飞秒激光在硅表面微加工的研究
飞秒激光加工sic的烧蚀阈值及材料去除机理
飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理研究一、概述飞秒激光作为一种新型的材料加工工具，因其独特的加工特性受到了广泛关注。
飞秒激光加工具有瞬间高能量密度，瞬间产生的高温和热应力使得材料可以被快速去除。
飞秒激光在微纳加工、材料去除以及医疗领域有着广泛的应用前景。
二、SiC材料的特性SiC是一种重要的功能陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、耐热性和化学稳定性，因此在航空航天、能源领域以及电子工业中有着广泛的应用。
然而，由于其高硬度和脆性，传统的机械加工方法难以对其进行精密加工。
而飞秒激光加工由于其独特的加工机理可以对SiC材料进行高精度加工。
三、飞秒激光对SiC材料的烧蚀阈值研究1. 飞秒激光烧蚀阈值的定义飞秒激光烧蚀阈值是指在材料表面形成微小凹坑所需要的最小脉冲能量密度。
烧蚀阈值的研究可以帮助我们了解飞秒激光对SiC材料的加工性能以及选择适当的加工参数。
2. 烧蚀阈值的实验测定通过在实验室中利用飞秒激光对SiC材料进行加工，在不同的能量密度下观察材料表面形成微小凹坑的能量阈值，从而确定飞秒激光对SiC 材料的烧蚀阈值。
3. 烧蚀阈值的影响因素烧蚀阈值的大小受多种因素影响，包括材料的性质、激光参数、加工环境等。
研究表明，SiC材料的烧蚀阈值与其晶格结构、折射率、熔点等有一定关系。
四、SiC材料去除机理研究1. 飞秒激光对SiC材料去除的机理飞秒激光材料去除的机理主要包括光热效应、等离子体和电子云效应、以及激光诱导的化学反应。
在对SiC材料进行飞秒激光加工的过程中，激光脉冲瞬间产生高能量密度，使得材料表面产生等离子体并形成一个离子云，最终导致材料的快速去除。
2. 材料去除机理的影响因素材料去除的机理受多种因素影响，包括激光参数、材料特性以及加工环境等。
研究表明，SiC材料的晶格结构、温度梯度、激光脉冲宽度等因素会对材料去除机理产生一定影响。
五、结语飞秒激光对SiC材料的加工具有着广泛的应用前景，但是对其烧蚀阈值和材料去除机理的研究仍然有待深入。
飞秒激光超微细加工技术简介
飞秒激光超微细加工技术简介摘要：本文首先简单地介绍了飞秒激光和超微细加工技术飞秒激光加工技术的技术背景，然后较为详细地介绍了飞秒激光超微细加工技术及其特点与应用，结合飞秒激光超微细加工技术的特点将其与其它的微机械加工技术进行了比较，最后分析飞秒激光超微细加工技术的发展趋势和应用前景。
关键词：飞秒激光超微细加工技术飞秒激光超微细加工Femtosecond laser micro machining technology IntroductionAbstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology andfemtosecond laser micro machining technology, then a moredetailed description the femtosecond laser micro machiningtechnology and its features and applications, combined withthe femtosecond laser micro machining technology will becharacterized by with other micro-machining technology, thefinal analysis of the femtosecond laser micro machiningtechnology trends and application prospects.Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing0引言激光（Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写），意思是利用辐射受激得到的加强光，激光加工（Laser Beam Machining）就是把激光的方向性好和输出功率高的特性应用到材料的加工领域中去。
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》一、引言随着微纳制造技术的飞速发展，飞秒激光刻蚀技术在石英玻璃微加工领域的应用日益广泛。
该技术以其高精度、高效率、低损伤等优点，在光学、光电子学、微机械等领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将就飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术的研究现状、原理、实验方法、结果以及展望等方面进行详细介绍。
二、飞秒激光刻蚀技术原理飞秒激光刻蚀技术是一种利用飞秒激光器产生的高能量、高精度的激光脉冲对材料进行微纳加工的技术。
其原理是利用激光的超高能量和超快脉冲宽度，使石英玻璃材料在极短时间内发生非线性吸收、多光子电离等物理过程，从而达到局部快速熔化、汽化、烧蚀的效果，实现材料的高精度微加工。
三、石英玻璃微加工技术研究现状石英玻璃作为一种重要的光学材料，具有优良的物理化学性能和光学性能，广泛应用于光学仪器、光电子器件、传感器等领域。
然而，石英玻璃硬度高、脆性大，传统的机械加工方法难以实现高精度、低损伤的加工。
因此，飞秒激光刻蚀技术在石英玻璃微加工领域的应用成为了研究热点。
目前，国内外学者在飞秒激光刻蚀石英玻璃的加工工艺、加工质量、加工效率等方面进行了大量研究，取得了一系列重要成果。
四、实验方法与步骤1. 实验材料与设备：选用高纯度石英玻璃作为实验材料，采用飞秒激光器作为加工设备。
2. 实验设计：根据实际需求，设计合理的激光参数（如激光脉冲能量、频率、扫描速度等）和加工路径。
3. 实验步骤：将设计好的加工路径导入飞秒激光器控制系统，启动激光器进行加工。
通过观察和记录实验过程中的现象和数据，分析飞秒激光刻蚀石英玻璃的加工特性。
五、实验结果与分析1. 加工质量：飞秒激光刻蚀石英玻璃具有高精度、低损伤的特点，可实现微米级别的加工精度。
通过优化激光参数和加工路径，可以提高加工质量，降低表面粗糙度。
2. 加工效率：飞秒激光刻蚀技术具有高效率的优点，可以在短时间内完成复杂的微纳加工任务。
然而，过高的激光能量可能导致加工速度降低，需根据实际需求合理调整激光参数。
飞秒激光在激光微加工的应用
激光微细加工具有如下优点： ·高质量 ·单步“干”加工处理 ·高
度灵活性 ·经济效益可观 激光微
激光微激光微
激光微细加工的
加工的加工的
加工的优越性在很大程度上 由应用来决定，同时也依赖
于激光器的选择 和采用的加工方法。激光微
激光微激光微
激光微细加工最吸引人 之处是它所具有的灵活性，能
准分子激光准分子激光
准分子激光器进
行微细加工和表面校 平已获得很好的效果，而另外一些系统，如皮 瓦激光器可能会引起其
他方面应用的关注。 ＵＳＡ）研制的Ｑ开关纤维激光器样机研究激 光微细加工仍存在某些
问题。把这种激光器 叫做皮瓦（Ｐｉｃｏｗａｔｔ）光器，波长为１０６４ｎｍ 线偏振
并 且早已相当成熟．而后者，即飞秒脉冲激光器 的使用正在逐渐显示其重要性。虽然评估
脉 冲周期＜几十纳秒激光器的使用寿命的工 作还有待进一步展开，但其优越性已显著超
过飞秒级激光器。利用ＩＭＲＡ公司（ＡｎｎＡｒｂｏｒ Ｍｉｃｈｉｇａｎ 孔的加工质量
非常好。此外，几乎没有发现诸 如用准分子激光
输出光束，光束质量因子Ｍ２＜１．２。这 光机电信息７／２００１ 万方数据 ＯＭＥ Ｉ
ＮＦＯＲＭＡＴｌ０Ｎ Ｎｏ，７。２００ｌ，再加 上它们尺寸小、效率高、运行费用低并
易于 使用，因此这种类型的激光器会在ＣＶＤ金刚 石加工方面特别有用。 用不锈钢样品
做了类似的加工试验，样品的厚度为５０ｍ一７５¨ｍ。样品放在移动速度为１０ｍｍ／ｓ
相关应用。额外，述给：出了用垂纳秒圈体纤雏激光器进行微细加工获得 鲮初涉结果；最
后叙述了席超短脉冲激光器进行激光微
激光微激光微
飞秒激光微纳加工用途
飞秒激光微纳加工用途
飞秒激光微纳加工是一种高精度、高效率的微观加工技术，利用飞秒激光的特殊能量特性，可以对各种材料进行微细加工。
这种技术广泛应用于微纳电子、光学器件、生物医学、光子学等领域，在改善设备性能和提高产品质量方面发挥了巨大作用。
以下是飞秒激光微纳加工的主要用途：
1.微电子加工：飞秒激光可以用于制作微电子元器件，例如微型传感器、微电极和微通道等。
这种高精度加工技术可以提高电子元器件的性能和可靠性。
2.光学器件加工：飞秒激光可以用于制作微型光学器件，如光纤连接器、光波导和微型透镜等。
通过精确控制激光参数和加工条件，可以实现高精度和高质量的光学器件加工。
3.生物医学应用：飞秒激光微纳加工在生物医学领域有广泛应用。
可以通过飞秒激光实现细胞操作、组织修复和细胞杀伤等操作。
这种精确控制的加工技术在生物医学领域有着重要的应用前景。
