007)03-0301-05短脉冲激光清洗细微颗粒的研究进展陈菊芳1,2,张永康1*,孔德军1,叶 霞1,2(1.江苏大学机械工程学院,镇江212013;2.江苏技术师范学院机械与汽车工程学院,常州213001)摘要:综述了短脉冲激光清洗细微颗粒技术的研究进展状况,介绍了其研究背景和基本理论模型;阐述了它的应用成果,包括短脉冲激光清洗细微颗粒的“干式”清洗技术和“液膜”清洗技术;总结了该技术对细微颗粒清洗效果的影响因素及规律;并展望了该技术今后的发展方向。
关键词:激光技术;激光清洗;细微颗粒;短脉冲激光;综述中图分类号:TN 249 文献标识码:AR esearch progress of cleani ng ti ny particles by short -pulsed l aserCHEN Ju -fang1,2,ZHA NG Yong -kang 1,KONG De -j u n 1,YE X i a1,2(1.Schoo l of M echanical Eng inee ri ng ,Jiang s u U niversit y ,Z heng jiang 212013,China ;2.Schoo l o f M echan ica l and A utomobil e Eng i neering ,Jiangsu T eachers U ni ve rsit y o f T echno logy ,Changzhou 213001,China )Ab strac t :T he develop ment of clean i ng tiny pa rtic l e techno logy by short -pu lsed lase r is reviewed .A t first its resea rch background and basic t heo re tica lm ode l are introduced .Then its app licati ons such as t he dry laser c l eaning and t he st ea m l a ser clean i ng are descri bed and t he i nfl uence factors on the clean i ng eff ec t are su mm ed up .F i nall y so m e predic tions of its f u t ure develop ment a re pre sen t ed .K ey word s :l ase r technique ;laser cleani ng ;ti ny pa rtic l e ;sho rt -pulsed l a ser ;su mma ry 作者简介:陈菊芳(1971-),女,副教授,博士研究生,现主要从事激光清洗的研究。
*通讯联系人。
E -m a il :ykzhang @ujs .edu .cn收稿日期:2006-03-31;收到修改稿日期:2006-05-16引 言细微颗粒会造成超大规模集成电路、微型高密度存储设备短路或性能大大降低,使微型机械表面产生划痕甚至裂纹等致命损伤,极大地降低精密光学设备的分辨率,是半导体、微电子、微型机械、精密光学等高新技术中需要迫切解决的问题。
随着半导体和微电子设备尺寸越来越小,需要去除的颗粒也越来越小,目前需去除的颗粒已达微米、亚微米级[1,2]。
由于细微颗粒与基体表面之间存在强大的附着力,随着颗粒尺寸的减小,去除颗粒所需的加速度越来越大,对直径为1μm 的颗粒,其数值一般超过重力加速度的107倍[2],去除变得非常困难,这对清洗技术提出了更高的要求。
传统清洗方法,如机械洗刷、化学清洗和超声清洗等,对清除微米、亚微米级颗粒显得力不从心。
同时,机械洗刷容易损伤基体表面,化学、超声清洗常常引入有毒的化学物质,而且传统清洗方法一般都需要消耗大量水资源。
近年来,国际上发展的短脉冲激光清洗可以有效去除微米、亚微米级颗粒,不但效率高,而且具有不污染环境,几乎不消耗水源,便于自动控制等优点。
根据清洗时是否有能量传输介质液体存在,可把激光清洗分为“干式”和“液膜”激光清洗。
干式激光清洗,利用激光直接辐照基体表面,基体或颗粒受热瞬时膨胀产生巨大的反弹力去除颗粒。
液膜激光清洗,先在基体表面沉积一层微薄液体,随后用短脉冲激光辐照。
激光直接加热液体或基体吸收激光能量后将热量传递给液体,部分液体层温度急剧增高发生爆发沸腾,大量气泡成核并迅速长大产生压力波将颗粒去除。
1 附着力一般,细微颗粒在基体表面的附着力主要有3种,即范德瓦尔斯力、毛细力和静电力。
1.1 范德瓦尔斯力干表面上,当颗粒尺寸小于几微米时,颗粒与基体表面的范德瓦尔斯力成了主要的附着力[3,4]:F v =hr 8πz 2+h δ28πz 3,式中,h 为与材料有关的列弗西兹-范德瓦尔斯常数,r 为颗粒半径(见图1a ),z 为颗粒和基体间的原子间隙,δ为颗粒与基体接触面的半径。
