关键词： 电火花放电加工   温度场   重熔层   表面粗糙度  

摘要： 电火花加工过程中在瞬时热源的影响下工件吸收热量后,工件表面材料瞬时熔化气化,在工件的表面产生一层熔化再次凝固的重熔层,重熔层和重熔层内部裂纹的存在会对工件的使用性能造成不利的影响。因此对电火花单脉冲放电凹坑和重熔层的尺寸形貌进行仿真研究,并在此基础上对电火花连续脉冲加工后的工件表面粗糙度和重熔层厚度进行数值模拟和实验研究,有利于揭示峰值电流和脉宽对重熔层厚度和表面粗糙度的影响规律。对重熔层厚度和表面粗糙度的关系的研究,对通过表面粗糙度预测重熔层的厚度有重要意义。首先,建立电火花单脉冲放电加工过程温度场仿真模型,数值模拟电火花单脉冲放电下工件表面的温度分布,分析脉冲宽度和峰值电流对最高温度、蚀除尺寸和重熔层厚度的影响规律。然后,在电火花单脉冲放电加工过程温度场仿真的基础上,建立电火花连续脉冲放电过程温度场仿真模型,数值模拟电火花连续脉冲放电下工件表面的温度分布和表面形貌,分析电火花连续脉冲放电加工过程中脉冲宽度和峰值电流对表面形貌、表面粗糙度和重熔层厚度的影响规律。最后,基于中心复合设计方法进行不同的峰值电流和脉宽条件下电火花放电加工实验,研究峰值电流和脉宽对表面粗糙度和重熔层厚度的影响规律,验证电火花连续脉冲放电加工过程温度场仿真模型的准确性。

关键词： 仿生   超疏水   液滴传输   激光加工  

摘要： 液滴传输在医疗保健、环境保护、能源生产等方面具有广泛的应用,例如数字微流体系统、能量收集、水收集及油水分离等领域,其中实现自主且轻松地操纵液滴在小型设备流体操控系统具有重要意义。流体操控系统可分为封闭及开放系统,封闭微流控系统由于大的流体阻力需要泵动装置驱动液滴运动,降低了其灵活性,而开放微流控系统有望解决这一问题,而仿生超润湿表面为实现开放微流控的高度可控提供了途径。经过亿万年的发展,自然界中的生物为适应自然环境进化出了基于表面润湿性实现液滴自主传输的能力,例如沙漠甲虫的图案化表面、活动的纤毛及仙人掌刺,它们利用结构润湿梯度或不平衡力的作用驱动液滴实现可控的自主传输。人类受大自然的启示,通过模仿生物表面的形貌及结构特征,开发了一系列具有液滴传输能力的功能表面,并在能源、微流体、生物分析及医疗设备等领域进行应用。然而,传统的表面通常制备方法复杂、成本高、难以大面积生产,且液滴在表面的传输可控性较差,这限制了表面的应用。基于上述分析,结合表面润湿性的研究基础,以多种生物为原型,利用简单地激光选择性加工、磁场辅助及化学刻蚀的方法,设计制备了具有液滴定向传输、方向选择性传输、可编程传输、反重力自传输能力的结构化功能表面,并研究了液滴在功能表面的传输机制,主要结论如下:（1）受沙漠甲虫图案化交错润湿表面的启发,利用激光选择性刻蚀的方法,设计了一种仿生交错润湿表面,其中超疏水区域的接触角达153.1°,图案位点的接触角接近0°,由于润湿性差异,液滴从超疏水区域向亲水位点转移,实现了液滴定向传输。基于仿生表面良好的柔韧性,将其集成到穿戴设备,具有即时、多指标、半定量检测的能力,并以酸碱溶液、亚硝酸盐、淀粉样和蛋白质的显色反应为例验证了仿生表面的实用性。（2）受活动纤毛的启示,结合磁场辅助及激光选择性刻蚀,制备了具有纤毛结构的仿生功能表面。由于激光烧蚀,纤毛表面形成微纳米结构,这种粗糙结构捕获空气形成空气层,使纤毛呈超疏水低粘附状态。通过改变磁场方向,进而影响纤毛摆动方向,表面液滴受到纤毛推动力的作用,轻松地向纤毛摆动的方向传输。通过磁铁控制纤毛的方向,实现了液滴的方向选择性传输。同时制备的表面具有良好的物理化学稳定性。（3）基于前期研究基础,受荷叶表面超疏水及沙漠甲虫表面交错润湿性的启发,以PDMS、Si O2和Co为原料,采用简单刮涂的方法制备白色基底磁响应表面。通过激光选择加工,获得了包含高粘附位点的仿生磁响应图案化超疏水表面。磁铁诱导表面产生倾斜角,液滴在不平衡力的作用下被精确操控,实现了液滴可编程传输及单液滴的多位点分散。对于小于2μL的液滴,则通过弹跳获得初始速度实现液滴传输。以Na OH液滴与酸碱指示剂、Cu SO4、Fe Cl3的反应为例,证明了仿生图案化表面作为微反应平台的可行性。（4）基于前期润湿性的研究基础,受仙人掌刺的启发,设计制备了仿生楔形图案化表面,液滴在仿生楔形图案化表面具有反重力自传输的能力,液滴反重力传输的动力来源于结构梯度产生的拉普拉斯压力,减小图案表面的接触角及选择合适的楔形角度有利于液滴在图案表面自传输。减小液滴体积,有利于实现液滴的完全反重力自传输。