4.材料改性和表面处理：飞秒激光可以用于材料表面的微纳改性和处理。
通过控制激光能量和作用时间，可以实现材料表面的微纳结构化、溅射和烧蚀等处理，从而改善材料的性能和表面特性。
5.光子学器件加工：飞秒激光可以用于制作微型光子学器件，如集成光路和微型光电子器件等。
这种高精度加工技术可以实现光子学器件的高集成度和高可靠性。
总的来说，飞秒激光微纳加工技术在微纳加工领域有着广泛的应用前景。
它具有高精度、高效率和可控性等优点，可以对各种材料进行精确加工和处理。
随着科学技术的不断发展，飞秒激光微纳加工技术在各个领域的应用将会越来越广泛。
飞秒激光制备金属表面微纳结构及其技术应用
飞秒激光制备金属表面微纳结构及其技术应用近年来，随着金属表面微纳结构的广泛研究，其在航空航天、医疗、汽车和光电子等领域的应用也日益普及。
其中，飞秒激光制备金属表面微纳结构既可以提高表面结构形貌，同时又不会损坏原有材料和特性，是目前制备表面微纳结构的一种新兴技术。
一、飞秒激光制备表面微纳结构的原理飞秒激光制备表面微纳结构方法是一种新型的表面制备技术，它采用飞秒激光作为过程能源，以较低的能量对金属表面进行加工，使其形成特定的表面微纳结构。
在微结构加工过程中，激光能量产生分子能带，而这种由被激光到达光波耦合，电场产生的能带作用在金属表面上形成强大的抽取区，产生电子团子及电离现象。
这样，就产生了周围空位，也形成了微纳结构。
二、飞秒激光制备表面微纳结构的优势首先，它不会损坏表面原有材料和特性，无损获取表面微结构；其次，处理后的表面结构的均匀性比传统方法更好，更能满足精度要求；再次，它可以得到精细的表面微网状结构，对改变表面特性有很大的帮助。
最后，飞秒激光制备表面微纳结构技术可以制备出具有自旋特性表面，从而有效改善表面光滑度，提升表面积、抗氧化性能和耐蚀性等特性。
三、飞秒激光制备表面微纳结构的应用飞秒激光制备表面微纳结构在航空航天领域有着广泛的应用，其特殊表面结构可用来优化动静特性以及改善其耐腐蚀和抗冲击特性；在空间应用，采用该技术制备的金属纳米表面结构可以抵抗宇宙辐射的侵蚀；在医疗领域，可以应用其制备出的有特性的表面结构，提升材料的生物相容性和体外悬浮时间;对于汽车行业，飞秒激光可获得高精度的微型螺旋弹片，用于改善发动机效率；在光电子领域，利用制备的表面微纳结构可以极大的提高表面的反射率，改善表面光性能，以及提高元件的高频响应。
四、结论飞秒激光制备表面微纳结构技术是一种新兴、无损的表面制备技术，它可以产生精细的表面微结构形貌，可以改善表面性能，改善传统材料的表面光滑度、抗氧化性等特性，并且具有较大的应用潜力。
飞秒激光烧蚀光斑图像的周期灰度变化分析
第42卷第3期 激光杂志Vol.42，N a3 2021 年 3 月LASER JOURNAL March,2021飞秒激光烧蚀光斑图像的周期灰度变化分析王福斌1，孙志林1，刘梦竹1，Paul Tu21华北理工大学电气工程学院，河北唐山063210;2卡尔加里大学机械及制造工程系，加拿大卡尔加里T2N 1N4摘要:在不同的飞秒激光烧蚀功率下，由于核心烧蚀区被烧蚀掉的材料体积不同，使得衍生的等离子体 发光强度也不同。
因此，有必要研究序列烧蚀光斑图像灰度变化与烧蚀工艺之间的关系。
首先，连续采集2 400帧光斑图像，获得光斑图像的灰度周期变化曲线，并对曲线进行小波去噪处理；其次，分析光斑图像周期性 灰度变化曲线与烧蚀加工周期间的关系；再次分析了不同烧蚀状态下的光斑图像熵与光斑图像灰度间的对应 关系；最后，分析了同一烧蚀功率，不同烧蚀时刻下烧蚀光斑图像灰度变化的稳定性。
研究结果表明：烧蚀光斑 灰度的周期变化与激光工作台的周期运动一致。
在工作台向左或向右运动时，烧蚀过程是稳定的，光斑较亮。
而在左右端点处，烧蚀光斑灰度值较低。
关键词：飞秒激光；光斑图像；激光烧蚀；图像灰度中图分类号：文献标识码：A doi：10. 14016/ki.jgzz.2021.03. 126Analysis of periodic gray level change of spot image ablated by femtosecond laserWANG Fubin1, SUN Zhilin1，LIU Mengzhu1，Paul Tu21School o f Electrical Engin eering, North China University o f Science and Technology, Tangshan H ebei，063210，C h ina;2 Department o f M echanical and M anufacturing Engineering, University o f Calgary ^C algary C an a da,72A^1A^4, CanadaAbstract：Under different femtosecond laser ablation power,due to the different volume of the ablated material in the core ablation region,the emission intensity of the derived plasma is also different.Therefore,it is necessary to study the relationship between the grey level change of sequential ablation spot image and ablation process.Firstly, 2400 frames of spot images are collected continuously to obtain the spot image*s grey periodic curve,and the wavelet denoising is performed on the curve.Secondly,the relationship between the spot image?s periodic grey change curve and the ablation cycle is analysed.Thirdly,the corresponding relationship between the spot image1s entropy and the spot image*s grey level under different ablation states is analysed；Finally,the stability of grey level change of ablation spot image under the same ablation power but different ablation time is analysed.The results show that the periodic change of the ablated spot’s grey level is consistent with the laser table’s periodic motion.When the worktable moves to the left or right,the ablation process is stable,and the spot is bright.However,the ablated spot*s grey value is low at the worktable*s left and right ends.Key words：femtosecond laser；spot image；laser ablation；image grayscalei引言飞秒激光作为超精细微纳加工手段受到了越来收稿日期:2020-10-14基金项目：河北省专业学位教学案例（库）建设项目（N o.KCJSZ20I9096) 通讯作者：王福斌（ 1968-),男，副教授，博士，主要研究方向：机器视 觉、飞秒激光烧蚀微尺度结构图像分析。
1064nm纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究
纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究*1064 nm 杨宏道 李晓红李国强 袁春华 唐多昌 徐 琴 邱 荣 王俊波( 西南科技大学理学院激光与光电子实验室，极端条件物质特性实验室，绵阳 621010 )(2010 年 3 月 17 日收到;2010 年 5 月 7 日收到修改稿)利用 Nd :YAG 纳秒激光( 波长为 1064 n m ) 在不同气氛( 空气、N 2 ，真空) 中对单晶硅进行累积脉冲辐照，研究了 表面微结构的演化情况. 在激光辐照的初始阶段，与 532 和 355 nm 纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同，1064 nm 脉冲激光诱导 出了微孔结构和 折 断 线 结 构，并且硅的晶面取向不同，相应的折断线结构也不同. 对 于 Si (111 ) 面，两条折线交角为 120 ° 或 60 ° ，形成网状;而对于 Si (100 ) 面，两条折断线正交，从而将表面分成了 15 —20 μm 的矩形块. 结果表明，微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关，而折断线的形成主要是热应力作用的结果. 不同 气氛对微结构形成的影响表明，刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系.关键词: 纳秒激光，硅的微结构，相爆炸，热应力P A C S : 79 . 20 . E b ，61 . 72 . u f ，68 . 37 . － d引 言 2 . 实 验1. 实验采用单面 抛 光 (100 ) 和 (111 ) 取 向 的 两 种单晶硅片. 首先把硅片切成 1 cm × 1 cm 小片，再将样品在丙酮和甲醇中分别超声清洗 15 m i n ，用氮气将硅片吹干，然后将单晶硅样品固定在样品台上.实验中 采 用脉冲持续时间 10 ns ，基 频 波 长 1064 nm 的 Nd :YAG 纳 秒 脉 冲 激 光 器，脉 冲 激 光 通过焦距为 25 cm 的 聚 焦 透 镜 垂 直 入 射 到 硅 样 品 表面，辐照脉冲 数 通 过 机 械 快 门 来 控 制. 纳 秒 激 光 脉 冲的空间强度分布为近高斯型，聚焦后辐照到样品上的光斑直 径 为 300 —500 μm ，实 验 所 采 用 的 激 光能量密度为4. 5 J / cm 2，激光辐照后的样品通过扫描电子 显 微 镜 ( TM -1000 型 S E M ，日 立 公 司 ) 进 行分析.利用脉冲激 光 对固体材料进行表面修饰和改 性［1 —20 ］是近年来广泛研究的一个领域. 早期的研究 主要是利用脉冲激光在相对较低的能量密度 ( E d < 1 J / cm 2 ) 下辐照材料表 面，可 获 得 波 纹 状 周 期 表 面结 构 ( L aser -I nduced Periodic Surface S t ruc t uresLIPSSs )［3 ］. 这种周 期 性 结 构 已 经 在 金 属、陶 瓷、聚合物和半导体材料［6 —9 ］上得到 了 广 泛 的 研 究. 随 着对脉冲激光诱导固体表面微结构研究的不断深入， Mazur 等［16 —18 ］发现用 能 量密 度在烧蚀机理范围内的激光照射硅，累积一定的脉冲数可形成锥形尖锋 结构. 硅的这种微结构以其优异的光电性能已成为 下一代新型的光电材料［16 —19 ］. 为了研究硅在激光脉 冲的辐照下表面如何形成三维周期微结构，我们利 用 Nd :YAG 纳秒激光对硅做了研究［21 ］，在 SF 气氛 6或空气中激 光 脉 冲 累 积 辐 照 单 晶硅均可产生锥形 尖峰结构. 为了更详细地了解微结构的生长及环境 条件的影响，利用波长为 1064 nm 的 Nd :YAG 纳秒 激光，在不同气氛环境下对硅表面进行累积脉冲辐 照，研究了表 面 微 结 构 的 演 化 情 况，分 析 了 不 同 晶3 . 实验结果及分析3. 1. 空气中的情况图 1 为 1064 nm 脉冲激光在空气中作用于不同J / cm 2) 辐 照 硅 片 时，硅 表 面 出 现 了 折 断 和 微 孔 现 象. 对于 Si (111 ) 面，两条折线相交为 120 ° 或 60 ° 形 成网状( 如图 1 ( a ) 所 示) ;而 对 于 Si (100 ) 面，两 条 折断线相 交 90 ° ，形 成 格 子 状，从 而 将 表 面 分 成 了 15 —20 μm 的矩形块( 如图 1 ( b ) 所示) . 折断线的出 现与单晶硅的晶面取向有密切的关系. 当材料表面的形式向内 扩 散，使 材 料 内 部 形 成 非 均 匀 温 度 场.在激光加热形成的非均匀温度 场 和 变 形 约 束 作 用下，材 料 中 便 产 生 了 热 应 力，即 激 光 热 应 力［22 ］. 因 此可以认为这种折断线结构是 激 光 脉 冲 在 硅 表 面 累积产生的热应力效应.图 1 1064 nm 脉冲激光在空气中作用不 同 晶向 硅表面形成折断的形貌 N = 10 . ( a ) Si ( 111 ) 面，( b ) Si (100 ) 面在我们前面的研究［23 ］中发现，脉冲激光的波长 是 355 和 532 nm 时，在几个脉冲的作用下，硅表面出现的一般 是 波 纹 结 构，而 不是折断线结构. 由 于 光吸收率很小，结 合 文 献［17 ］可 知，硅 对 355 ，532 ，1064 nm 波长的 光 的 吸 收 率 依 次 减 小. 由 此 认 为 不同波长的脉冲激光与硅相互作 用 形 成 不 同 的 结 构 与硅 对 各 种 波 长 的 光 的 吸 收 率 的 差 异 有 密 切 的 关系.硅的禁带宽度为 1. 1 eV ，由 h ν = E g 可得出吸收光 的截止波长( λ = c / ν，c 是光速) 为 1. 127 μm . 1064 nm 因为很接近截止波长，所以硅对 1064 nm 波长的图 2 1064 nm 脉冲激光在空气中作用不同晶向硅表面形成微结构的形貌 ( b ) 为Si (100 ) 面N = 2000 . ( a ) 为 Si (111 ) 面， 图 2 是 1064 nm 脉冲激光对不同晶向的硅表面在空气中累积脉冲数达到 2000 时形成的微结构的 形貌图. 由图 2 ( b ) 不难看出，Si (100 ) 面形成的微结 构排列较整 齐;而 Si (111 ) 面 微 结 构的排列要凌乱 一些( 如图 2 ( a ) 所 示) . 这表明 单 晶硅在激光脉冲累积作用下产生的微结构与晶面取向有关. 氮气中的情况3. 2. 图 3 为利用 1064 nm 纳秒脉冲激光在氮气中辐照 S i (100 ) 表面的形 貌 演 化 过 程 ( 激光能量密度为4. 5 J / cm2 ，100 kPa). 当作用10 个脉冲后，硅表面开始变得粗糙(图3 (a ))，同时有突起和微孔(2 —3 μm)产生. 随着脉冲数的增加(50 个)，突起更加明显，微孔也更大更多(图3 (b )). 当脉冲数增加到100 个时，相邻的微孔变大，相连，变成沟槽状(图3(c)). 脉冲数达到200 个时，沟槽数量已变得非常多(图3 (d)). 2000 个脉冲后，辐照区域的中央便形成较钝的锥形微结构(图3 (e )). 由其放大倍率的SEM 图可知，微结构的尺寸大小约为20 —30 μm，数密度约为2. 9 ×10 4 spike / cm2 .(a)N = 10 ，(b)N = 50 ，(c)N = 100 ，(d)N = 200 ，(e )N =图3 N2 环境中1064 nm 脉冲激光作用下硅表面形貌的演化过程2000 ，(f)，(g)，(h)分别为(e)，(a)及(b)的放大图在激光辐照的初始阶段(脉冲数为10 —50 个)，我们通过观察高倍率放大的SEM 图(图3 (g )，(h))，发现硅表面同样出现了大小不等的微孔和折早是在与亚表面过热效应相关的激光烧蚀领域中出现的［26 ］. 当硅被波长1064 nm 纳秒激光(脉宽为15 ns)辐照后，出现了微米量级的空洞、裂缝、被困在解理面处断裂，则此处硅原子之间的作用力也较 弱，所以在折断线附近出现微孔结构的概率也就会 相对较大. 因 此，硅 表面微孔和颗粒状的物质的形 成与相爆炸和亚表面过热效应有密切的关系. 出，在真空、氮气或空气中均可形成锥形结构，但在 真空中形成 的 较 钝、且 顶 部 光 滑，在 氮 气 中 形 成 的 较规则，而在 空 气 环 境 下 形 成 的 则 很 不 规 则. 同 时 可以看出，三种气氛下微结构的数密度有很大的不 同. 经过估算，空气、氮气和真空中硅的微结构数密度依次为 1. 5 × 10 5，3 × 104 和 1. 8 × 10 4 spike / cm 2 . 3. 3. 不同环境的比较图 4 是 1064 nm 脉冲激光在各种不同气氛下作图 4 1064 nm 脉冲激光在各种不同气氛下作用于硅表面产生的微结构的 SEM 图 能 量 密 度 均 为 4. 5 J / cm 2，N = 2000 ， ( a ) 空气，( b ) N 2 ，( c ) 真空在本实 验 条 件 下，空 气 中 由 于 氧 的 存 在，因 此其氧化性比氮气及真空中要强. 氮气在常温常压下 是比较稳定 的 气 体，但是在纳秒激光辐照下，由 于 聚焦后的激光具有相当高的峰值功率，当激光辐照 在硅表面时，会在较短的时间内使被辐照的区域处 于高温高压环境下，而此时与被辐照表面接触的氮 气也会处于该环境中. 所以当氮气处于高温高压环 境中时，就会 表 现 出 氧 化 性. 由于真空中受环境气 体的影响最小，即在激光辐照下真空环境表现出来 的氧化性也应该比氮气环境小. 而一般气体氧化性越强，则刻蚀率越大［10 ］. 因此，空气、氮气、真空中硅的刻蚀率依次减小. 