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超快光学进展 || 1. 超快超高强度激光脉冲
摘要： 自激光器发明以来，高强度激光脉冲的产生一直被视为最重要的研究课题之一。高强度激光通常采用主振荡功率放大器（MOPA）构型来提升短激光脉冲的能量。该构型已应用于中国神光装置、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）等场所——后者目前是全球最大的激光装置。这类巨型激光装置通常用于涉及复杂技术的高成本、大规?？蒲邢钅?，目前仅有少数国家能开展此类激光研究。由于所获激光脉冲重复频率低且脉宽较长，这些激光装置并不适用于大规模应用研究。此外其输出激光强度也存在局限：例如2009年建成的NIF虽包含192束紫外光束（总能量达1.8兆焦耳/10^6焦耳），但因脉宽处于纳秒级（10^-9秒）、脉冲间隔长达数小时，其峰值功率仅约500太瓦（10^12瓦）[1]。 在另一端尺度上，多个研究机构通过在常规实验室中放大飞秒级（10^-15秒）超短脉冲激光，研发出台式激光系统。这些激光器具有拍瓦级（10^15瓦）峰值功率[2-4]、1赫兹重复频率[5]及10^22瓦/平方厘米的聚焦强度[6]。自1985年美国Mourou团队开创啁啾脉冲放大（CPA）技术[8]、1991年英国Sibbett团队发现克尔透镜锁模（KLM）现象[7]以来，结合超短脉冲研究，超强激光技术自1980年代末开始以空前速度发展，持续创造突破性科学纪录。 超短脉冲激光研究呈现两大探索方向：一是通过锁模技术实现极短脉宽，当前激光脉冲已可达少周期量级，并能利用新物理机制产生阿秒级（10^-18秒）激光脉冲[9-11]；二是持续突破激光峰值功率极限，越来越多峰值功率达太瓦甚至拍瓦级的飞秒超强激光装置相继问世[2-5]，为超快超强激光脉冲的深度研究提供强大工具。 该技术在微纳制造[12-14]、医学[15,16]等领域广泛应用，并成功推动原子分子运动模式探索[17,18]、天体物理实验室模拟[19]、精密光谱学[20]等研究取得突破，催生诸多新兴分支与重大科学成果。其中最具代表性的当属：1999年美国科学家A.H.泽维尔因飞秒激光脉冲化学动力学研究获诺贝尔化学奖；2005年诺贝尔物理学奖一半由J.L.霍尔与T.W.汉施两位教授共享，表彰其飞秒激光频率梳技术成就。 凭借尖端特性与创新应用，超短脉冲超强激光已成为光学物理领域的关键工具。本章将首先简要回顾该领域的核心技术及相关研究进展。
关键词： 超强激光、飞秒激光、激光技术、克尔透镜锁模、拍瓦激光、光学物理、啁啾脉冲放大、超快激光
更新于2025-09-16 10:30:52
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利用超快激光非衍射光束实现高分辨率材料结构化
摘要： 100纳米尺度的激光加工是材料处理领域的关键基石，它能在表面和体相中实现新型尺寸依赖功能，从而拓展一系列技术应用。在此尺度下，被加工材料会获得不仅取决于单一形貌特征局部效应，还涉及日益增强的集体行为的光学、输运或接触特性。然而，鉴于光学衍射极限，利用高强度相干光快速制备亚100纳米特征结构仍是激光微纳加工面临的挑战。具有可控时间包络的超快非衍射光束能突破这一限制，实现超分辨加工——这是下一代灵活精密材料加工工具的先决条件。这类光束展现出以极高精度和卓越深宽比加工透明材料的卓越能力，其原理在于能激发具有纳米级特征空间尺度的快速流体动力学效应和材料断裂效应。通过回顾当前成果与技术潜力，我们从动力学视角探讨了利用超快贝塞尔光束实现超衍射极限结构特征的物理机制，并阐述了具有重大技术应用价值的相关领域。
关键词： 纳米技术、无衍射光束、超快激光、激光加工
更新于2025-09-12 10:27:22
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超快激光加工微孔的几何精度与表面质量研究
摘要： 薄膜冷却孔的几何精度和表面质量对涡轮叶片的冷却效率和疲劳寿命具有重要影响。本文研究了采用超快激光在单晶高温合金DD6平板试样上制备薄膜冷却孔的工艺。通过对比三种不同加工路径，发现同心圆扫描可获得最小的孔壁粗糙度，并应用于后续实验。分析了工艺参数对微孔几何精度和表面质量的影响，探讨了其物理机制。结果表明：在多个工艺参数中，焦点位置对微孔几何精度和表面质量影响最为显著；离焦加工（焦点平面位于加工表面上方）可获得更小的锥度、圆度和表面粗糙度。此外，除孔入口内壁附着一层凝固碎屑外，超快激光加工的微孔不存在再铸层、微裂纹或热影响区等其他缺陷。