关键词： 大面积铝均热板   真空钎焊   焊接面微结构   激光加工   数值模拟  

摘要： 近年来随着电子元器件的飞速发展,热管理需求也越来越高,相变传热因为其高效的传热效率被广泛应用。铝均热板作为一种高效的相变传热元件,因具有高传热性能、自驱动性、高可靠性和较好的适应性,被诸多场景所使用。但目前铝均热板存在焊接难度大的问题,因此焊接尺寸受限,更多的是针对小型器件的散热。本文结合真空钎焊和激光加工技术,提出一种大面积铝均热板的制备方法,实现定向引导钎料的流动,降低钎料对吸液芯毛细性能的影响,并制备出高可靠性、高气密性的大面积铝均热板。主要研究内容如下:(1)真空钎焊及激光加工工艺参数研究。通过红外测量法验证了钎料对均热板吸液芯毛细性能的影响,分析了吸液芯最大毛细上升高度与上升速率的变化趋势;研究了钎焊温度与装夹预紧力对焊接接头力学性能、组织形貌和钎料润湿性的影响,得出较好的钎焊工艺参数;研究了焊接面激光加工中不同激光扫描方式和扫描次数对接头强度、组织形貌和钎料润湿性的影响,分析激光加工微沟槽结构成型机理与钎料的流动规律。综合多因素选定真空钎焊温度为585℃,装夹预紧力为218.75 MPa,激光扫描方式为同向扫描3次。在该工艺参数下可实现高可靠性、钎料定向流动的焊接效果。(2)大面积铝均热板真空钎焊数值模拟分析。通过有限元法对大面积铝均热板真空钎焊过程进行热力耦合数值模拟,研究了装夹预紧力与热应力对均热板形变的影响,分析真空钎焊过程中不同阶段的多物理场分布规律。结果表明:在前述工艺参数下进行大面积铝均热板的真空钎焊具有较高的稳定性,未出现明显的缺陷。(3)激光加工大面积铝均热板焊接质量研究。将焊接面微沟槽结构激光加工方法应用到大面积铝均热板制备中,通过气密性和耐压性测试,验证该方法的可靠性。结果表明:具有微沟槽结构焊接面的铝均热板的氦泄漏率低于极限泄漏率,同样满足气密性要求;环境温度超过170℃时均热板出现微小形变,但减少钎料流出可以降低其对均热板底板的溶蚀,因此具有激光加工微沟槽结构均热板的变形小于无此结构的均热板变形。

