关键词： 飞秒激光   表面微纳加工   激光烧蚀   双光子聚合  

摘要： 飞秒激光脉冲宽度超短、峰值功率超强,在表面微纳加工领域得到了广泛的关注和应用。简述了飞秒激光诞生至今的应用概况,然后依据不同的加工对象(金属、透明材料、聚合物)阐述了飞秒激光与其相互作用的机理,从激光烧蚀、双光子聚合加工、飞秒激光微纳加工系统3方面对飞秒激光表面微纳加工技术进行了综述,最后探讨了待解决问题并进行了展望。

关键词： 飞秒激光微纳加工技术   原理   特征   应用  

摘要： 激光微纳加工技术是制造技术中的一种先进高新技术,目前已在工业、机械制造等诸多领域有了广泛的应用。运用这种技术对材料进行加工,可以达到纳米级的加工分辨率,可以大大提高机械加工的精度与效率。本文主要探讨了飞秒激光微纳加工技术的原理与特征,以及该技术在实际中的应用。

关键词： 微纳米加工技术   激光   微纳结构  

摘要： 微纳结构化材料是指在功能材料中引入微纳米尺度结构,以提升功能材料性能和拓展其新功能.功能结构的微纳米化不仅意味着能源与原材料的节省,而且带来多功能的高度集成和生产成本的大大降低.实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术,从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术到纳米技术,微纳米加工技术获得

关键词： 飞秒激光微纳加工技术   原理   特征   应用  

摘要： 激光微纳加工技术是制造技术中的一种先进高新技术,目前已在工业、机械制造等诸多领域有了广泛的应用。运用这种技术对材料进行加工,可以达到纳米级的加工分辨率,可以大大提高机械加工的精度与效率。本文主要探讨了飞秒激光微纳加工技术的原理与特征,以及该技术在实际中的应用。

关键词： 微纳加工技术   光纤传感   光子晶体光纤   飞秒激光器   二氧化碳激光器  

摘要： 自二十世纪六十年代华裔科学家高锟博士首次提出光纤这一波导介质以来，特别是二十世纪八九十年代，光纤技术得到了卓有成效的研究。科研人员在研究光纤的稳定性、传输性等特性的基础上，逐渐发现了光纤另一特性---传感性。光纤这一特性的研究促进了光纤传感领域的科研和发展，扩大了光纤传感的应用范围，使光纤传感在建筑检测、生物医疗、石油化工、国防安防等各个领域得到了充分的发展。随着科研及工业等领域逐渐向小型化发展的趋势，多种特殊领域对微纳光纤传感技术的应用需求日益受到人们的重视。例如在生物医疗检测中，人们希望能够在人体中植入生物传感器，从而实现在线式的实时人体健康检测。这种新型的结构化的需求不仅需要光纤具有较高的稳定性和耐久性，同时亦对光纤传感器的体积和结构提出了更高的要求。微纳型的光纤传感器通过激光加工制造技术可以实现多种功能，目前已成为传感领域的研究热点。尤其是二氧化碳激光器、飞秒激光器、等离子聚焦光束等一系列高精度加工技术的出现为微纳型的光纤传感器的发展打开了一扇大门。 多种特殊领域对微纳光纤传感技术的应用需求，为微纳光纤传感器的发展指明了前景，但也给其研制过程提出了一些新的问题。首先，由于微纳加工技术的局限，微纳光纤传感器的性能会受到端面平整度及镀膜反射率的影响，其研制方法还有待进一步研究。其次，当微纳光纤传感器与化学液体相结合时，由于物质形态的原因会使传感器光学原件增多、结构复杂，导致稳定性降低。再次，对于光栅型的微纳光线传感器，其长度往往受到温度的影响，因而这种类型的传感器精度较低，抗干扰性较差，应用性也受到很大限制。最后，飞秒激光光束对光纤结构的损伤较大，其加工的微纳光纤传感器在复杂环境中的稳定性和耐久性还都存在问题。 正是在这一背景下，本文利用多种激光微纳加工技术对光纤传感器进行了研究。主要包括： 1.对光纤表面微纳加工技术进行了研究，建立了光纤端面反射率与Fabry-Perot干涉理论的模型，较为精确的描述了两者之间的关系。在此基础上提出了折射率传感器、湿度传感器、磁场传感器以及色散测量法的设计方法;2.对光纤填充微纳加工技术进行了研究，分析了光纤液体填充速度与施加压力之间的规律，并设计出新型光纤填充设备。通过此技术研制了高性能的光子晶体光纤磁场传感器，其具有结构简单，灵敏度高，干扰性小等优点。 3.对光纤螺旋长周期光栅微纳加工技术进行了研究，提出了光纤相移型螺旋长周期光栅的制作方法，并建立了相移型螺旋长周期光栅的的理论模型。以此模型为基础验证了螺旋型光纤长周期光栅的扭矩传感特性和温度非敏感特性。 4.对飞秒激光器在光纤下的微纳加工技术进行了研究，归纳总结了单光子与多光子飞秒激光光束与聚合物的反应原理，并将飞秒激光器与光纤结合设计出多种结构稳定、性能稳定的光纤磁场传感器。

