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激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

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光学精密工程 2024年第3期32卷 366-380页

作者：王晓光温秋玲陈金鸿黄国钦崔长彩姜峰华侨大学制造工程研究院福建厦门361021

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激... 详细信息

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm^(2),扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm^(2),扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

关键词：激光诱导等离子体烧蚀蓝宝石微结构工艺参数表面润湿性

能量场辅助激光诱导等离子体加工透明硬脆材料的研究现状及发展趋势

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机械工程学报 2024年第9期60卷 254-272页

作者：江安娜言兰王宁昌姜峰李卓温秋玲卢希钊黄辉华侨大学机电及自动化学院厦门361021 脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心厦门361021 高性能工具全国重点实验室(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司) 郑州450000 华侨大学制造工程研究院厦门361021 高性能工具全国重点实验室(华侨大学) 厦门361021

能量场辅助激光诱导等离子体加工技术是一种新兴的制造技术。基于传统的激光加工技术,通过引入热场、电场、磁场、化学场等能场进行创新,提高激光加工过程的可控性,不仅实现了透明硬脆材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造,也有利于满足超... 详细信息

能量场辅助激光诱导等离子体加工技术是一种新兴的制造技术。基于传统的激光加工技术,通过引入热场、电场、磁场、化学场等能场进行创新,提高激光加工过程的可控性,不仅实现了透明硬脆材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造,也有利于满足超精密制造的高质量、低损伤要求。从热场、磁场、电场、化学场分别具体阐述了不同的能量场辅助对激光加工技术的影响,通过分析激光机理和能量场辅助机理总结热场、电场、磁场和化学场对激光加工中的热能、光能、动能和表面能的影响原理,并介绍了能量场辅助激光加工的设备及工艺方法,最后总结能量场辅助激光加工技术目前存在的不足及未来面临的挑战,为进一步发展多能场复合辅助激光诱导等离子体加工技术奠定基础。

关键词：透明硬脆材料电场辅助激光加工磁场辅助激光加工热场辅助激光加工化学场辅助激光加工

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激光复合加工硬脆性材料研究进展综述

机械工程学报 2024年第9期60卷 168-188页

作者：温秋玲杨野黄辉黄国钦胡中伟陈金鸿汪晖吴贤华侨大学制造工程研究院厦门361021 高性能工具全国重点实验室(华侨大学) 厦门361021 华侨大学机电及自动化学院厦门361021

玻璃、半导体、蓝宝石、陶瓷和硬质合金等硬脆性材料被广泛应用于建筑、生物医疗、航空航天、集成电路、新能源、光电显示、轨道交通、海洋等领域。但是其高硬度、大脆性、高耐磨性和耐腐蚀等特性也给它们的加工带来巨大挑战。目前,机... 详细信息

玻璃、半导体、蓝宝石、陶瓷和硬质合金等硬脆性材料被广泛应用于建筑、生物医疗、航空航天、集成电路、新能源、光电显示、轨道交通、海洋等领域。但是其高硬度、大脆性、高耐磨性和耐腐蚀等特性也给它们的加工带来巨大挑战。目前,机械加工、离子束加工、化学蚀刻、激光加工等方式是加工硬脆性材料的主要方法。但是这些加工方式依然存在加工效率和加工质量不可兼得的瓶颈问题。为此,研究人员提出了将激光加工和其他加工方式结合起来的复合加工方法,旨在实现硬脆性材料的高质量和高效率加工。概述了主流的基于激光复合的硬脆材料加工方法,主要包括其他方式辅助激光加工、激光辅助其他方式加工、激光辅助激光加工;重点阐述了这些激光复合加工技术的加工原理、研究现状和加工效果;总结了不同激光复合加工方法的优势、局限性和应用场景,最后对激光复合加工硬脆性材料的未来发展趋势提出了展望。