关键词： 定制工程   飞秒激光烧蚀   离子注入   纳米光栅   光学晶体  

摘要： 离子注入和飞秒激光烧蚀是用于透明材料微纳加工的强大技术。离子注入技术是一种成熟的半导体加工技术,近几年来,被广泛应用于光通信器件、光波导的制作。在离子注入形成光波导的过程中,带正电的离子或质子通过加速系统加速至较高的能量后轰击靶材料的表面,与靶材料内的原子核及电子相互作用而损失能量。通过损伤、缺陷机制,最终停留在靶材料表层的微米量级深度下,诱导注入区域的靶材料折射率发生改变从而形成表面光波导结构。随着高功率脉冲飞秒激光技术的迅猛发展,脉冲飞秒激光加工技术得到了广泛的应用。飞秒激光与物质相互作用具有明显的优势,如加工过程非热熔性、亚微米加工、三维加工、加工材料广泛等。飞秒激光加工的材料表面具有多种超强特性,如超强的光学吸收效率,超亲水性,超疏水性,超强的电磁辐射,超强的黏附力和脱附力等。因此,在超高速光通信、新能源、纳米科学、生物医学等领域得到广泛应用。在本论文中,我们报道了通过离子注入技术和飞秒激光烧蚀对光学晶体的选择性表面加工工程,即离子注入辅助飞秒激光烧蚀。基于离子注入层中的材料改性效应,飞秒激光烧蚀选择性地诱导出以纳米沟槽、纳米光栅或亚微米轨迹为特征的不同类型的表面结构。研究表明,在激光烧蚀模式的形成和演变中,目标晶体中离子-电子相互作用引起的局部晶格缺陷和相关的性质调制起着非常重要的作用。此外,我们通过表面等离子体激元激发局域场的周期性增强证明了高空间频率纳米光栅的形成过程,利用透射电子显微镜和能量色散光谱的测量结果证实了相关研究理论。我们的研究结果进一步阐明了离子与物质以及激光与物质的相互作用过程,并且进一步探究了这些过程与表面改性之间的相关性。本论文提出的方法为在晶体材料上快速制造混合和多功能表面结构提供了潜在应用。

关键词： 超声振动辅助混粉电火花加工   TiN陶瓷   流场仿真   加工机理   工艺优化  

摘要： 氮化钛(TiN)陶瓷材料由于其高强度、高熔点、导电性等优异性能在航空航天、表面涂层及装饰及兵工等行业得到普遍应用。其使用传统机械加工方式加工时会严重损耗刀具,以致出现加工成本高、加工效率低等问题。电火花加工的性能与加工对象的强度、硬度无关,因此在导电陶瓷材料的加工上,其具有很大的优越性。但是,常规电火花加工方存在材料去除率低下、表面质量不高等问题,且其放电后产生的瞬时温差会损伤材料表面,严重时甚至会导致材料碎裂。因此,研究一种针对TiN陶瓷材料的高效率、高质量的电火花加工技术及机理拥有重大的理论意义和实际应用价值。基于TiN陶瓷材料的物理性能,分析了超声振动辅助混粉电火花加工TiN陶瓷材料的去除机理,总结出混粉和工具电极附加超声振动后对加工性能的影响规律。结论为附加振动与添加混粉颗粒有利于提升电火花加工TiN陶瓷材料的效率和质量。搭建超声振动辅助混粉电火花加工实验平台,包括超声振动系统和混粉颗粒循环系统两部分的设计搭建。分别对两部分进行性能测试,通过模态及谐响应分析验证超声振动主轴的可靠性,并利用振幅测量仪和阻抗分析仪对成品进行测试,对于混粉颗粒循环系统进行了电介质槽内的流场仿真,结果表明两部分都满足本课题的实验要求。对理论分析进行仿真验证,基于有限元方法仿真分析了放电时的间隙流场,研究了工具电极超声振动对间隙流场的影响规律,并通过离散相模型追踪了极间蚀除碎屑和混粉颗粒的轨迹。结果发现,超声振动的作用使极间流速得到提升,进而提升了蚀除碎屑的排除效率;且混粉颗粒通过振动能够撞击工件表面,实现了一定的材料去除。开展单因素实验,分析超声振幅、混粉浓度、脉冲间隔和脉冲宽度对加工性能评价指标的影响。实验结果表明:超声振幅增大后,材料去除率持续增长,表面粗糙度先降低后增大,相对电极损耗率先增加后降低;混粉颗粒的浓度提升后,材料去除率先增加再减小,表面粗糙度先减小后增大,相对电极损耗率先增加后减小;脉冲宽度增大后,材料去除率先增加再减小,表面粗糙度会增加,相对电极损耗率减小;脉冲间隔增大后,材料去除率先增长后降低,表面粗糙度逐渐降低,相对电极损耗率先减小后增加。基于响应曲面法对超声振动辅助混粉电火花加工TiN陶瓷工艺完成优化,并通过对比试验证明本课题提出加工工艺的性能十分优异,为该工艺对其他导电工程陶瓷材料的工程应用,提供了相关理论数据及借鉴方法。