接下来考虑气体环境对微结构生长率的影响，Lowndes 等［10 ］认为 若 硅 液 滴 保 持 的时间为 200 ns ，微结构在 200 个 脉 冲 作 用 下 其 直 径中) ，0. 06 m / s ( N 2 中) 和 0. 05 m / s ( 空 气 中) . 比 较微结构的生长 率，发 现 真 空、N 2 和 空 气 下 生 长 率 依次变小，与刻 蚀 率 的 变 化 截 然 相 反. 这 是 因 为 微 结构的生长率主要是由形成的尺寸来表征的，而刻蚀 率是由不同气氛环境来决定的.4 . 结 论我们用波长 1064 nm 的 Nd :YAG 纳秒脉冲激光 在一定能量密度和脉冲数下对单晶硅在空气、真空和 N 环境下 进 行 连 续 辐 照，发 现 均 可 形 成 锥 形 微 2 结构，并研究了影响微结构的若干因素. 不同于 532和 355 nm 波长激光辐照下硅表面出现的波纹结构，发现当脉冲数为 10 —50 个时，1064 nm 激光辐照硅 表面出现了折线和微孔的结构，此过程中可能发生 了相爆炸. 对 于 折 断 线 结 构，主 要 是 热 应 力 作 用 导 致的结果. 最 后，对 比 发 现 不 同 气 氛 对 微 结 构 形 成 有很大的影响，表明生长率和刻蚀率与微结构的形 成有密切的关系.长大到 20 μm ，此 时 微 结 构 的 生 长 率 则 为 100 nm / 200 ns 或 0. 5 m / s. 即 G r = D / τN ，其中 G r 为生长率， D 为微结构的直径，N 为激光作用的脉冲数，τ 为硅 液滴保持的时间. 而由图 4 测得真空、N 2 ，空气中的锥形微结构的直径依次 约 为 44 ，24 ，20 μm . 因 此 便 可得出锥形微结构的生长率分别为:0. 11 m / s ( 真空［1 ］ Chen B ，Y u B K ，Yan X N ，Qiu J R ，Jian g X W ，Zh u C S2004 C h i n . 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B 19 034204Silicon surface microstructures created by1064 nm Nd∶YAG nanosecond laser*Yang H on g-D a o Li X i a o-H on g Li G u o-Q i a n g Yuan C h u n-H ua Tang D u o-C h a n gXu Qin Qiu Rong Wang Ju n-B o( L a se r and p ho t o e l e c tr o n L a b o r a t o r y，S ch oo l of S c i e n c e，L a bo r a t o r y of M a tt e r C h a r a c t e r i s t i c R e se a r ch at E x tr e m e C o n d i t i o n s，So u t h w e s t U n i v e r s i t y of S c i e n c e and T e ch n o l o g y，M i a n ya n g621010 ，C h i n a)( Received 17 March 2010 ; revised man uscript received 7 May 2010 )A b s t rac tWe investigated the evolution of surface microstructures creat ed on single crystal silicon wafers by the cu m u l a t i v e N d ∶YAG nanosecond laser pulses ( wavelength 1064 nm ) in different atmospheres ( N，air and vacuum ) . Micropore2structure and the fracture lines are formed after irradiation of a few laser pulses，compared with ripple structures created b y laser pulses of wavelengths of 532 and 355 nm . The fracture line structure is different for (111 ) and (100 ) silicon . The fracture lines have 60 ° and 120 °intersections for (111 ) silicon . For (100 ) -o r i e nt ed silicon wafers，two sets of fracture lines intersect at 90 °to form a grid that divides the surface into rectangular blocks with side length of from 15 to 20 μm . We think that phase explosions are responsible for t he growth of micropore structure. The fracture lines are mainly due to thermal stress. Finally，We studied t he formation of microstructures under different atmospheres，and the results show th a t it is closely related to the etching and growth ra t e.K e yw o r d s: nanosecond laser，microstructure of silicon ，phase e x p l o s i on，thermal s t ressP A C S: 79 . 20 . E b，61 . 72 . u f，68 . 37 . －d* Pro ject supported by the Scie ntific Rese rch Fund of Sich uan Pro vinc ial Ed ucation Depa rtment，China ( Grant Nos. 08 ZB006 ，09 ZA128 ) ，t he Research Fund of So uthwe st University of Sc ience and Technolo gy，Ch ina ( Grant No. 06 ZX7113 ) and the Foundation of Science and T e chn o l o gy Depatrm ent of Sich uan Province，China ( Grant N o. 07 JY029 -150 ) .Correspond ing a uthor. E-m ail: li_xh1125 @ yahoo. c o m. cn。
飞秒激光加工的技术体系
飞秒激光加工的技术体系飞秒激光加工技术体系引言飞秒激光加工技术是一种高精度、高效率的微纳加工工艺，具有广泛的应用前景。
本文将从基本原理、加工特点、应用领域和发展前景等方面介绍飞秒激光加工技术体系。
一、基本原理飞秒激光加工技术是利用飞秒激光的瞬间高能量密度作用于材料表面，实现材料微纳加工的一种方法。
飞秒激光的特点是脉冲宽度极短，通常在飞秒级别（1飞秒=10^-15秒），能量较高。
这种短脉冲的高能量密度能够在纳秒级别内将材料表面局部加热到临界温度，引起材料的蒸发、熔化或者化学反应，实现微纳级的加工。
二、加工特点1. 高精度：飞秒激光加工技术能够实现纳米级的加工精度，由于脉冲宽度极短，加工过程中热影响区域较小，减少了材料的热变形，从而提高了加工的精度。
2. 无热损伤：由于飞秒激光加工过程中的热影响区域很小，材料几乎没有受到热损伤，可以实现对一些易受热损伤的材料进行精细加工。
3. 无微裂纹：飞秒激光加工技术能够实现无微裂纹的加工，因为飞秒激光加工过程中能量的输送速度非常快，几乎没有时间给材料形成微裂纹。
4. 宽材料适应性：飞秒激光加工技术适用于多种材料，如金属、半导体、光学材料等，具有较好的材料适应性。
三、应用领域1. 微电子加工：飞秒激光加工技术在微电子领域有广泛的应用，可以用于制作微电子元件、微结构和微通道等。
2. 光学加工：飞秒激光加工技术可以实现光学元件的表面修复、光栅制作和光波导加工等。
3. 生物医学加工：飞秒激光加工技术在生物医学领域可以用于细胞穿孔、细胞切割和组织切割等。
4. 硅片加工：飞秒激光加工技术可以用于硅片的切割、钻孔和结构加工等。
5. 纳米加工：飞秒激光加工技术可以实现纳米级的加工，可以用于纳米结构的制备和纳米材料的修复等。