关键词：激光复合加工硬脆性材料加工效率加工质量微结构

短脉冲红外激光诱导等离子体微刻蚀单晶高温高压金刚石

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光子学报 2021年第6期50卷 129-137页

作者：卢希钊陈嘉林温秋玲陆静姜峰华侨大学机电及自动化学院福建厦门361021 华侨大学制造工程研究院福建厦门361021

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构,研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响。当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良... 详细信息

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构,研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响。当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时,光热作用明显,诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用下,单晶金刚石表层温度迅速上升至600°C以上,此时金刚石表层产生了刻蚀微结构;当用脉冲宽度小于4 ns的激光轰击靶材表面时,短脉冲激光轰击靶材诱导金属等离子团,可实现背面溅射相关金属靶材,当等离子体密度达到微刻蚀阈值时也可实现金刚石背部刻蚀以及石墨化。短脉冲红外激光的脉宽、重复频率决定了沉积/刻蚀加工效果。本文研究表明短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术是一种新型可靠的金刚石微结构加工工艺。

关键词：单晶金刚石激光诱导等离子体短脉冲红外激光铜靶石墨化

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纳米孔阵列加工技术研究进展

机械工程学报 2020年第9期56卷 223-233页

作者：张鹏程温秋玲姜峰沈少鑫陆静华侨大学制造工程研究院厦门361021 华侨大学信息科学与工程学院厦门361021

纳米孔阵列在生物检测、传感器、发光器件、光学调制和新能源等领域具有重要的应用。综述了目前几种主流的纳米孔阵列加工技术的基本原理、研究进展、加工效率、加工精度、加工质量、适用范围,并比较了这几种加工方法各自的优势及其局... 详细信息

纳米孔阵列在生物检测、传感器、发光器件、光学调制和新能源等领域具有重要的应用。综述了目前几种主流的纳米孔阵列加工技术的基本原理、研究进展、加工效率、加工精度、加工质量、适用范围,并比较了这几种加工方法各自的优势及其局限性。最后指出了纳米孔阵列加工技术当前所面临的挑战和今后的发展方向,以期为大面积纳米孔阵列的高效率、高精度、高质量、低成本制造提供新思路。

关键词：纳米孔阵列阳极氧化法激光制孔聚焦离子束加工电子束加工图形复制技术

纳秒激光直写表面辅助下紫铜的激光焊成形及接头组织和性能

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焊接学报 2023年第4期44卷 21-29,I0004,I0005页

作者：周广涛邝景臻温秋玲蔡祖鹏苏礼季华侨大学福建省特种能场制造重点实验室厦门361021 华侨大学制造工程研究院厦门361021 厦门宏发电力电器有限公司厦门361021

针对紫铜激光焊高反射率问题,提出了一种纳秒激光直写表面辅助下紫铜激光焊方法.利用纳秒激光对紫铜待焊区表面进行激光直写,产生覆盖有纳米颗粒的周期微结构,提高吸收率从而实现激光焊.阐述了纳秒激光直写表面降反作用机理,研究了焊接... 详细信息

针对紫铜激光焊高反射率问题,提出了一种纳秒激光直写表面辅助下紫铜激光焊方法.利用纳秒激光对紫铜待焊区表面进行激光直写,产生覆盖有纳米颗粒的周期微结构,提高吸收率从而实现激光焊.阐述了纳秒激光直写表面降反作用机理,研究了焊接工艺参数对焊缝成形的影响,对焊接接头的组织和力学性能进行了分析.结果表明,纳秒激光直写表面能够有效降低紫铜对激光的反射率;随着焊接激光功率增加,焊缝成形由宽而浅变为窄而深;焊缝区结晶以铜晶粒为晶核呈柱状晶生长,且柱状晶尾部呈弯曲状指向焊接方向,并非指向中截面生长,树枝状束粗细均匀;通过线扫描发现表面纳秒激光直写处理对紫铜焊缝冶金行为几乎没有影响,仅在距离焊缝表面53μm范围内存在少量O元素,而焊缝内部几乎没有氧等异质引入,均为紫铜的单相固溶体;接头的抗拉强度为母材的81.4%,焊缝中心硬度为65.8 HV0.1,断口表现为延性断裂,焊缝保持一定塑性.