关键词： 电火花加工   加工工艺   深长孔   电磁驱动器  

摘要： 制造业在国家发展中占据不可替代的地位,在加工制造方面,电火花加工在某些场所具有独特优势,但加工效率较低,阻碍了电火花加工技术的发展。因此,在保持其加工优势的前提下,采用多自由度磁力驱动器与传统电火花机床组合加工,研究分析加工过程中电参数对加工的影响规律,优化电火花深长孔加工工艺,通过组合加工方式改善电火花加工效率与加工质量。首先阐述本课题的研究背景、意义及目的,分别对电火花加工技术、深长孔加工技术、磁力驱动器等国内外发展现状进行研究。对电火花深长孔加工的原理进行具体分析,分析电火花加工的四个工作过程,理解其工作原理。通过理论研究,分析主要电参数与单脉冲关系,进而研究电参数对加工速度,电极的损耗,加工质量之间的关系。然后进行单脉冲放电仿真实验,使用仿真软件研究电极表面温度场随时间变化的规律,得出电极表面温度场与时间的云图,绘制热源加载与撤离时电极表面温度场与时间变化曲线图。同时进行单因素的仿真实验,研究峰值电流、脉冲宽度与电极表面温度分布的关系,分析电极表面热场与加工的关系。搭建基于多自由度磁力驱动器的电火花加工实验系统。通过模型与实物介绍电磁驱动器结构组成,分析其工作原理。通过仿真软件研究电磁力与电流的关系,设计径向力与轴向力微动平台,进行仿真与实验的对比分析,验证磁力驱动器电磁力的性能。根据对比分析结果可知驱动器性能稳定,满足加工需求。根据实验控制系统原理,搭建实验加工系统。最后采用单因素与正交实验,研究电火花深长孔加工与电参数的规律,分析电火花深长孔加工工艺。通过与传统电火花加工实验对比,分析加工过程中工具电极表面的形貌变化,加工深度与时间关系,零件加工区域微观形貌。发现基于磁力驱动器辅助电火花加工方法,提高了加工速度,加工效率方面最高提高了约10%,减少了电极损耗,改善了工件加工质量,探索了一条深长孔加工新工艺、新方法。