四、发展前景飞秒激光加工技术具有很高的发展前景。
随着科学技术的不断发展，飞秒激光加工技术将进一步提高加工精度和加工效率，拓宽应用领域。
同时，飞秒激光加工技术还可以与其他技术相结合，如光学成像、自动控制等，实现更加智能化的加工过程。
基于空间光调制技术的飞秒激光微纳加工
内容摘要飞秒激光加工表面微纳米结构作为一种新型的、多用途的纳米材料制备技术被广泛应用于物理、生物、信息等多领域中，然而传统的飞秒激光加工往往采用逐点扫描的方法，效率低下。
借助于LCoS SLM (Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator)的空间光调制技术能够通过相位调制实现对飞秒激光焦平面光场的空间整形，将其用于无掩膜并行加工，可以在保证加工精度的同时极大提升加工效率。
本文研究了空间光调制器的构造和工作原理，对基于LCoS SLM的多种光场图形化算法进行了分析、模拟、改进和实验验证，主要研究结果如下：首先，本文研究并总结了基于时空干涉的新型空间整形系统的原理，它相比传统技术更加简单灵活并有更高的效率。
然而此技术中的缩束系统造成的成像畸变严重影响了加工的准确性。
本文模拟并分析了该系统中的畸变现象，利用空间光调制器的相位全息图补偿畸变引起的空间光场的位置变化和光强分布不均。
此方法可使曝光处干涉图案的最大偏移量由10.66 μm趋近于0，在实验中将相对最大偏差由60.42 %降至8 %以下，并使该处二维光强分布趋近于平顶光。
该算法降低了时空干涉的飞秒激光空间整形技术对于缩束成像系统的设计需求，节省了成本与时间。
基于以上方法，在不锈钢表面拼接加工出了1.5 × 1.5 mm的具备多级别防伪能力的二维码图案。
此外，本文还模拟并验证了借助MPFL(Multiplexed Phase Fresnel Lenses)算法实现的多路菲涅尔透镜全息图和对其改进得到的柱透镜全息图，成功将激光光场调制为点阵和直线分布，并通过GS(Gerchberg–Saxton)算法和GSW(Weighted Gerchberg–Saxton)算法得到了将光场调制为面状分布的计算全息图，大幅提升了焦平面处的光强均匀性。
关键词：飞秒激光，空间光调制器，微纳加工，无掩膜加工ABSTRACTAs a new multi-purposed nanomaterial processing technology, the surface micro-nanostructures processed by femtosecond laser are widely used in many fields, such as physics, biology and information. The spatial light modulation technology based on LCoS SLM(Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator) can realize the spatial shaping of femtosecond laser focal plane light field through phase modulation, which can apply to the parallel processing without mask, so as to ensure the processing precision as well as to raise the efficiency much higher than the traditional point by point scanning processing technology.This work introduces the structure and working principle of spatial light modulator, and does some analysis, simulation and improvements on a series of optical field graphics algorithms based on LCoS SLM. A series of experiments are applied to verify that.This work will investigate and summarize principles of a spatial shaping system based on the spatiotemporal interference which is more easy, flexible and efficient than traditions. However, the imaging distortion introduced by the shrink-beam system has huge influence on the accuracy of processing. This work simulates and analyzes the distortion of the systems, and provides a method to adjust the phase hologram from a spatial light modulator via compensating for the position changes and the uneven light distribution from the distortion. The method can make the maximum deviation of the interference pattern near the exposure point approach 0 from 10.66 μm, the relative maximum deviation reduce from 60.42 % to under 8% and the two-dimension light intensity distribution get close to flat-top. The algorithm reduces the design requirement on the system, cost and time are saved. Thehigh-precision large-area micro-nanostructures are realized successfully fabricated on a stainless steel surface based on this system, including the 1.5 × 1.5 mm QR code with multi-level anti-counterfeiting ability.Furthermore, the multiplexed Fresnel lens hologram are simulated by using the MPFL(Multiplexed Phase Fresnel Lenses). The cylindrical lens hologram is obtained by improving simulation, which modulates the laser field into dot matrix and linear distribution. By using the GS algorithm and the GSW algorithm, a computer hologram to modulate the light field into a planar distribution is obtained. The light intensity uniformity is immensely improved at the focal plane.Keywords: [Femtosecond laser] [Spatial light modulator] [Micro/nano fabrication] [Maskless fabrication]目录内容摘要 (I)ABSTRACT (i)第1章绪论 (1)1.1 飞秒激光加工技术 (1)1.2 飞秒激光加工表面微纳米结构的特性及应用 (2)1.3 空间光调制技术用于加工表面微结构 (4)1.4 课题的意义和主要研究内容 (5)第2章空间光调制技术研究 (8)2.1 空间光调制器介绍 (8)2.2 空间光调制器的构造和原理 (9)2.3 本章小结 (13)第3章基于时空干涉的空间整形畸变校正及加工应用 (14)3.1 基于时空干涉的空间整形的优势与缺陷 (14)3.2 实验装置 (16)3.3 畸变校正的算法与模拟 (17)3.4 光强校正的算法与模拟 (19)3.5 畸变与光强校正的实验验证 (22)3.6 畸变与光强校正用于拼接制备大面积微结构 (24)3.6.1 拼接微结构的试验 (24)3.6.2 拼接制造基于二维码的多级防伪结构 (26)3.6.3 拼接制造仿生疏水结构 (29)3.7 本章小结 (30)第4章基于MPFL算法的点阵与线状分布光场空间整形 (31)4.1 MPFL算法的原理和改进 (31)4.2 “点”与“线”空间整形的实验验证 (32)4.3 本章小结 (34)第5章基于GS算法的平面衍射光场整形 (35)5.1 衍射光学元件 (35)5.2 GS算法的原理和模拟 (35)5.3 对GS算法的改进和模拟 (38)5.4 实验验证 (41)5.5 本章小结 (43)第6章结语 (45)总结 (45)展望 (46)科研成果 (47)参考文献 (48)致谢54第1章绪论1.1 飞秒激光加工技术激光拥有极高的单色性、方向性、相干性和相比普通光源超高的亮度（能量输出）等特点[1]，此外还可根据对功率、波长、脉宽等多种需求进行选择和适配。