关键词： 双光子微纳加工技术   化学镀   三维金属微纳米结构  

摘要： 利用飞秒激光双光子微纳加工技术与化学镀工艺制备了三维金属微弹簧结构。采用扫描电子显微镜(SEM)及选区电子能谱(EDS)对镀层进行了表征,当化学镀时间为15min时,所得到的镀层厚度约为130nm。对不同电镀时间下获得的镀层电阻率进行了测定,实验结果表明,当电镀时间为35min时得到的镀层电阻率约为80×10-9Ω·m,仅为银块体材料电阻率16×10-9Ω·m的5倍。利用这种方法,我们制备了总长度为28.75μm、周期为2.93μm的悬空金属弹簧结构,其中弹簧圈数为9圈,直径为6μm,弹簧线分辨率为1.17μm。文中所述的将双光子微纳加工技术与化学镀技术相结合的方法可以实现任意三维微金属结构与器件的制备,在微光学器件、微机电系统(MEMS)及微传感器等领域有着广泛的应用前景。

关键词： 微加工技术   微能源系统   工艺参数   测试表征   纳米摩擦发电机  

摘要： 自然界中广泛存在的以荷叶等为代表的微纳复合结构，所呈现出来的优异特性吸引了无数研究者的关注，多种多样的人造微纳复合材料相继涌现，并在光电转换器件、生物分子在线检测、自清洁材料和超粘附表面等多个领域展现了极具吸引力的应用前景。传统的微纳复合制造技术包括自上而下(Top-Down)和自下而上(Bottom-Up)两种方法，但都或多或少地受限于最小光刻线宽、高精度掩膜、低产率和加工面积小等问题的制约，从而限制了微纳复合制造技术的快速发展和更广泛深入的应用。因此，实现一种具有高可控性、无需掩膜、低成本且适用于多种材料的大规模微纳复合制造方法对于微纳米领域的发展具有重要意义。\n 本论文以微加工技术为基础，通过大量实验探索和理论研究，建立了一套系统的微纳复合制造方法，适用于硅基材料和柔性材料的大规模微纳复合结构制备，工艺简单可靠、兼容性好，且可以批量化和低成本生产，所制备的样品呈现了诸如超疏水、宽带减反射和表面增强拉曼散射等优异特性。同时，采用上述制造方法所得到的柔性微纳复合材料被成功用于高性能柔性纳米摩擦发电机，拓展和加深了微纳复合材料在微能源系统中的实际应用。\n 论文的主要工作包括以下几个方面:\n 首先，通过关键参数提取、工作区间确定、工艺参数优化等大量细致深入的实验探索研究，提出了一种基于优化DRIE工艺的无掩膜纳米森林加工技术;并将其与微米加工技术相结合，通过实验探索、机理研究和测试表征，提出并实现了一种晶片级大规模硅基微纳复合制造方法;探讨了硅基微纳复合跨尺度加工过程中的多尺度耦合效应;通过结构优化设计，利用上述方法制备得到了具有优异的超宽带减反射和稳定超疏水特性的硅基微纳复合结构，在光电转换器件和微纳流体领域具有非常广泛的应用前景。\n 其次，通过硅基微纳复合结构加工技术与柔性材料的图形结构转印工艺相结合，将上述硅基微纳复合制造方法进一步拓展到了柔性材料领域，实现了适用于多种柔性材料的微纳复合结构的单步制造方法，系统地研究了转印工艺的关键工艺参数与转印精度的定量关系;通过有限元法仿真分析，探索并揭示了在柔性材料微纳跨尺度加工过程中的多尺度耦合效应的新现象和基本规律;将密度泛函理论引入聚合物材料亲疏水特性分析中，在分子水平上分析了等离子体修饰对材料表面润湿特性的影响，为等离子体修饰材料表面特性奠定了一定的理论基础;利用这种柔性材料微纳复合制造方法，成功制备实现了两种常用柔性材料的微纳复合结构薄膜(PDMS和Parylene-C);通过液体动力学测试实验及拉曼光谱测试实验，揭示了所制备柔性微纳复合结构的优异疏水特性和显著SERS效应。