飞秒激光在表面化学反应中的应用

飞秒激光及其应用

飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4fs以内。1飞秒（fs） ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。

近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去10年中, （超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前,

你却必须自己建立。”

根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

陈烽;杨青;边浩;杜广庆;柳克银;孟祥卫;邓泽方;山超

【摘 要】飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 μm,球冠高6.7 μm,表面粗糙度小于10 nm.利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20μm,长径比超过100.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2014(035)001

【总页数】5页(P150-154)

【关键词】飞秒激光;微纳制造;湿法刻蚀;微透镜;微通道

【作 者】陈烽;杨青;边浩;杜广庆;柳克银;孟祥卫;邓泽方;山超

【作者单位】西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049 【正文语种】中 文

【中图分类】TN249

引言

飞秒激光是20世纪末迅速发展起来的一种超快激光光源，与长脉冲激光以及连续激光不同，它具有超短的脉冲持续时间和超高的峰值功率等特性，当其与物质相互作用时，能够以极快的速度将能量注入到很小的作用区域，瞬间内的高能量密度沉积可使电子的吸收和运动方式瞬间发生剧烈变化。因此，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的瞬态微观机制，使飞秒激光与物质相互作用的过程成为具有超高精度、超高空间分辨率的非热熔“冷”处理过程，这有利于更细微结构的高精度加工。由于飞秒激光在三维高精度微结构制备中所表现出的优越特性，自20世纪90年代以后，飞秒激光微纳制造已成为微加工领域的热点研究方向之一。

第25卷增 刊 辽宁工程技术大学学报 2006年6月Vol.25 Suppl. Journal of Liaoning Technical University Jun. 2006

收稿日期：2006-03-12 作者简介：迟彩芬（1968-），女，辽宁 阜新人，讲师，硕士研究生，E-mail：:fx_ccfen@。本文编校：焦 丽 文章编号：1008-0562(2006)增刊1-0231-03 激光表面处理技术在汽车工业中的应用 迟彩芬 （辽宁工程技术大学 职业技术学院，辽宁 阜新123000） 摘 要：结合激光表面处理技术在汽车零部件表面强化中应用的大量实例，从激光表面处理技术的基本原理和工作特点出发，对其进行总结和分类。并论述目前激光表面处理技术在国内外汽车工业中的研究、开发和应用，为进一步提高国产发动机的使用寿命提供了一个有效的途径。最后探讨了激光表面处理技术在未来工业中应用的发展趋势和广阔前景。 关键词：激光；表面处理；汽车 中图分类号： TH161 文献标识码： A Application of laser surface treatment technology in automobile industry CHI Cai-fen (Vocational of Liaoning Technical University, Finxin 123000,China) Abstract：In the paper , in accordance with the numerous applied examples of laser surface treatment technology in surface intensifying of automobile and the spare parts fundamental principles and operating characteristics of the technology, the laser surface treatment techniques are summarized including research, exploitation,application and classification at present, supplying an effective way of further improving life of domestic engine . At last the paper discusses development tendency and prospect of application in future industry. Key words；laser；surface treatment；automobile 0 引 言 激光加工是20世纪60年代初期兴起的一项新技术 ，此后逐步应用于汽车、航空、机械、电子等行业，其中尤以汽车行业的应用发展速度最快。在汽车业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化[1]。70年代美国进行了两大研究 ，这就是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接和通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的汽车制造业中的激光加工技术的发展。 1 激光加工技术分类及特点 汽车业中的激光加工机主要有两类[2]:CO2激光加工机和YAG激光加工机。CO2激光加工机的主要用途是切割、焊接、表面处理、打孔等，YAG激光加工机主要用途是打标，但随着大功率YAG激光器的商品化 ，也用于焊接和切割。与传统方法相比，激光加工具有下列特点：（1）应用范围广，几乎应用于所有的加工工艺；（2）加工面大，几乎可加工从金属到非金属所有的材料，还特别适合加工极硬、极脆、极薄和熔点极高的难加工材料；（3）加工区小，热变形很小，加工质量高；（4）效率高，材料省，污染少，噪音低，劳动强度低；（5）加工设备成套化、系列化、多功能 ，具有很大灵活性；装备计算机数控系统，可进行二维或三维的立体加工，具有很高的加工精度。 2 激光表面处理技术的应用概况 材料的激光表面处理技术是近几年来发展起来的新技术，可实现在普通材料表面产生高性能的新材料层，在实践中显示出独特的优越性。当前，激光表面处理在工业生产中已得到广泛应用。美国通用汽车公司用15台大功率激光器组成了汽车零部件的热处理加工生产线；日本丰田公司自20世纪80

飞秒激光微加工技术在微加工中的应用

1飞秒激光加工微结构

基于能量高度集中、热影响区小、无飞溅无熔渣、不需特殊的气体环境、无后续工艺、双光子聚合加工精度可达0．7μm等优势，飞秒激光在诱导金属微结构加工应用方面和精细加工方面都取得了很大的进展。

(1>孔加工在1mm厚的不锈钢薄片上，飞秒激光进行了具有深孔边缘清晰、表面干净等特点的纳M级深孔加工(如图1a>；在金属薄膜上，钛宝石飞秒激光加工制备出了微纳M级阵列孔(如图1b>，孔径最小达2.5μm，孔直径在2．5～10μm间可调，最小间距可达10μm，很容易实现10-50μm间距调整。

(2>金属材料表面改性1999年，德国汉诺威激光中心Nolte S等人首次报道了结合钛宝石飞秒激光三倍频光(260 nm>和SNOM(扫描近场光学显微镜>在金属镉层制出了线宽仅200 nm的凹槽。为以后的无孔径近场扫描光学显微镜(ANSOM>取代SNOM奠定了基础，获得了高达70 nm的空间分辨率，开拓了远场技术在纳M范围下的物理化学特性以及输运机制的研究。 (3>金属纳M颗粒加工自1993年Henglein A等人首次利用激光消融法制备金属纳M颗粒以来，许多研究小组制备出高纯度、粒度分布均匀的金属纳M颗粒。Link H等人进一步控制飞秒激光的能流密度和照射时间，将金属纳M棒完全融化为金属纳M点。与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的金属颗粒尺寸大小和特定形状，使金属纳M颗粒特别是贵金属(Au、Hg、Pt、Pd等>在催化、非线性光学、医用材料科学等领域具有广阔的应用前景。

(4>金属掩模板加工 新加坡南洋科技大学Venkatakrishnan K等人利用飞秒激光直写方法制作了以金属薄膜为吸收层、石英为基底的金属掩模板，并将前入射与后入射两种方案作了比较，发现采用前入射的方法能够得到更小的特征尺寸和好的边缘质量。并且利用飞秒激光超衍射极限加工有效地修补了金属镉掩模板的缺陷，修复的线宽达到小于100 nm的精度。目前构建的飞秒激光修正光掩模板工具已在IBM的柏林顿、佛蒙特州的掩模制作设备中运行。这对微电子技术的发展将具有重要意义。