激光技术在材料加工中的创新研究
激光技术在材料加工中的创新研究在现代工业领域，材料加工技术的不断进步对于提高产品质量、降低生产成本以及推动创新发展具有至关重要的意义。
激光技术作为一种先进的加工手段，在材料加工领域展现出了巨大的潜力和创新应用。
激光技术的基本原理是通过受激辐射产生高能量、高方向性和高单色性的光束。
这种特性使得激光能够以极高的精度和效率对材料进行各种加工操作。
与传统的加工方法相比，激光加工具有许多显著的优势。
首先，激光加工具有极高的精度。
它能够实现微米甚至纳米级别的加工精度，这对于制造微型电子元件、精密机械零件等高精度产品具有不可替代的作用。
例如，在半导体芯片制造中，激光光刻技术可以在硅片上刻画出极其细微的电路图案，从而实现芯片的高度集成化。
其次，激光加工的热影响区很小。
在加工过程中，激光束能够迅速将能量集中在极小的区域内，使得材料瞬间熔化或气化，而周围区域受到的热影响较小。
这有助于减少材料的变形和残余应力，提高加工质量。
例如，在激光切割金属板材时，切口边缘光滑平整，几乎无需后续的打磨处理。
此外，激光加工具有很强的适应性。
它可以加工各种类型的材料，包括金属、非金属、陶瓷、复合材料等。
而且，对于复杂形状的零件，激光加工也能够轻松应对，实现一次成型。
在材料切割方面，激光切割技术已经得到了广泛的应用。
传统的切割方法如机械切割、火焰切割等往往存在切割精度低、切口质量差、材料浪费严重等问题。
而激光切割技术则能够克服这些不足，实现高质量、高效率的切割。
例如，在汽车制造中，激光切割技术可以用于切割车身板材、车架零部件等，不仅提高了切割精度和速度，还减少了模具的使用，降低了生产成本。
激光焊接是激光技术在材料加工中的另一个重要应用领域。
与传统的焊接方法相比，激光焊接具有焊缝窄、深度大、焊接速度快、焊接强度高等优点。
在航空航天领域，激光焊接技术被用于焊接飞机机身结构件、发动机零部件等，提高了结构的强度和可靠性。
在电子设备制造中，激光焊接技术可以实现微型电子元件的封装，确保了产品的稳定性和可靠性。
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。
短脉冲激光对材料的微纳加工研究
短脉冲激光对材料的微纳加工研究短脉冲激光是一种尖端的微纳加工工具，由于其高能量浓度、高处理速度、无热效应等优点，被广泛应用于微纳加工领域。
本文将介绍短脉冲激光对材料的微纳加工研究。
一、短脉冲激光简介短脉冲激光是一种时间长度在皮秒、飞秒甚至亚飞秒以下的激光。
与常规激光相比，短脉冲激光具有以下特点：1.高能量密度：短脉冲激光的能量密度远高于常规激光，能量浓度可达百万亿级别。
2.高处理速度：由于短脉冲激光的能量密度极高，处理速度也随之提高。
3.无热效应：短脉冲激光的脉冲时间极短，瞬间作用于材料表面，避免了对材料的热影响。
二、短脉冲激光在微纳加工中的应用短脉冲激光在微纳加工中被广泛应用，包括微电子学、生物医学和材料科学等领域。
下面将就短脉冲激光在微纳加工中的应用做详细介绍。
1.微电子学短脉冲激光在微电子学中的主要应用为半导体材料刻蚀和蚀刻。
半导体器件的制造过程中，需要在半导体材料表面和表面之间形成不同形状、深度和宽度的结构。
由于短脉冲激光具有高能量密度和高处理速度的特点，可以较快地去除材料表面的层并形成高质量的微细结构。
2.生物医学短脉冲激光在生物医学中的主要应用为细胞图案刻印和蛋白质微阵列制备等。
短脉冲激光可以刻印出各种形状与结构的细胞图案。
通过刻印不同形状的细胞图案，可以研究细胞的形态、分子调控以及细胞在不同生长环境下的行为。
通过利用短脉冲激光在微纳米尺寸上的加工能力，可制备出高质量的蛋白质微阵列，以实现生物传感、医学诊断等领域的应用。
3.材料科学短脉冲激光在材料科学中的主要应用为表面微纳加工、精细切割和合成颗粒等。
表面微纳加工利用短脉冲激光去除物质表面，可制备出高质量的微纳结构，也可以通过选择不同的激光参数来实现特定形状和表面结构的制备。
精细切割利用短脉冲激光的高精度和高速度，可将材料切割成特定形状的零件。
合成颗粒利用短脉冲激光高能量密度和高处理速度的特点，能在极短时间内合成具有特殊结构和性质的微纳颗粒。
不同气氛下飞秒激光诱导硅表面微结构
对 比空 气 、Ｆ Ｓ 。和真 空 中 的微 结 构 发 现 ， 峰 的 数 密 度 依 次 减 小 ；Ｆ 尖 Ｓ 中形 成 的 尖 峰 高 度 最 大 ， 次 为 真 空 ， 其 再
表 面 微 结 构 的演 化 。在 Ｓ 气 氛 中 ， 激 光 辐 照 的初 始 阶段 ， 表 面 形 成 了 １ 的 波 纹 结 构 ， 着 辐 照 脉 冲数 Ｆ 在 硅 维 随 的 增 加 ， 纹 结 构 演 化 成 了 ２维 凹 凸 结 构 。 累 积 ６ ０ 脉 冲后 ， 表 面 产 生 了 准 规 则 排 列 且 具 有 大 纵 横 比 的锥 波 ０个 硅
次 为 空 气 。研 究 结 果 表 明 ， 空 、 Ｆ 真 Ｓ 和空 气 ３ 环 境 下 微 结 构 的 形 成 及 表 面 形 貌 主 要 由 激 光 烧 蚀 、 学 刻 蚀 种 化
和 氧化 决定 。
关 键词 ： 飞 秒 激 光 ； 激 光 诱 导 ； 硅 ； 表 面 微 结 构 中 图分 类号 ： Ｔ ４ Ｎ２ ９ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｐ ２ １ ２ Ｉ ． ７ ９ ｏ：０ ３ ８ ／ Ｌ Ｂ ０ ０ ２ ｉ ２ ４
不 同气 氛 下 飞 秒激 光诱 导 硅 表 面 微 结构
袁春华， 李晓红， 唐多昌， 杨宏道， 李国强
（ 西南 科 技 大 学 理 学 院 激 光 与 光 电 子 实 验室 ，极 端 条 件 物 质 特 性实 验 室 ，四 川 绵 阳 ６ １ １ ） ２ ０ ０
摘
要 ： 利 用 钛 宝 石 飞 秒 激 光 脉 冲 对 单 晶 硅 在 Ｓ 空 气 和 真 空 环 境 中 进 行 了 累 积 脉 冲 辐 照 ， 究 了硅 Ｆ、 研
《飞秒激光在石英玻璃上的微结构加工技术研究》
《飞秒激光在石英玻璃上的微结构加工技术研究》一、引言随着科技的不断进步，微纳米技术已经成为众多领域中的关键技术之一。
飞秒激光技术在微结构加工中有着突出的应用效果，其在石英玻璃等材料上的微结构加工具有独特的技术优势。
本文旨在深入探讨飞秒激光在石英玻璃上微结构加工的技术原理和实验研究，为该技术的进一步发展和应用提供理论依据和实验支持。
二、飞秒激光技术概述飞秒激光技术是一种利用飞秒级脉冲激光进行材料加工的技术。
其激光脉冲宽度极短，能量高度集中，能够在材料表面产生高精度的微结构。
飞秒激光加工具有非线性作用、低热影响区、高精度等特点，广泛应用于各种材料的高精度加工中。
三、石英玻璃及其特性石英玻璃是一种高硬度的光学材料，具有优良的光学性能和化学稳定性。
其独特的物理和化学性质使得其在许多领域有着广泛的应用，如光学仪器、光学通信、医疗设备等。
然而，由于其硬度高、脆性大，石英玻璃的加工难度较大。
因此，寻求一种高效、精确的加工方法对于石英玻璃的应用具有重要意义。
四、飞秒激光在石英玻璃上的微结构加工技术（一）技术原理飞秒激光在石英玻璃上微结构加工的主要原理是利用高能飞秒激光脉冲在材料表面产生高精度的微结构。
通过控制激光的能量、脉冲频率、扫描速度等参数，可以在石英玻璃表面实现高精度的切割、打孔、雕刻等操作。
同时，由于飞秒激光的脉冲宽度极短，其热影响区域小，可以降低热损伤和裂纹产生的风险。
（二）实验方法与步骤1. 样品准备：选择优质的石英玻璃作为加工对象，对其进行预处理以获得理想的表面状态。
2. 实验设备：采用先进的飞秒激光加工系统进行实验，包括飞秒激光器、计算机控制系统、三维精密工作台等。
3. 参数设置：根据实验需求，设置合适的激光能量、脉冲频率、扫描速度等参数。
4. 实验过程：在计算机控制下，使飞秒激光器按照预设的路径在石英玻璃表面进行扫描，实现微结构的加工。
5. 结果检测：通过显微镜观察和测量，对加工后的微结构进行精度和质量的检测。
飞秒激光技术在材料表面微加工中的应用
飞秒激光技术在材料表面微加工中的应用飞秒激光技术是一种高精度的激光加工技术，它在微电子学、光学、材料科学、生物医学等领域得到了广泛应用。
