基于飞秒激光直写的三维高定向碳纳米管组装

介绍了碳纳米管(CNTs)/聚合物复合材料分散性、定向排布和组装方面的研究进展,并利用双光子聚合(TPP)激光直写技术,实现了多壁碳纳米管(MWNTs)在三维空间的定向排布和分子组装。通过加入硫醇分子,提升了MWNTs/聚合物复合材料中CNTs的分散性和掺杂浓度,增强了CNTs/聚合物复合材料在电学、光学、力学方面的性能,并成功实现了三维CNTs功能器件的制造。研究结果表明,通过将TPP激光直写技术与热退火工艺相结合,可以实现对CNTs簇排列方向和位置的精确控制。     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

曲面基底衍射光学元件的激光直写技术

飞秒激光直写技术(FsLDW)因其优异的三维加工能力、高空间分辨率、低附加损伤等优点被广泛地应用于微纳加工领域,但传统飞秒激光直写技术在加工效率、加工面积和加工精度之间存在矛盾。为了实现高速、大面积、高精度的激光微纳加工,构建了一种由大范围水平位移台和高速旋转台组成的极坐标系飞秒激光直写系统。基于该系统,研究了轴对称样品中心对准方法及曲面曲率校准方法,并在曲面上制备了多阶三维结构。最终完成了在透镜曲面上制备直径为10mm的衍射圆光栅结构,实现了飞秒激光高速、大尺寸、高精度地制备大面积三维结构。该研究为高性能折衍混合光学元件的制备提供了有力的技术支持。     

激光直写制备衍射光学元件的研究及应用

衍射光学元件作为一种典型的微光学元件,其体积小、质量轻、设计自由度多、成像质量良好,在光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。随着现代光学系统的不断发展,对衍射光学元件的加工效率和制备精度提出了更高的要求。激光直写技术凭借加工精度高、工艺简单、灵活性好等优势,成为制备高精密仪器中关键光学元件所必需的一种加工方式。针对不同的加工需求,开发了多种激光直写系统,并在应用过程中不断地改进升级。另外,突破衍射极限的飞秒激光微纳结构制造技术,能够获得更高的加工精度和更好的分辨率,为微光学元件的制备提供了新的方法。首先介绍了激光直写技术的特点;其次综述了衍射光学元件直写加工技术的研究进展,包括直写技术的影响因素、激光直写系统和多光束加工技术;接着介绍了衍射光学元件的典型应用,如红外成像、色差校正、光束整形、图像显示;最后,对激光直写技术制备衍射光学元件存在的问题和未来发展趋势做出了总结。     

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

飞秒激光具有超短脉宽和极高峰值强度,已广泛应用于精细加工与微纳制造领域。目前,激光直写技术用于柔性器件的制备受到极大的关注。综述了激光直写技术的四个研究方向: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,可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。     

飞秒激光制备仿生功能微纳结构及其应用

自然界中的微纳结构蕴藏着无尽的功能,为材料科学和工程技术的创新与发展带来了新的机遇。受生物体功能表面的启发,针对仿生表面开发出大量新功能,如结构色、超疏水、自清洁、光学性能调控等。飞秒激光制造是一种可以在微米和纳米尺度上精确控制材料结构的加工方式。通过调控飞秒激光加工参数,可以在多种材料体系中实现超越衍射极限的三维加工。飞秒激光直写加工技术的独特之处在于可以实现材料的跨尺度修饰,通过模拟优化,制备更加复杂的微纳结构。综述了利用飞秒激光技术制备仿生功能微纳结构的新进展,展示了该结构在结构色、表面浸润性、光学性能调控等方面的性能。讨论了飞秒激光制备仿生功能表面的应用前景。最后举例说明了激光微纳制造复杂高分辨率结构的新应用。     

飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿

飞秒激光微加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点,这些特性是传统的激光加工技术所无法取代的。首先回顾了激光微加工和超短脉冲激光技术的发展历史,然后介绍超短脉冲激光与金属和介质材料相互作用的机制,接着阐述了飞秒激光直写、干涉和投影制备等各种加工方法的原理,重点讨论飞秒激光在三维光子器件集成、微流体芯片制备及其在生化传感方面的应用等,最后展望了飞秒激光微加工领域所面临的机遇和挑战,指出了未来的研究方向。     