关键词： 声光偏转器   激光加工   光路设计   像差分析   光斑椭圆度  

摘要： 超短脉冲激光以加工精度高、热影响小、无接触加工等优点,被广泛应用于表面微结构制备的各个领域。然而随着激光单脉冲能量和脉冲重复频率的不断提高,传统的激光扫描器件制约了激光加工系统的能量利用率和加工速度。声光偏转器以其无惯性、偏转速度快、最小偏转角小、体积小等优势成为高速激光扫描器件的新选择,但是受制于其声光扫描角较小,难以满足大幅面加工需求。声光偏转器与振镜协同扫描系统集成了声光偏转器高速、精确扫描和振镜大范围扫描的优势,拥有广阔的发展前景。本文研究了声光偏转器与振镜协同扫描系统的聚焦光斑特性,重点分析了声光偏转对光斑质量的影响,并对此开展了实验研究,为后续协同扫描系统的设计与应用提供了有益的技术支撑,具体研究内容如下:首先,结合声光互作用理论介绍了声光偏转器的工作原理及主要参数。依据此理论,用等效相位面法在光学设计软件中建立了声光偏转器自定义表面模型,推导了声光等效相位面对光矢量的具体影响,并详细分析了声光等效相位面与几何镜面在光线追迹中的共同作用过程。其次,依据声光偏转器自定义表面,对声光-振镜协同扫描系统进行了仿真,使用变倍扩束镜和4f系统两种扩束方案,对比分析了光路中声光偏转对聚焦光斑像差的影响,结果表明变倍扩束方案会使声光偏转器扫描范围内的光斑质量发生变化,而4f系统方案下声光偏转对光斑影响不大,越靠近加工平面的边缘,这种现象表现地越明显。随后,搭建实验平台验证了仿真结论。实验显示,当振镜达到最大扫描角时,变倍扩束镜方案中声光偏转器使光斑椭圆度变化28.1%,而4f系统方案变化小于6%。同时,实验测量在145～205MHz的超声频率范围内,二维声光偏转器衍射效率大于80%。其高速偏转功能可以实现150k Hz激光脉冲分离,验证了声光偏转器的优越性。最后,对本文的研究结果进行总结,展望了这种协同扫描系统的更多应用领域与进一步的研究方向。

关键词： 碳纤维增强复合材料   激光加工   回收   数值仿真   拉伸强度  

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)是一种重要的战略材料,已经广泛应用于工业与国防领域。随着应用领域的逐步扩展,碳纤维回收以及CFRP废料的再利用技术被提上日程。目前,碳纤维的回收工艺方法主要有:机械回收法、化学溶剂回收法以及热分解回收法。但是,上述回收方法存在回收工艺复杂、繁琐与易损伤碳纤维等问题,亟需探索新型碳纤维回收方法和工艺。激光与材料作用具有高度可控的特征,在碳纤维回收领域具有潜在的应用前景。本文结合数值仿真与实验,研究利用激光回收CFRP碳纤维的基础理论与工艺方法。主要研究内容与结论如下:(1)激光回收CFRP的数值仿真研究。借助ANSYS有限元软件,建立355nm纳秒与1064nm皮秒激光作用于CFRP的两相二维模型,研究波长、扫描速度与平均功率等对激光回收CFRP过程的影响规律。结果表明,2种波长激光烧蚀CFRP过程中,随着脉冲次数的增加,纤维表面的温度增长率逐渐平缓。2种波长激光回收纤维时,激光扫描速度均随激光功率的增大而增大,扫描速度区间范围随着功率的增加而不断变小。1064nm纳秒激光较355nm皮秒激光回收碳纤维更有优势,具有范围更广的回收参数区间。(2)激光回收CFRP优化工艺参数研究。利用激光器对CFRP进行扫描烧蚀实验,并利用扫描电子显微镜对激光烧蚀后的CFRP截面烧蚀深度与表面情况进行观测,分析回收表层纤维的工艺条件。结果表明,在相同功率下,随着扫描速度的增加,2种波长激光对CFRP的烧蚀深度均逐渐减小,且CFRP表面从开始的纤维断裂逐渐转变为树脂残留;当扫描速度固定时,功率的增加会使烧蚀深度增加。2种波长激光回收纤维时,激光扫描速度随着功率的增加而增大,扫描速度区间范围随着功率的增加而减小。355nm皮秒激光相较1064nm纳秒激光回收材料所需的扫描速度更低,其最佳回收速度区间更加“狭窄”,实际应用中利用皮秒激光回收难度更大。主要实验规律与仿真结果一致。(3)激光回收CFRP的产物性能分析。对回收的碳纤维丝进行表面形貌、组织结构与力学性能的表征测试,分析影响碳纤维力学性能与形貌结构的影响因素,并综合评价优化工艺参数。结果表明,扫描速度增加会导致纤维表面石墨化程度减弱,在速度达到参数区间的边缘时,表面会出现明显的树脂残留情况。利用红外纳秒激光回收的纤维粗糙度在120～131nm,最高粗糙度样品表面存有少量树脂颗粒;紫外皮秒激光回收的碳纤维粗糙度在117～125 nm,最高粗糙度下表面无树脂残留。经拉曼检测,回收纤维D峰与G峰有明显分峰现象,均出现不同程度的石墨化,且紫外激光回收纤维石墨化程度较纳秒激光更严重。红外纳秒激光回收的碳纤维拉伸强度约为原丝的66%～83%,超过了机械回收法与大部分的热分解的回收方法,同时拉伸模量提高了的1%～12%;紫外皮秒激光纤维拉伸强度约为原丝的58%～75%,拉伸模量提升6%～14%,与大多数的热分解回收法处于同一水平。结合多项表征结果并考虑经济成本,红外纳秒激光在最优参数区间内,可回收到无树脂残留、粗糙度保持较高且力学性能优异的碳纤维。