利用飞秒激光技术，可以对材料表面进行微加工，实现纳米级的高精度加工，具有很高的应用价值。
飞秒激光技术的基本原理是利用超快速的飞秒激光脉冲，使材料表面的电子受到激发和扰动，进而发生化学反应和物理变化，从而实现表面微加工。
与传统激光加工技术不同，飞秒激光技术的激光脉冲持续时间极短，仅有几飞秒（10^-15 s）的时间，因此可以实现纳米级的高精度加工。
飞秒激光技术在材料表面微加工中的应用非常广泛。
例如，可以利用飞秒激光技术制造微型结构，如微镜头、微透镜等光学元件，在光学领域具有重要的应用价值。
此外，飞秒激光技术还可以制造微型管道、微孔阵列等微流控结构，在生物医学领域具有广泛的应用前景。
最近，飞秒激光技术在材料表面的微加工中又有了新的应用。
研究人员发现，飞秒激光脉冲可以实现材料表面的纳米结构形成，使材料表面具有特殊的物理和化学性质。
例如，可以制造具有超级疏水、超级亲水等特殊表面性质的材料，具有广泛的应用前景。
此外，飞秒激光技术还可以制造具有微纳米结构的超级黑色材料，如碳纳米管阵列、纳米金属阵列等，具有很高的吸光性能，可以应用于太阳能电池、光学传感等领域。
飞秒激光技术在材料表面微加工中的应用还具有很多挑战和问题需要解决。
例如，高能量的飞秒激光脉冲容易导致材料表面的局部熔化和燃烧，影响加工效果。
此外，飞秒激光技术在加工大型工件时面临着加工速度慢、加工质量不稳定等问题。
因此，我们需要进一步深入研究飞秒激光技术在材料表面微加工中的机理和特性，探索新的加工方法和工艺，提高加工效率和加工质量。
总的来说，飞秒激光技术在材料表面微加工中具有广泛的应用前景。
通过不断深入地探索和研究，我们相信飞秒激光技术在材料加工领域的应用会越来越广泛，为我们的科技和生产带来更多的创新和发展。
飞秒激光在材料加工中的热效应研究
飞秒激光在材料加工中的热效应研究飞秒激光是一种高能量、短脉冲、高平均功率的激光，具有独特的物理特性和广泛的应用前景。
在材料加工领域，飞秒激光已经成为一种重要的加工工具。
它能够实现高精度、高效率的微细加工，取得了显著的研究进展。
本文将重点探讨飞秒激光在材料加工中的热效应研究。
首先，我们需要了解热效应在飞秒激光加工中的重要性。
由于飞秒激光的超快脉冲宽度，其能量较短时间内集中在材料表面非常小的区域内，并迅速沉积能量。
这种非线性吸收作用使得材料发生光热效应，导致材料的显微结构和热力学性质发生变化。
因此，研究飞秒激光加工中的热效应对于深入理解材料的物理化学性质、优化加工过程具有重要意义。
其次，飞秒激光加工中的热效应主要表现在材料的热膨胀、熔化和汽化过程中。
飞秒激光脉冲能够在瞬间产生高温，使得材料局部热膨胀，并且由于热惯性的存在，热传导速度很小，导致局部区域发生热应力，进而引起材料的破裂。
另外，当超过材料的熔点时，飞秒激光能够使材料迅速熔化，形成液态区域，并通过表面张力与冷却速率之间的竞争，控制材料的结晶状态。
而当能量密度继续增加时，材料会发生汽化，形成等离子体，从而进一步改变材料的物理性质。
进一步研究飞秒激光加工中的热效应，不仅可以优化加工工艺参数，提高加工效率和质量，还可以拓展新的应用领域。
例如，在微电子器件加工中，了解热效应有助于控制材料的晶格结构和电子输运性质，从而提高器件的性能和可靠性。
在生物医学应用中，通过控制热效应可以实现精确的组织切割、凝固和焊接，为医学手术提供了新的选择。
然而，研究飞秒激光加工中的热效应也面临一些挑战。
首先，由于飞秒激光和材料之间的相互作用很复杂，需要综合考虑光学、热学、动力学等多个因素，建立准确的数学模型。
其次，飞秒激光加工中的热效应通常是瞬态的，需要采用高速成像技术来实时观察和分析。
此外，不同材料对飞秒激光加工中的热效应具有不同的响应，因此需要针对不同材料开展针对性的研究，以实现更好的加工效果。
“飞秒激光微加工
【摘要】飞秒激光微加工技术作为一种新兴的加工技术，具有非接触、效率高、加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维结构微加工等传统技术无法比拟的诸多优点，其应用领域相当广泛。
文章描述了飞秒激光加工透明材料时，激光能量沉积在光学趋肤层，热效应极小的特性。
指出了目前打孔普遍利用激光的直写技术，针孔掩模加工技术可以改善孔形的事实。
最后展望了飞秒激光微加工的研究方向。
【关键词】飞秒激光;微加工;打孔;阈值;优点;前景1.引言激光是在粒子数反转情况下通过受激辐射放大产生的高亮度相干光束，其原理早在1916年就由物理学家爱因斯坦提出，但直到1960年，梅曼（t?maiman）成功制造的第一台红宝石激光器问世[1]，量子光学才由理论研究发展到技术工程。
随着各类激光器的出现，激光器的脉宽急剧缩小，峰值功率大幅提高，可调型和稳定性等优势逐渐凸显，飞秒激光在工业加工领域备受青睐，各界根据不同的需要将其广泛应用于微光学、微电子、微机械、微生物、微医学等领域。
2.飞秒激光脉冲技术1976年，人们首次在染料激光器中实现了飞秒量级的激光脉冲输出[2]。
20世纪90年代初，克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器使得飞秒激光技术获得了一次飞跃发展。
2003年，n h rizvi总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石、陶瓷以及各种聚合物等材料的微加工进展情况，并论证了飞秒激光是一种优秀的微加工光源[3]。
人们利用飞秒激光可以聚焦到透明材料内部进行三维加工这一特性，在石英玻璃中制备出各种微光学元件和微流体器件，并将其成功集成在同一块玻璃芯片上，飞秒激光于是在生物传感和生化分析等领域得到一定应用。
在信息电子领域，研发人员将新型激光精细加工装备应用于半导体集成电路、印刷线路板、平板显示、fbg光纤光栅，大大提高了制作效率和工艺水平。
经过科研人员的努力，飞秒激光在半导体照明、太阳能光伏电池、燃料电池、微创医用器械及各类mems等新兴产业中也得到了广泛应用。
激光微纳加工技术研究
激光微纳加工技术研究随着科技的不断发展，微电子技术、信息技术、纳米技术等各个领域都在向纳米级别的方向迅速发展，这就对现有的加工技术提出了更高的要求，需要能够在纳米尺度下进行高精度、高效率的加工。
而激光微纳加工技术，则在这个领域中占据着举足轻重的地位。
1、激光微纳加工技术的原理激光微纳加工技术是指利用激光作为能量源对微纳级别的材料进行精确加工的技术。
在激光微纳加工过程中，激光束通过光学系统进行调节后，直接照射到待加工的材料表面，通过激光与材料相互作用的过程，就能够对材料进行微观层次的加工，包括切割、刻蚀、打孔、高精度的表面处理等。
激光与材料相互作用的过程主要有三种形式：吸收热作用、非线性光学作用和等离子体作用。
尤其是后两种作用在激光微纳加工中发挥了重要的作用。
2、激光微纳加工技术的优势激光微纳加工技术在微纳加工领域中，具有多方面的优势。
其中较为明显的优势包括：（1）高精度：激光是一种高精度的工具，具有非常小的聚焦热源。
这使得激光可以在微观层面上进行特定区域的加工，从而得到高精度的零部件和元器件。
（2）高解析度：激光微纳加工技术能够实现几乎无限的加工精度，其最小加工精度可以达到亚微米级别。
这使得激光微纳加工不仅仅能够应用于包括硅基在内的光电子技术、半导体技术、薄膜制造技术等，同时也能够应用于纳米材料的研究和生产中。
（3）高效率：激光微纳加工技术具有非常高的加工效率，可以在非常短的时间内完成材料的加工，还可以使加工产生的废料数量减少。
这不仅可以提高加工的效率，同时也可以降低加工过程中的能耗和成本。
3、激光微纳加工技术的应用目前，激光微纳加工技术已经广泛应用于各个领域。
其中，光子学、微电子学、超快动力学、精密仪器、生物医学、纳米制造等领域，都是激光微纳加工技术的主要应用领域。
（1）光子学领域：激光微纳加工技术可以通过精细的光学系统，实现对光子学器件的精确加工。
例如，通过激光微纳加工技术可以制造出具有高品质因子的微腔，从而实现微腔激光器的制备。
飞秒激光对材料表面处理效果的影响研究
飞秒激光对材料表面处理效果的影响研究一、引言在现代工业当中，对于材料表面的处理是十分关键的环节。
无论是金属的切割还是塑料的雕刻，表面处理的好坏都会直接影响着产品的质量和性能。
而在材料表面处理的手段当中，激光技术可以说是一种非常重要的方法。
而作为激光技术当中的一种，飞秒激光广泛地应用在材料表面处理领域当中。
因此，本文将会以飞秒激光对材料表面处理效果的影响研究为主题，对飞秒激光的原理、技术特点及其对材料表面处理效果的影响进行深入地探讨。
二、飞秒激光的原理飞秒激光的原理是基于纳秒脉冲激光的基础上，对其进行加工升级优化得到的。
飞秒激光使用的是超短脉冲（即10^-15秒）的激光，相比之下，化学键的振动周期是在10^-14秒到10^-12秒之间，因此超短的激光脉冲可以对材料的化学键进行单击，使得材料的表面被氧化或过度去质子化。
长时间的可以切割物理过程转化为可以刻蚀的化学过程，最后再由光热效应使得材料的表面产生坑穴或起伏，从而达到处理表面的效果。