飞秒激光在透明介质中制备波导器件进展

飞秒激光脉冲通过非线性相互作用可以在透明介质内部诱导载流子的激发、弛豫和折射率改变,从而用于制备光波导器件。飞秒激光无法比拟的高度局域三维加工能力使其在有源和无源波导器件制备中被广泛研究。综述了飞秒激光在多种透明介质中诱导折射率改变的机理、波导器件制备的实验进展和波导性能优化技术,分析了其研究趋势和应用前景。     

基于OCDR的飞秒激光直写光波导微结构在线监测

飞秒激光直写技术具有无掩模、真三维、高精度等优点，在透明介质光波导器件立体加工中具有很好的应用前景。然而，实际加工中需根据目标材料的特性反复探索和优化加工参数，过程繁琐且复杂。提出了一种基于光相干域反射仪（OCDR）在线监测飞秒激光在已有波导中直写加工微结构或器件的新技术，以光纤波导为例研究了激光脉冲能量、脉冲频率及直写速率对加工结构回波反射特性的影响，并分析了反射特性与加工工艺参数的对应关系。研究结果表明：通过OCDR反射曲线突变点能够快速准确地确定引起材料性质改变的激光能量和脉冲频率的阈值条件，且根据曲线变化趋势和反射峰特点可判断材料性质改变类型；此外，通过分布式测量激光直写反射曲线，可获得加工速率对加工效果的影响规律。该技术为波导内飞秒激光直写微结构或器件工艺参数的摸索提供了一种非破坏、高效、在线的解决方案。     

透明材料飞秒激光三维微制备

利用飞秒激光对透明材料进行改性和加工，制备三维微结构和器件受到极大的关注。本文介绍了在透明材料内部或表面进行微制备的方法和应用，包括利用飞秒激光诱导的折射率变化来制作光波导、光栅和耦合器等；利用材料内部的微爆炸实现三维点存储和其它三维点阵结构等；通过界面的烧蚀过程进行打孔、切割和刻蚀等；利用双光子聚合制备微透镜、光子晶体和衍射光学元件等等。     

利用飞秒激光直写技术制备钙钛矿微盘激光器

利用溶液法制备的钙钛矿微/纳米晶虽然可以得到性能良好的微型激光器,但是其所需生长周期较长且缺乏重复性。为了解决这一问题,提出了利用飞秒激光直写技术制备高重复性钙钛矿微盘激光器的新方法。首先使用双源共蒸的方法在石英玻璃衬底上沉积FAPbI₃钙钛矿薄膜,然后采用飞秒激光直写技术在FAPbI₃钙钛矿薄膜上制备不同直径的微盘激光器,最后测试其激光性能。实验结果表明,随着微盘直径的增加,激光阈值呈线性增长,最终可实现约4.7μJ/cm²的极低激光阈值。利用飞秒激光直写技术制备的钙钛矿微盘激光器具有出色的激光性能,且重复性高,因此该技术非常适用于批量制备钙钛矿微盘激光器,为其产业化应用提供了可能。     

3D Microfluidic Surface‐Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Chips Fabricated by All‐Femtosecond‐Laser‐Processing for Real‐Time Sensing of Toxic Substances

A novel all‐femtosecond‐laser‐processing technique is proposed for the fabrication of 2D periodic metal nanostructures inside 3D glass microfluidic channels, which have applications to real‐time surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS). In the present study, 3D glass microfluidic channels are fabricated by femtosecond‐laser‐assisted wet etching. This is followed by the space‐selective formation of Cu‐Ag layered thin films inside the microfluidic structure via femtosecond laser direct writing ablation and electroless metal plating. The Cu‐Ag films are subsequently nanostructured by irradiation with linearly polarized beams to form periodic surface structures. This work demonstrates that a double exposure to laser beams having orthogonal polarization directions can generate arrays of layered Cu‐Ag nanodots with dimensions as small as 25% of the laser wavelength. The resulting SERS microchip is able to detect Rhodamine 6G, exhibiting an enhancement factor of 7.3 × 10⁸ in conjunction with a relative standard deviation of 8.88%. This 3D microfluidic chip is also found to be capable of the real‐time SERS detection of Cd²⁺ ions at concentrations as low as 10 ppb in the presence of crystal violet. This technique shows significant promise for the fabrication of high performance microfluidic SERS platforms for the real‐time sensing of toxic substances with ultrahigh sensitivity.     

