基于脉冲序列设计和共振吸收的激光微/纳跨尺度制造及理论

激光微/纳制造是纳米制造的前沿热点交叉学科，涉及制造、光学、物理、化学、材料、信息等，可应用于制造微/纳尺度的机械、电子、光电、医疗、生物、化工等器件或系统。其瓶颈挑战是：难于兼顾加工精度和效率；难于实现跨尺度微/纳加工和组装；核心理论尚未建立。本项目提出一套高精度、高效率跨尺度制造新方法及多尺度量子模型，包括：提出利用超快脉冲序列设计、多光子效应、OPA、多激光等相结合，控制电子激发/电离及材料相变过程并实现单/多级共振吸收，极大提高精度和效率；集成激光直写微米加工、近场纳米加工与光镊定位组装；建立从纳米到毫米、从飞秒到微秒、非线性非平衡超快激光与物质相互作用多尺度量子模型；将所提新方法和模型应用于制造由纳米沸石膜和微米谐振器等组成的超高灵敏度光纤传感器。课题涉及激光微/纳制造七个核心前沿，通过控制电子状态等新方法有望突破瓶颈问题，提供关键技术基础、理论及成功先例，推动多个相关领域发展。

本项目提出了基于局部瞬时电子动态调控的超快激光制造新方法，建立了多尺度模型以预测新方法的可行性；通过超快激光脉冲序列和共振吸收实验证明了新方法可有效提高加工精度和效率；新方法被选定为点火工程靶球微孔加工工艺，并应用于新型光纤传感器制造。1）在制造理论方面，建立了多尺度模型，首次能够预测飞秒激光烧蚀结果。预测了飞秒激光脉冲序列能够调控电子激发/电离/复合过程、局部瞬时材料特性、相变过程和所加工的微纳结构；2）在制造新方法方面，搭建了基于局部瞬时电子动态调控的超快激光加工实验平台，实验证明了新方法的有效性：①提出了采用飞秒脉冲序列调控电子密度，提高光子吸收效率，微通道加工效率提高了56倍、极限深径比提高了3倍；②提出了采用飞秒激光脉冲序列改变电子激发、电离、复合状态及相变过程，重铸层高度降低了60%；③提出了飞秒激光脉冲序列调控电子电离及复合过程，改变加工材料表面等离子体生成过程及其与激光的相互作用，有效地控制了加工材料表面纹理结构的周期，方向和结构；④提出了改变脉冲延时调控电子状态，控制材料的相变过程，调控光致还原反应过程，实现材料表面多级微纳结构的可控加工，实现了增强因子达2.2×10^8的表面增强拉曼信号。实验还显示了共振吸收提高加工效率的有效性，①激光烧蚀效率提高了4倍，烧蚀阈值降低了40%；②合成了高精度高质量图案化金刚石，生长速率比其他合成方法高出至少2倍；③实现了零维碳纳米洋葱的快速制备，比非共振激光耦合法提高了7倍。3）在制造新方法应用实例方面，运用局部瞬时电子动态调控的超快激光微纳加工新方法，在多种材料上实现了高深径比微孔加工(直径4μm,径比150:1)，该新方法已被选定为国家重大专项点火工程中核心构件靶球深孔的加工工艺。设计并制造了多种超高灵敏度光纤微传感器，具有如下优点：高灵敏度、耐温性、高生产可重复性、成本低、可靠性高。在液位、温度、浓度测量和周界安全应用中实现了产业化。在主流国际杂志上发表论文67篇，其中SCI检索58篇，影响因子3-15的论文20篇，他引226次(其中SCI他引202次)；在国际主流大会做主题/特邀报告20次；申请发明专利12项，授权8项。以项目组为核心入选教育部创新团队，项目负责人获批国家杰出青年基金、入选国家“特支计划(万人计划)”首批科技创新领军人才、科技部973首席科学家、863主题专家、教育部创新团队带头人等。