\n 然后，将上述柔性材料微纳复合结构引入纳米摩擦发电机加工设计中，实现了一种高性能柔性三明治结构纳米摩擦发电机;提出了器件电学输出的理论分析模型，并给出了数值解析;通过有限元法仿真分析了器件工作机理;通过系统的电学性能测试，分析了器件的频率响应特性和尺寸面积对器件输出性能的影响;通过驱动商用LED验证了器件作为稳定供能单元的实用性。\n 最后，将所提出的基于微加工技术的微纳复合制造方法进一步引入纳米摩擦发电机领域，提出了两种提升器件输出性能的普适性方法，即单步氟碳等离子体处理和复合式性能提升;对摩擦生电现象的内在机理进行了理论分析，在分子水平上采用密度泛函理论对摩擦材料得失电子能力进行了解析;从加工设备、等离子体气体、基底材料、连续工作、长期测试等各个方面对单步氟碳等离子体处理方法的可靠性、稳定性和普适性进行了系统分析;通过平滑表面、纳米尺度结构、微米尺度阵列结构和微纳复合结构等多种表面结构形貌的对比，确证了增大表面粗糙度可以用于提升器件输出性能的结论，并进一步获得了微米尺度阵列结构起主导作用的新结论;提出并实现了一种新型的r形压电摩擦复合式纳米发电机;最后对上述高性能柔性纳米摩擦发电机的实用性进行了探索，在自驱动传感器、商用电子器件和生物医学微系统领域做了大量创新性的工作。\n 综上所述，本论文所提出的基于微加工技术的微纳复合制造方法是一种具有普适性的大规模低成本的通用方法，可用于硅基材料和柔性材料的微纳复合结构加工。论文从实验设计、机理探索、仿真分析、测试表征等多方面对这种方法进行了系统地研究，进而制备实现了多种具有优异特性的微纳复合结构。本论文进一步将上述微纳复合制造方法引入微能源系统中，通过理论分析、性能提升和应用探索，提出并实现了多种高性能纳米发电机，并在商用电子器件和系统，以及生物医学微系统领域进行了实用化探索。

关键词： 飞秒激光   数据模型   金刚石结构  

摘要： 飞秒激光微纳加工是一种直写方式的加工方式，这种加工技术可以对复杂结构进行任意加工，由于这种加工方式是一种高精度的加工方式，所以需要在计算机技术控制下来完成。本文主要研究了计算机技术在加工方式控制上与计算机数据模型生成方面的一些问题。本文在搭建飞秒激光微纳加工系统的基础上，制作金刚石结构光子晶体数据模型，然后利用加工系统制作了金刚石结构光子晶体，并在加工过程中对系统问题进行优化。 本文主要内容有： 一、加工系统的优化 1、利用计算机技术研究需要加工的数据模型，制作加工控制程序对控制系统进行操作，编写人机交互界面，对人机交互界面进行优化，优化加工过程。 2、优化加工系统参数设置，研究各种加工参数对加工结果的影响，提高加工系统的可操作性。 3、研究数据对加工结果的影响，对数据模型进行排序，提高加工效率。 二、研究金刚石结构数据模型 1、研究了金刚石结构中圆柱的生成方法，利用椭圆堆积，生成圆柱数据模型。 2、对数据模型按照一定的角度进行拼接，拼接成金刚石结构数据模型