激光微技术的发展现状

介绍了激光微加工技术的特点，与其它微加工技术相比，激光微加工具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度与高重复率等优点，既可以通过去除方式，也可以通过材料堆积进行微加工成型。综述了几种常用的激光微加工技术及其发展趋势，微机电系统（MEMS）技术的进一步成熟，必将带动激光微技术快速发展。     

双光子聚合制备聚苯胺微结构

为直接制备小尺度且具有可控形貌的导电聚合物微结构,利用一种基于飞秒激光的双光子聚合法,实现了聚苯胺在基底上任意位置处微纳米尺寸线条的精准可控制备。以苯胺为单体、硝酸为氧化剂,通过调控苯胺与硝酸的浓度,可以制备出具有不同形貌的聚苯胺微纳米线。不溶于水的苯胺高聚物在水相界面处合成,苯胺与硝酸的浓度及激光功率会影响水溶性苯胺低聚物的分布,进而影响聚苯胺微纳米线的形貌。当苯胺与硝酸浓度分别为0.69 mol·L^-1和0.60 mol·L^-1时,可制备出具有致密光滑形态、电导率为5.79×10^-6 S·cm^-1的聚苯胺微纳米线。本研究为导电聚合物的制备及其在传感器、微型探测器等微纳米器件中的广泛应用提供了新思路。     

飞秒激光加工低维纳米材料及应用

飞秒激光具有脉宽超短、瞬时功率密度超高、非线性加工的特点,对低维纳米材料的制备和加工有着独特的优势,且具有广泛的材料适应性,能够方便快捷地针对需要精确靶向定位和图案化加工的纳米材料做出加工策略。本文综述了飞秒激光对低维纳米材料的制备加工和改性的研究现状,介绍了时空整形飞秒脉冲激光方法下制备的功能性量子点、纳米线、二维薄膜材料,和这些材料在化学催化、生物化学检测、生物相容性及电子器件等领域的应用,分析讨论了激光液相烧蚀制备纳米材料和集成化器件加工当前所面临的挑战和今后的研究重点。     

“飞秒激光微加工——打孔”的文献综述

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。     

Fabrication of Low‐Threshold 3D Void Structures inside a Polymer Matrix Doped with Gold Nanorods

We report on a low‐threshold three‐dimensional (3D) void generation inside a polyvinyl‐alcohol (PVA) polymer matrix doped with gold nanorods (NRs) by near infra red femtosecond laser pulses. By matching the laser wavelength to the surface plasmon resonance band of the embedded gold NRs, the void generation threshold could be reduced by one order of magnitude lower than undoped matrix. We discuss physical mechanisms involved in the void generation, where distinction between the decomposition of gold NR or PVA is drawn in single pulse and multiple pulse irradiations. We also demonstrate 3D void recording for applications in 3D optical data storage.     

Nanohomojunction (GaN) and Nanoheterojunction (InN) Nanorods on One‐Dimensional GaN Nanowire Substrates

The formation of homojunctions and heterojunctions on two‐dimensional (2D) substrates plays a key role in the device performance of thin films. Accelerating the progress of device fabrication in nanowires (NWs) also necessitates a similar understanding in the one‐dimensional (1D) system. Nanohomojunction (GaN on GaN) and nanoheterojunction (InN on GaN) nanorods (NRs) were formed in a two‐step growth process by a vapor–liquid–solid (VLS) mechanism. Ga₂O₃ nanoribbons were formed using Ni as catalyst in a chemical vapor deposition (CVD) technique and then completely converted to GaN NWs with NH₃ as reactant gas. An Au catalyst is used in the second step of the VLS process to grow GaN and InN NRs on GaN NWs using CVD techniques. A morphological study showed the formation of nanobrushes with different structural symmetries and sub‐symmetries in both homogeneous and heterogeneous systems. Structural characterizations showed nearly defect‐free growth of nanohomojunction (GaN) and nanoheterojunction (InN) NRs on 1D GaN NW substrates.