关键词：纳秒激光直写激光吸收率激光焊焊缝成形

紫外纳秒激光加工金刚石微槽工艺参数优化研究

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中国激光 2022年第10期49卷 88-98页

作者：韦新宇温秋玲陆静黄国钦崔长彩姜峰华侨大学制造工程研究院福建厦门361021

金刚石微槽在微电子散热器件和光学器件等领域都有非常大的潜在应用价值。系统研究了激光脉冲能量、扫描速度、扫描次数、重复频率和离焦量对金刚石微槽形貌、微槽宽度、微槽深度及微槽深度与宽度的比值的影响规律。研究结果表明,金刚... 详细信息

金刚石微槽在微电子散热器件和光学器件等领域都有非常大的潜在应用价值。系统研究了激光脉冲能量、扫描速度、扫描次数、重复频率和离焦量对金刚石微槽形貌、微槽宽度、微槽深度及微槽深度与宽度的比值的影响规律。研究结果表明,金刚石微槽的深度与激光脉冲能量、扫描次数呈正相关,随着激光脉冲能量和扫描次数的增大,微槽深度逐渐增加,并且当激光脉冲能量达到200μJ,扫描次数增加到30时,微槽深度趋于稳定;金刚石微槽的深度与扫描速度呈负相关,当扫描速度为5 mm/s时,可获得深度较大的微槽;微槽的深度随着激光重复频率的增大而增加,当激光重复频率达到60 kHz时,微槽的深度趋于稳定。当离焦量从负值变化到正值时,微槽的深度先增加后减小,当离焦量为-1 mm时,微槽的深度达到最大。在激光脉冲能量为200μJ,扫描速度为5 mm/s,扫描次数为30,重复频率为60 kHz,离焦量为-1 mm的优化参数下,能够获得微槽深度与微槽宽度的比值大于12的金刚石微槽。

关键词：激光技术紫外纳秒激光单晶金刚石微槽激光工艺参数

皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

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光子学报 2021年第6期50卷 118-128页

作者：温秋玲韦新宇王华禄崔长彩陆静胡中伟姜峰华侨大学制造工程研究院福建厦门361021

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹... 详细信息

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析,发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的,并且随着激光能量密度的增加,石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明,皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面,而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少,因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小,导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。

关键词：皮秒激光金刚石温度场微槽烧蚀特征材料去除

飞秒激光加工CVD单晶金刚石的烧蚀特征和机理研究

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光子学报 2023年第12期52卷 44-58页

作者：汪晖温秋玲黄辉黄国钦姜峰陆静吴贤华侨大学制造工程研究院厦门361021 高性能工具全国重点实验室厦门361021 华侨大学机电及自动化学院厦门361021

为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理,进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明,金刚石被加工区域出现了沿着晶向的微裂... 详细信息

为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理,进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明,金刚石被加工区域出现了沿着晶向的微裂纹,在微槽边缘区域形成了周期为100~230 nm的纳米条纹,微槽中心区域形成了周期为460~640 nm的纳米条纹,且纳米条纹的形貌与激光加工参数密切相关。通过实验获得了金刚石的烧蚀阈值为3.20 J/cm^(2),且当激光能量密度为24.34 J/cm^(2)时,金刚石的烧蚀速率为44.8 nm/pulse,材料去除率为4.34×10^(−10)g/pulse。拉曼检测发现,微槽底部的金刚石发生了石墨化,理论计算的石墨层厚度为11.1 nm。根据不同激光能量密度下拉曼峰的频移计算飞秒激光辐照后金刚石微槽内的残余应力,当激光能量密度增加至24.34 J/cm^(2)时,残余拉应力增大至1389 MPa。温度场仿真结果表明,飞秒激光加工金刚石的材料去除主要是以金刚石升华为主,且飞秒激光辐照能量大多集中在金刚石的表层,几乎不会通过热传导扩散到金刚石内部。

关键词：飞秒激光烧蚀 CVD单晶金刚石纳米条纹烧蚀速率石墨化残余应力温度场