飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

飞秒激光烧蚀石英微孔的时间分辨阴影成像

建立了基于飞秒激光抽运-探测原理的时间分辨阴影成像平台,直接获取了飞秒激光烧蚀石英微孔的超快过程图像。在不同能量密度、时间延迟、脉冲数量条件下,观察到随时间延迟变化的等离子体通道衰退、冲击波膨胀和微孔伸长现象。实验结果表明,所提系统有助于飞秒激光烧蚀诱导透明介质内部微纳结构的原位观察。     

全固态飞秒激光同步抽运的光学参量振荡器

飞秒光学参量振荡器(OPO)能产生从紫外到中远红外波段的可调谐飞秒激光脉冲,在频率计测、生物医学、大气探测、宽带通信及国防等领域有着广泛的应用。对飞秒钛宝石激光器同步抽运OPO进行了研究,相继实现了波长稳定在1053 nm的高功率飞秒OPO运转。在此基础上,进一步研究了高功率掺镱全固体飞秒激光器同步抽运OPO。结合国内外飞秒OPO的研究进展,对未来全固态飞秒激光器同步抽运OPO的发展进行了展望。     

单脉冲飞秒激光作用下晶态GeSb2Te4相变薄膜的非晶化过程

利用飞秒激光的抽运探测技术，研究了单脉冲飞秒激光作用下GeSb2Te4相变薄膜的非晶化过程，测量了相变薄膜的时间分辨光学显微图。所研究的系统为多层薄膜结构100 nm ZnS-SiO2/ 35 nm GeSb2Te4 /120 nm ZnS-SiO2/0.6 mm ，飞秒激光的脉冲宽度为108 fs，波长为800 nm。实验发现相变薄膜从晶态至非晶态的相转变过程可以在 2.6 ns内完成。讨论了相变薄膜的厚度对系统的热传递、快速凝固过程的影响，分析了相关热过程和热效应，解释了抽运探测实验数据，并探讨了单脉冲飞秒激光诱导相变薄膜非晶化的机制。     

飞秒激光双光子聚合加工微纳结构

针对微/纳机电系统（MEMS/NEMS）零部件加工制造难题,研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法,搭建钛蓝宝石飞秒激光微纳加工系统,对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明:随着激光功率的降低,单个固化点的尺寸减小,加工分辨率提高;扫描步距减小,所加工工件的表面粗糙度数值减小,但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构,利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物,通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线,从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。     

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。     

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。     

飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热的研究

飞秒激光与金属作用后,电子被瞬间加热,电子温度将远远高于声子温度,并逐渐将能量传递给声子,这种非平衡过程中电子和声子间传热能力由电子-声子耦合系数表征。而到目前为止电子-声子耦合系数是否存在尺度效应还存在争议。采用飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热过程进行了研究,利用抛物两步模型对实验数据进行拟合。通过对不同厚度的金纳米薄膜的电子-声子耦合系数的比较,研究表明,电子-声子耦合系数随着薄膜厚度的增加而减小。实验结果与已报道的基于电子自由程提出的理论模型所预测的变化趋势相一致。     

飞秒激光微加工的研究进展

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。     

面阵CCD激光束参量测量系统及其实验研究

采用面阵CCD探测器测量连续和脉冲激光器空间光束的技术，研制了一套高精度激光参量测量系统。测量了激光二极管连续抽运输出波长为1064nm的固体模式发生器产生的不同阶次厄米-高斯光束和脉宽10ns调Q灯抽运固体激光器的光束参量，分析对比了模式发生器输出光束的理论值和实验测量结果，证明了该系统测量精度优于5％，讨论了测量系统中各种因素对光束参量测量结果的影响。     

掺钛蓝宝石飞秒激光空间光强分布特性的测量研究

为了更好地利用飞秒激光光源,采用自行设计的光束横截面空间光强分布测量装置研究了掺钛蓝宝石飞秒激光放大系统(美国光谱物理公司)输出的40 GW飞秒激光束的空间光强分布特性.通过对测量系统精确标定及对输出光束光强分布的研究表明:飞秒放大系统输出激光束在低泵浦电流下的光斑质量较好,在高泵浦电流下光斑质量变差,并且观察到了光束横截面中心区域的光强较低泵浦电流反而减小的情况,在多通放大过程中泵浦光的光斑质量对飞秒激光束空间分布有很大影响.     