关键词： 微操作   润湿性   硅基底   不锈钢基底   激光加工   自对齐  

摘要： 利用液体表面张力实现微操作的方法,因具有操作效率高,可减小基板受到的冲击力和局部应力,同时能实现芯片的自对齐等优势而越来越受欢迎。实现该微操作的前提是基底的润湿性可调控。现有的改变材料表面润湿性的方法大都存在环境污染、加工成本高、操作工艺复杂等问题。针对上述问题,本论文提出一种采用微秒脉冲激光打标机改变硅和不锈钢基底表面润湿性的高效、绿色制备方法。激光作用于基底表面,通过改变基底表面的微观结构,使得基底的润湿性可调。并在此基础上进行了液体定向传输、微芯片自对齐和雾水收集实验。主要研究内容如下:(1)分析了激光加工过程,采用脉冲激光在基底表面进行加工,被激光光斑照射的区域为扫描区,在该区域的基底材料可被去除;未被激光光斑照射的区域为非扫描区,激光不会对非扫描区造成影响。研究了激光加工单条线段下,激光加工速度、加工次数、电流大小和离焦量对硅基底微观形貌的影响。结合激光加工参数、Cassie理论模型和超疏水涂层材料性质,制定了调控硅基底表面润湿性的加工工艺。通过控制激光扫描去除加工区域超疏水涂层的面积占比,进而调控加工区域硅基底的润湿性。研究了激光加工速度、扫描线间距和离焦量对加工区域润湿性的影响。实验结果表明,随着加工速度从100 mm/s提高到9000mm/s,扫描线间距从20 μm增加到150μm,加工区域的去除面积占比减小,接触角从5°以下逐步增大到127°;随着基底表面与激光焦平面之间距离的绝对值从0 mm增加至3 mm,加工区域的接触角从5°以下增大到170°以上。(2)研究了激光加工单条线段下,激光加工速度、加工次数和电流大小对不锈钢基底微观形貌的影响。结合单条线段下加工结果,Wenzel理论模型,制定了对不锈钢基底进行润湿性改性的加工工艺。利用激光在基底表面构建微结构,再用低表面能物质进行表面化学修饰,进而改变基底表面的润湿性。通过该工艺成功调控不锈钢表面的润湿性达到了 156°以上。研究了不同表面张力的液体在不锈钢基底表面润湿状态的转变,研究结果表明,扫描线间距为50 μm时加工出具有网格形沟槽微结构的基底表面和加工速度为2000 mm/s时加工出具有凹坑形阵列微结构的基底表面,液滴表面张力大于50 mN/m时,基板表面的液滴更稳定的处于Cassie状态。扫描线间距为20 μm时加工出具有网格形沟槽微结构的基底表面和加工速度为7000 mm/s时加工出具有凹坑形阵列微结构的基底表面,液滴表面张力大于60 mN/m时,基板表面的液滴才稳定的处于Cassie状态。(3)基于上述实验结果,制备了具有不同润湿性分区的硅基底和不锈钢基底,并开展了一系列基底测试实验。实验包括在硅基底上进行的液滴定向传输实验和微芯片自对齐实验,在不锈钢基底上的液滴定向传输实验和雾水收集实验。硅基底上液滴定向传输实验结果表明,在硅基底上加工出弯曲轨迹,液滴能够沿着轨迹进行传输,成功实现液滴的定向传输;硅基底上微芯片自对齐实验结果表明,通过加工出的可调控润湿性的硅基底能够局限定量的液滴,满足芯片自对齐的条件,成功进行了微芯片自对齐实验并使用芯片摆出SUST图形;不锈钢基底上液滴定向传输实验结果表明,加工出具有楔形图案和不同润湿性分区的不锈钢基底能够实现液滴的定向传输,液滴在超亲水楔形图案上存在拉普拉斯压力梯度,驱动液滴从尖端输送到底部;不锈钢基底上雾水收集实验结果表明,具有不同润湿性分区的不锈钢基底具有更高的雾水收集效率。