关键词： 几何精度、表面质量、工艺参数、超快激光、微孔钻孔
更新于2025-09-12 10:27:22
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超快激光束与丝网印刷银纳米浆料薄膜相互作用的研究
摘要： 本研究旨在探究超快激光束与丝网印刷银(Ag)纳米浆料薄膜在应变传感器中的相互作用。当对厚度为4.58微米的Ag纳米浆料薄膜进行单脉冲烧蚀时，其烧蚀阈值约为0.2焦耳/平方厘米。通过将单脉冲激光能量密度从0.78焦耳/平方厘米提升至1.87焦耳/平方厘米，激光烧蚀的线宽与深度范围分别从22±0.1微米和4±0.09微米变化至44.8±1.4微米和4.2±0.05微米。采用四探针仪测量激光加工后Ag纳米浆料薄膜的方阻值：当单脉冲激光能量密度设定在4.7毫焦耳/平方厘米至1.97焦耳/平方厘米区间时，距激光烧蚀线边缘0.5毫米处的实测方阻分别为59.52±0.76毫欧/平方与115.83±6.11毫欧/平方。最终采用最佳超快激光加工参数（包括47.4焦耳/平方厘米的面能量密度、300千赫兹的激光脉冲重复频率、500毫米/秒的振镜扫描速度以及96.1%的激光光斑重叠率），在Ag薄膜/玻璃基板上制备出具有横向与纵向电极结构的应变传感器图案。
关键词： 方块电阻、银（Ag）纳米浆料薄膜、单脉冲烧蚀、应变传感器、超快激光
更新于2025-09-12 10:27:22
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飞秒中红外激光脉冲对硅的单次多级损伤与烧蚀
摘要： 尽管超快激光材料加工在过去二十年中以惊人的速度发展，但大多数应用都是基于近红外或可见光波长的激光脉冲开发的。中红外（MiR）飞秒激光源的最新进展可能为材料加工创造新的能力。这是因为，在此类加工所需的高强度条件下，将波长调谐至更长波段为激光-固体相互作用开辟了特殊路径。在此条件下，由于λ2标度关系，激光驱动电子的渡越能量可能显著超过光子能量、带隙和电子亲和能，并主导吸收过程，从而导致超快激光-固体相互作用传统概念的范式转变。不可逆的高强度超快中红外激光-固体相互作用是这一领域的主要研究对象，但迄今尚未得到系统研究。为填补这一基础空白，我们通过单飞秒中红外脉冲（λ = 2.7–4.2 μm）对硅材料的高强度超快改性进行了详细实验研究。采用扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜结合聚焦离子束铣削、电子衍射和μ-拉曼光谱等技术，对超快熔融、与硅氧化物表面层的相互作用以及氧化物和晶体表面的烧蚀进行了离位表征。测量了激光诱导损伤和烧蚀阈值随波长的变化关系。传统理论模型未能复现损伤阈值的波长标度规律。为解释这一差异，我们探讨了中红外波长特有的渡越能量和场效应可能驱动的新型能量沉积路径。
关键词： 超快激光、烧蚀、硅、损伤阈值、中红外
更新于2025-09-12 10:27:22
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[IEEE 2019国际电子封装会议(ICEP) - 日本新潟(2019.4.17-2019.4.20)] 2019国际电子封装会议(ICEP) - 超快激光对陶瓷-LPM封装复合加工的研究
摘要： 众所周知，陶瓷基板不仅能通过受控路径（如集成散热片）实现理想散热，还具有优异的电气绝缘性、抗氧化/腐蚀保护功能。采用聚酰胺和聚烯烃（热熔）材料的低压注塑成型（LPM）工艺通常用于电子元件的防水注塑封装及环境防护，其相比环氧树脂封装的优势在于能为密间距电子元件提供防潮、防尘、防振?；?。当SiP（系统级封装）应用同时需要陶瓷基板（作为机械结构和散热路径）与LPM封装材料（实现高密度SMT贴装）时，这种组合具有特殊需求。本研究采用纳米紫外激光加工LPM及陶瓷基板（蓝宝石/Al2O3），并与纳米绿激光加工效果进行对比。由于LPM材料具有延展性和热熔特性而陶瓷属脆性材料，二者与激光的作用机理存在显著差异甚至相互矛盾，因此必须制定兼顾两种材料的加工策略。主要问题在于激光照射升温会导致LPM材料重熔凝固，需在每次激光脉冲间设置延迟时间。本文还研究了绿光/紫外激光对两种材料的烧蚀阈值（LAT），最终确定最佳工艺参数：加工陶瓷基板时速度200 mm/s、频率95 kHz、延迟时间450 ms；加工LPM时速度700 mm/s、频率40 kHz、延迟时间250 ms。