1.2 毛细力基体表面潮湿时,颗粒与基体之间微小空隙处积 激 光 技 术2007年6月图1 基体上细微颗粒的主要附着力聚了很薄的液体层(见图1b),液体层在颗粒和基体之间产生的凝聚力就是毛细力,其大小为[3,4]:F c= 4πσr,式中σ为液体的表面张力系数,r为颗粒半径。
1.3 静电力颗粒与基体之间由于出现电荷的输送而使两者带有异号电荷,因而有相互吸引的双层静电力存在(见图1c),可按下式计算[3,4]:F e=(πεU2r)/z,式中,ε为介电常数,U为接触电势,r为颗粒半径,z为颗粒与基体之间的微观间隙。
由上面计算知,附着力与颗粒的尺寸有关,F∝r,颗粒质量m∝r3,由牛顿第二定律a=F m/,所以a∝r-2。
颗粒尺寸越小,清除它所需的加速度越大,清除就越困难。
2 干式激光清洗基体对激光强吸收而颗粒弱吸收,或基体弱吸收而颗粒强吸收,或基体与颗粒都强吸收时,都有较好的清洗效果[2～8]。
2.1 清洗机理分析基体对激光强吸收而颗粒透明或弱吸收时(见图2a),基体瞬时受热快速膨胀,吸附在基体表面的颗粒 图2 干式激光清洗获得一定的速度和加速度,脉冲过后,基体快速冷却收缩,颗粒由于惯性脱离基体表面。
在能量密度均匀的脉冲激光辐照下,基体表面温度升高可近似按下式计算[3]:ΔT=(1-R)F/ρcμ,式中,R为基体表面对激光的反射率;F为激光能量密度;ρ,c分别为基体的密度、比热容;μ为基体在脉冲过程中的热扩散长度。
基体表面由温度升高而引起的法向热膨胀量为[3]:H=αμΔT=(1-R)Fα/ρc,式中,α为材料的热膨胀系数。
代入代表性参数值:F=1J/c m2,α=10-6K-1,ρ= 3g/c m3,c=0.4J/(g K),得H≈10-6c m。
若激光脉冲宽度为τ=10ns,则颗粒获得的平均速度、加速度分别为:v=H/τ=102c m/s;a=H/τ2=1010c m/s2。
虽然热膨胀量很小,但因脉冲时间很短,颗粒获得的加速度可达108m/s2,可将颗粒去除。
颗粒对激光强吸收而基体弱吸收时(见图2b),在激光辐照下,颗粒吸收能量后快速升温,颗粒内的温度升高是不均匀的,离辐照表面越远,温度升高越小。
温度的快速升高引起颗粒的快速热膨胀,附着力限制了颗粒的快速膨胀,在颗粒内引起热应力,其数值等于单位面积上的附着力,即[4]:σ(d,t)=-p=-F v/πδ2,要清除颗粒,颗粒与基体接触处必须经历真实位移,根据应力应变关系得清洗条件[4]:σ(d,t)E+γΔT(d,t)=ε(d,t)>0,式中σ,ε,ΔT分别为t时刻,接触点颗粒表层的热应力、相对位移、升高的温度,E为颗粒的弹性模量,γ为颗粒的热膨胀系数。
清洗条件也可写成:f>p,f为单位面积上的清洗力,f=γEΔT(d,t)。
2.2 影响因素及规律2.2.1 材料的影响 基体与颗粒的材料不同对激光的吸收率不同,从而影响清洗效果。
基体强吸收颗粒透明或弱吸收时清洗效果很好。
ZHE NG[2]用波长248nm的激光,成功清除了S i,Ge,N iP基体上1μm的透明颗粒S i O2。
FOURRI ER[5]用波长248nm的激光,成功清除了聚酰亚胺(po l y i m ide,PI)基体上的Si O2颗粒和聚苯乙烯(po lystyrene,PS)颗粒。
颗粒强吸收基体透明或弱吸收时,也有很好的清洗效果,但对材料有选择性。
LU[4]采用波长248nm的激光,成功清除了石英基体上的A l颗粒。
KERRY[6]用波长1.06μm、脉宽20ns、能量密度为650m J/c m2的激光清洗锂基体上微米级的钨颗粒,100个脉冲后清除率达95%,而同样的激光参数对锂基体上橡胶颗粒的去除率却不足5%。
笔者认为这与材料性能有关,由前面分析知,单位面积上的清洗力f=γEΔT(d,t),与材料的弹性模量成正比,橡胶的弹性模量远小于钨。
基体和颗粒透明或弱吸收时,则几乎没有清除效果,FOURRI ER[5]用波长248nm,对透明基体聚甲基丙烯酸甲酯(po l y m ethl-m e t h ac r y late,P MMA)上的透明颗粒S i O2进行清洗,发现没有去除效果。
2.2.2 激光参数的影响 激光能量密度越大,基体或颗粒吸收的能量越多,清洗效率越高。
L U,SONG和DOBLER等人[4,7～9]的研究表明,激光清洗时具有清洗与损伤阈值。
能量密度低于清洗阈值时,没有清洗效果;能量密度高于清洗阈值后,随着激光能量密度的增加,清洗率不断增加;而能量密度高于损伤阈值时,基体产生损伤。
因此,为避免基体损伤,应将能量密度控制在清洗与损伤阈值之间。
激光波长影响基体、颗粒对激光的吸收率,从而影响去除效果。
如P MMA对波长248nm的激光透明,用它清洗P MMA上的透明颗粒S i O2没有去除效果,而P MMA对波长193n m的激光的吸收率为2×103c m-1,302第31卷 第3期陈菊芳 短脉冲激光清洗细微颗粒的研究进展 能量密度为25m J/c m2时,20个脉冲后P MMA上400nm 的S i O2颗粒的清除率达80%[5]。
SONG[8]用波长为355nm,532nm,1064nm的激光,研究了硅基体上硅树脂的去除行为,研究表明波长为355nm的激光清洗效果最好,532nm的效果次之,而1064nm的效果最差。