关键词： 飞秒激光加工   三维集成光子器件   模式复用器件   空间波导阵列器件   多芯光纤扇入扇出器件  

摘要： 飞秒激光加工技术因其超短脉冲宽度和极高的峰值强度而成为一种独特的微/纳加工方式,并被广泛应用于各种基础或应用研究。基于飞秒激光加工技术制备的三维集成光子器件,将片上光子集成从二维拓展到三维,不仅直接在物理空间中提高了器件集成度,更为片上光子操控提供了新的物理自由度。本论文以飞秒激光在石英玻璃内制备超低损耗三维光波导的技术研究为基础,依次开展模式复用器件、空间波导阵列器件和多芯光纤扇入扇出器件等三维集成光子器件的研究,分别实现了与少模光纤、单模光纤阵列和多芯光纤之间的光互连,能有效促进光纤通信技术的发展。 本文的具体内容如下: (1)搭建了多套测试系统,用于测试集成光子器件的输出光斑和损耗性能。通过狭缝光束整形法制备了截面纵横比1:1光波导,分析了不同加工参数(激光重复频率、扫描速度和脉冲能量等)对波导性能的影响,设计并制备了低弯曲损耗的弯曲波导结构,在石英玻璃中制备出了传输损耗低达0.1 d B/cm波导。 (2)设计并基于飞秒激光加工技术成功制备了多种模式复用/解复用器件。(1)设计并制备了线偏振模式光子灯笼型模式复用/解复用器,并搭建了偏振和模式混合复用系统;(2)设计并制备了基于辅助波导的线偏振模式复用/解复用器,实现更低的插入损耗和串扰;(3)设计并制备了基于辅助波导的的涡旋偏振模式复用/解复用器,能激发出高纯度的涡旋模式;(4)基于相干光合成技术制备了实现21个涡旋模式复用的涡旋模式复用/解复用器;(5)在单一玻璃芯片中制备基于模式复用/解复用的片上光互连系统,包括片上两模式复用解复用器系统、片上三模式复用解复用器系统和片上上传下载模式复用解复用器系统。 (3)设计并基于飞秒激光加工技术成功制备了多种空间波导阵列器件。(1)制备了一维等间距波导阵列器件和一维波导阵列间距转换器件,实现了与常规光纤阵列匹配以及不同间距转变等功能;(2)制备了一维波导阵列模场转换器件,结合硅基集成芯片实现了不同模场的异质波导低损耦合;(3)制备了二维波导阵列间距转换器件,实现了一维至二维波导排列的转换,(4)制备了三维等间距波导阵列器件,包含了4层双向波导阵列,充分体现了飞秒激光直写波导技术的三维加工能力。 (4)设计并基于飞秒激光加工技术成功制备了多种多芯光纤扇入扇出器件。(1)基于8芯光纤制备了8芯光纤扇入扇出器件和8芯光纤间距转换器件;(2)基于19芯光纤制备了19芯光纤扇入扇出器件,实现了插入损耗低于1 d B的器件;(3)基于24芯光纤制备了24芯光纤扇入扇出器件;(4)基于7芯多模光纤制备了7芯3模光纤扇入扇出器件。