紫外飞秒激光的脉宽测量方法

相对于近红外波段的飞秒激光脉冲，紫外波段的飞秒脉冲由于具有单光子能量高、聚焦特性好、电离率高和成丝阈值低等优点，在高功率密度光场的产生、等离子体光物理等领域有着越来越广阔的应用前景，成为激光技术的研究热点。随着紫外飞秒激光技术的发展，传统的脉宽测量方法不能满足需求。指出了紫外飞秒激光脉宽测量研究的主要进展，讨论了目前可用于紫外飞秒激光脉宽的测量方法，主要有双光子荧光测量法、互相关法、简并四波混频法、多光子电离法，介绍了相关测量原理与特点。在此基础上，对紫外飞秒激光脉宽测量技术研究前景进行了展望。     

飞秒激光在金属微加工中的应用

作为一种新型的减材加工技术,飞秒激光在材料微加工中具有独特优势。介绍了飞秒激光加工的机理,分析了飞秒激光加工效率和加工质量的影响因素,阐述了飞秒激光加工工艺参量及表面质量的预测方法,对飞秒激光与增材制造的结合应用作了展望。飞秒激光加工的效率与精度影响因素众多,要真正在金属加工领域精准大规模应用这一精细技术,尚需对飞秒激光及其与不同特性金属材料间的交互作用进行更为深入系统的研究。     

飞秒激光诱导金刚石微纳结构及其应用（特邀）

多年来,硅和锗一直被认为是合适制造探测器和集成光电器件的半导体材料。然而,与金刚石基器件相比,这种四价半导体的抗辐射损伤能力较差,而且在恶劣条件或高强光辐照下,器件的稳定性较差。近年来,金刚石因其优异的光学与力学性能,在集成光子学、传感和量子光学等领域展现了巨大的应用前景。利用激光诱导金刚石微纳结构为开发金刚石上的三维光互联器件、全碳探测器、石墨电阻以及单光子源的实现提供了一种有潜力的制备方法。阐述了飞秒激光诱导金刚石色心形成、石墨化和折射率变化的物理机制,在此基础上,进一步探究了飞秒激光诱导金刚石微纳结构在单光子源、传感器和光波导等方面的应用,并对未来发展趋势进行了展望。     

Femtosecond pump and probe experiments on thiophene-based polymersby a hybridly mode-locked cavity-dumped dye laser

Results on the bleaching decay observed in low-band gap thiophene-based polymers by femtosecond pump and probe experiments are presented. The laser used for excitation and probe is a newly developed cavity dumped femtosecond dye laser. The excited state kinetics of these materials presents a fast biexponential time behavior that may be related to the formation and decay of self-trapped excitons     

基于光栅倾斜脉冲前沿的太赫兹脉冲单次测量

太赫兹脉冲单次测量技术对于不可逆或者单次超快过程的太赫兹光谱研究具有重要意义。为了实现无畸变的高频率分辨率的太赫兹脉冲单次探测,利用光栅产生了一束具有倾斜前沿的飞秒探测脉冲,并利用该探测脉冲实现了对太赫兹脉冲时域电场波形的单次测量,测量时间范围达到20 ps,频谱覆盖0.1 THz~2.5 THz范围。且测量的结果与使用传统电光采样方法测量的结果相符合。对于基于光栅产生倾斜脉冲前沿的太赫兹脉冲单次测量方法进行了建模分析,获得了光栅和光学元件参数的选取,以及光路设计等指导性结论。     

激光微纳制造在传感领域中的应用

物联网和可穿戴器件的快速发展对传感器的制备和性能提出了更高的要求。由于加工速度快、精度高、可控性强、易集成、与材料兼容性高等优点,激光微纳制造已逐渐成为一种流行的材料制备和器件加工技术。通过激光诱导加热、反应和分离这三种激光加工方式实现了对不同材料的激光处理,这为传感器的制备奠定了基础。近年来,研究人员利用激光微纳加工技术制备了应用于紫外线、气体、湿度、温度、应变/应力、生物、环境等信号监测的不同传感器。总结和归纳了目前存在的问题,展望了激光微纳制造在传感领域中的发展方向。希望文中对激光微纳制造应用于传感领域的介绍和总结能够为未来的研究和发展提供思路和参考。     

OSCAT: Novel Technique for Time-Resolved Experiments Without Moveable Optical Delay Lines

Here, we present a novel technique for time resolved experiments without any moveable external delay line. Optical Sampling by Cavity Tuning (OSCAT) method is based on a femtosecond laser with a tunable repetition rate and a passive delay line. The time delay between the pump and probe pulses is determined by the repetition rate of the femtosecond laser.