关键词： 低压注塑（LPM）复合材料、激光烧蚀阈值（LAT）、陶瓷基板、超快激光
更新于2025-09-11 14:15:04
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绿色超快激光脉冲实现玻璃与硅的微焊接
摘要： 本工作采用振镜扫描系统控制的515纳米皮秒激光，在玻璃与硅之间形成了光学接触直接键合?；竦昧宋蘖盐?、无边缘破损和残留物的焊接效果，断裂强度高达122兆帕。通过XRD和EDS分析分别发现焊接区产生了新晶相(SiO2)，且硅与氧存在空间分布梯度，表明激光辐照过程中发生了物质混合与互扩散。倒置显微镜分析显示焊接区的近红外光透过率较非焊接区显著提升。共聚焦激光扫描显微镜观测到焊缝形貌与宽度，其轴向焦点位置变化趋势与非线性吸收效应产生的泪滴结构一致。扫描速度与激光重复频率同样影响焊缝宽度与形貌。
关键词： 硅、玻璃、微焊接、超快激光
更新于2025-09-11 14:15:04
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熔融石英三维微加工中超快激光参数的优化
摘要： 我们针对熔融石英的三维微加工开展了一项激光参数优化研究，通过超快激光直写辅助化学蚀刻技术，旨在实现高表面质量、高产量生产及复杂曲面等实际应用关键目标。实验采用1030nm波长、最高2MHz重复频率，测试了300飞秒与1皮秒两种脉冲宽度、0.1-1.6微焦耳脉冲能量范围、三种偏振态（圆偏振/平行偏振/垂直偏振）以及3至10,000次脉冲重叠数量对1毫米厚熔融石英纳米光栅及一维/二维选择性蚀刻的影响。在一种配置下，经80微米高斯滤波后获得21.8纳米均方根表面粗糙度；另一种配置中，在保证1平方毫米区域（覆盖玻璃厚度）表面粗糙度小于400纳米（滤波后均方根值）的前提下，测得2MHz重复频率下的最大加工速度可达1.25米/秒。
关键词： 3D微加工、直写技术、粗糙度、化学蚀刻、选择性、超快激光
更新于2025-09-11 14:15:04
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通过超快相对论激光等离子体相互作用中的靶面起伏控制快离子能量分布与X射线发射
摘要： 激光等离子体产生的次级发射受电子分布函数支配。因此，对其实施控制对引导发射（例如为关键应用产生超短脉冲的高能光子和离子）具有至关重要的意义。若能实现等离子体对激光的最大吸收，则可获得最大增益。在我们的理论分析（包含与近期实验的对比）中，我们遵循这一思路，研究短脉冲激光能量如何转化为快离子和X射线的能量。通过靶面结构化来优化激光吸收时，我们利用对电子分布函数不同分支响应各异的离子发射和Kα发射进行研究。我们的实验涵盖采用飞秒近红外激光脉冲产生的最高达5×102? W/cm2的激光强度，以及厚度为几微米的钛箔靶材。特别地，我们揭示了热电子的能量弛豫过程——该过程决定了次级发射中观察到的激光强度依赖特性，并指出了在不同优化方案中实施靶面结构化的优势。
关键词： 激光等离子体、超快激光、快离子、电子分布函数、靶面起伏、相对论性激光等离子体相互作用、X射线发射
更新于2025-09-11 14:15:04
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超快激光照射下单晶金刚石针尖的场发射显微镜图像
摘要： 我们在此报道了基于单晶金刚石针尖、受超短光脉冲照射的场发射电子源的空间束流特性。研究表明，激光强度的增加会显著改变发射模式，在高峰值功率下会形成新的发射区域。该区域位于金刚石针尖上与激光照射面相对的另一侧。通过空间分辨能谱分析证实，该区域发射的电子遵循多光子吸收过程。这种发射模式的产生可通过纳米级针尖内部光衍射导致的光场增强非均匀分布及激光吸收效应来解释。针对实际亚波长针尖的数值模拟验证了光场增强的这种局域化现象，并揭示电子轨迹与实验观测到的空间束流分布完全吻合。本工作强调需要严密监控场发射体的表面粗糙度及激光照射条件，以实现对发射模式的精准调控。
关键词： 场发射、金刚石、超快激光、电子能谱学、纳米发射器
更新于2025-09-11 14:15:04