关键词： 激光光学   带宽   飞秒激光微加工   光纤布拉格光栅  

摘要： 理论和实验上研究了利用飞秒激光微纳加工技术制备的广义高斯切趾光纤布拉格光栅(FBG)的带宽特性。模拟结果表明,FBG带宽随着折射率调制度的增大而增大,随着光栅长度的增大先减小后趋于饱和。利用飞秒激光相位掩模法制备FBG的实验结果表明,当飞秒激光功率较小时,随着激光功率的增加,FBG带宽基本不变;激光功率超过一定阈值,FBG带宽随着激光功率的增大而逐渐增大。曝光时间较短时,FBG带宽随曝光时间的增加而急剧增大;随着曝光时间的继续增加,FBG带宽逐渐趋近于饱和。FBG带宽随着飞秒激光功率和曝光时间的变化可以归因于飞秒激光诱导FBG折射率调制度和光栅长度的变化。这些规律为调控利用飞秒激光微纳加工技术制备FBG带宽提供了参考。

关键词： 玻璃微流控芯片   微纳米加工   电化学加工   软印章   聚丙烯酰胺   湿法刻蚀   室温键合  

摘要： 微流控芯片(Microfluidic Chip)以其在尺寸、传质传热速度、自动化以及成本等多方面无可比拟的优势，近年来活跃于化学、生物、医学、食品等领域中。快速高效低成本的芯片制作是微流控芯片广泛应用的前提。玻璃是目前商品化应用最为广泛的芯片材料之一，但现有的玻璃芯片制备方法均不能满足大批量生产的需要。\n 本论文基于PAG软印章技术，探索高效率、低成本的玻璃芯片加工技术。主要的工作包括以下几个方面:\n (1)建立了图案化PAG软印章的制备方法，详细考察单体浓度，交联剂用量、硬模类型、基底图案类型与尺寸、基底亲疏水性以及环境条件如温度、pH等因素对PAG印章制备的影响。经过条件筛选和工艺优化，在最佳条件下可制备大面积(2cm×2cm)软印章图案，且几无缺陷，测得不同印章之间RSD=0.3％，表明PAG软印章重现性好，一致性高，其中最小结构可达320nm。\n (2)利用AFM力-距离曲线和赫兹模型拟合对不同浓度PAG印章进行杨氏模量的测试表征。详细探讨了单体和交联剂浓度对印章模量的影响，结果表明，当交联剂浓度为0.6％，单体浓度为30％的PAG杨氏模量为4.46MPa，比琼脂糖凝胶(75kPa)高出两个数量级。并使用ANSYS软件，模拟了不同模量的印章在压力下的应力与应变情况，为后续电化学微纳加工提供了指导。\n (3)建立了电化学PAG印章加工技术，考察了刻蚀电位、压力、时间、印章图案等因素对刻蚀效果的影响，结果表明，在最优条件下，利用320nm的软印章可以得到约380nm的清晰图案，相比琼脂糖湿印章电化学技术加工精度(20μm)提高了两个数量级。\n (4)利用PAG电化学软印章技术进行玻璃微流控芯片的批量加工，考察了玻璃腐蚀液、金属牺牲层对玻璃微通道加工的影响。结果表明，不同芯片之间RSD=0.72％，加工重现性高;在优化条件下，该方法200s内即可实现对Cr/Au牺牲层的图案加工，结合湿法刻蚀与室温键合技术，可以得到底部平整、边壁光滑的微流控芯片。成本分析表明，量产50片以上时，玻璃芯片的加工成本由光刻法的148元降为33.4元，降低约80％。