三、飞秒激光的技术特点1、成像和定位精度高由于飞秒激光在切割材料的过程当中基本上是没有熔化的过程，因此，它可以取得较为理想的切割效果。
而且根据加工物体大小的不同，可以灵活地调整激光的直径或者偏置量，来达到更好的加工效果。
2、热影响范围小由于超短脉冲的特性，飞秒激光对材料的加工过程中相对较弱的热效应使得激光在切割的时候对材料的加工精度和切割质量有着很好的保证。
因此，在处理对于材料表面加工精度和质量要求较高的物品的时候，飞秒激光是一种非常重要的工具。
3、时间转化高由于飞秒激光的脉冲时间和化学键振动周期的尺度相当，所以可以通过反复振动给材料传递足够的能量，使其产生理想的加工效果。
这个过程完成后，飞秒激光即可停止，因此时间转化相对较高上也有所保证。
四、飞秒激光对材料表面处理效果的影响1、加工品质高由于飞秒激光的技术特点，使得其在加工材料的时候，不会出现任何的机械破坏甚至影响后续使用的过程。
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线结构：激光能量的影响
平台移动速度，重复次数不变，激光能量变化
大
小
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Ti 蓝宝石激光器 中心波长 : 775nm 重复频率 : 1kHz 激光脉宽 : 150fs=150X10-15s 激光束高斯分布的线偏振光 5X 聚焦物镜 激光聚焦半径 ：11µm 三维移动平台精度 : 1.0µm
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飞秒激光的典型应用
医疗和生物工程领域 在精细医疗器件制作、激光无痛和无损伤医疗以及细胞 生物工程技术等方面具有广泛应用前景。
飞秒激光在生物降解聚合物上制成的血管支架
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实验设备
Femtosecond laser micromachining workstation (UMW 2110i series workstation, Clark-MXR, Inc., USA)
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飞秒激光在硅上微加工研究
多种激光微加工技术在MEMS、集成电 路中都有很好的应用前景：激光LIGA技术， 激光辅助沉积和刻蚀，激光立体平板印刷 术等。 飞秒激光这一新型加工方式应用于此 领域, 更受世界关注。 因此，我们将应用于 MEMS、集成电路最广泛的材料硅，作为我 们的研究对象。
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Ripples 形成过程
相同能量，不同脉冲数
N=1
N=5
N=10
N=50
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State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments
飞秒激光在硅表面微加工的研究
报告人： 耿娜 指导老师： 傅星 教授
Email：gengna1004@
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Ripples特点（1）
两种波纹： 1、方向接近垂直 2、环形区域波纹宽度比内 部波纹宽度要窄 环形区域波纹： ≈0.71µm 中部区域波纹： ≈1.5µm
飞秒激光在Si(100) 表面烧蚀 激光能流密度 0.33J/cm2 脉冲数 N=100
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线结构：各种参数优化后的结果
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复杂图形
行列间距变化，其他参数固定：
300µ m x 300µ m
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120µ m x 120µ m
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实验设备
Set-up of the system
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加工系统主要参数
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点结构总结：激光能量与烧蚀区域直径的关系
30 25
m] Diameter D [µ
20 15 10 5 0 N=100 N=50 N=10
0
1
2
2
3
4
Laser Fluence Φ 0 [J/cm ]
Relationship between diameter of the irradiated surface and laser fluences on Silicon
飞秒激光加工的光波导
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飞秒激光的典型应用
微纳米区域的物质转移，利用飞秒激光将特定的物质“搬 移”到特定的部件上，形成极其精密的特定物质图案，如 掩模。在微电子学有着应用。
飞秒激光修复光掩模缺陷
(2) 第一行 Φ=0.30J/cm2 第二行 Φ=0.15J/cm2
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点结构：激光能量的影响
烧蚀能量越大烧蚀面积越大 N=100
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点结构：激光脉冲数的影响
激光辐照在硅（100）表面
N=1
N=10
N=50
N=100
N=200
N=500
N=1000
N=1500
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1
主要内容
研究背景 实验系统 实验结果及分析
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2
研究背景
1飞秒=10-15秒
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线结构：平台运行速度的影响
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线结构：重复加工次数的影响
平台移动速度和激光能量不变，重复加工次数改变
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实验结果及分析 不同的激光参数对加工结构的影响 加工内容：打点、刻线及复杂图案 在打点过程中发现的Ripples现象 Ripples 形成原因、形成过程及影响因 素
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实验内容及方法
点：脉冲数，激光能量 线：平台移动速度，重复次数，激光能量
复杂图形：脉冲数，平台移动速度，激光 能量，行列间距
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测试手段
利用SEM测试加工表面特征 利用AFM测试得到三维形貌特征 利用FIB得到截面特征 光学显微镜 质谱仪
6
研究背景
飞秒激光在物理、化学和生物等基础 学科和大的科学工程方面获得广泛应用。 由于它脉冲极短、峰值功率高、可以聚焦 到非常小的尺寸、去除物质的深度极浅、 持续时间短、引起的变形小等，最近几年 飞秒激光在微纳米加工方面越来越引起人 们注意，在微机械、微电子和微光学等多 个领域中获得成功应用。
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无波片
¼ 波片 450
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Questions and Answers
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飞秒激光的典型应用
利用飞秒激光使聚合物变形，加工成各种微型器件
飞秒激光逐点扫描法在聚合材料内部加工出的纳米牛 体长只有10微米，高7微米
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飞秒激光的典型应用
利用飞秒激光对加工对象进行局部改性，它在光通信 领域的光波导、光分束器、光耦合器、微型光栅和光 开关等微光学领域中具有广泛应用前景
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