激光纳米制造技术的应用_邀请论文_
纳米制造技术的发展及其应用
纳米制造技术的发展及其应用随着科技的不断发展，纳米制造技术已经成为当今世界上最前沿的领域之一。
纳米制造技术是一种利用纳米级别的材料和技术进行制造加工的技术。
通过纳米制造技术，可以制造出具有超强耐磨性、超高强度、超长寿命等特性的新材料，同时也可以制造出具有特定功能的器件，被广泛应用于电子、医药、能源等领域。
纳米制造技术的发展历程纳米制造技术的概念是在20世纪80年代初提出的。
当时，科学家们发现，一些材料在微观尺度下具有完全不同的特性。
而这些材料在纳米级别下的结构、形态和性质是可以进行人工设计和制造的，这种制造加工技术便是纳米制造技术。
随着纳米制造技术的不断发展，人们逐渐掌握了一系列准确控制纳米级材料的加工方法，例如纳米光刻、纳米压印、纳米喷墨、原子力显微镜技术等等。
这些技术的发展为纳米制造技术的广泛应用提供了坚实的基础。
纳米制造技术在电子领域的应用纳米制造技术在电子领域的应用主要包括纳米电子器件、纳米传感器和纳米存储器件等。
利用纳米制造技术制造的纳米电子器件可以大大提升电子器件的性能和寿命。
例如，利用纳米级银线制造电极可以大幅降低电阻，提高器件的传导性能；利用纳米级材料制造的二极管，在丝毫不影响整体器件尺寸的情况下增加了器件细节，提升了器件性能。
纳米传感器也是纳米制造技术在电子领域的又一亮点。
利用纳米级材料制造的传感器可以对物质进行高灵敏度、高分辨率、高速度的测量和探测。
同时，利用纳米制造技术制造的传感器尺寸小、敏感度高，可以更好地适应各种复杂环境和应用场景。
纳米存储器件也是纳米制造技术在电子领域的应用重点之一。
利用纳米级存储技术，可以制造出更小、更快、更容量大的存储器件。
例如，利用纳米级存储技术，可以轻松制造出存储容量达到TB级别的SSD硬盘。
纳米制造技术在医药领域的应用纳米制造技术在医药领域的应用主要包括纳米药物和纳米诊断。
纳米药物是指利用纳米级别的材料和技术制造的以药物为载体的新型药物。
利用纳米药物，可以大幅提高药物的治疗效果和降低药物的副作用。
激光制备纳米材料的研究及应用
激光制备纳米材料的研究及应用随着科技的发展，纳米材料在许多领域得到广泛的应用，如生物医学、光电子学、催化剂等。
激光制备纳米材料因其高精度、可控性、快速性等优势在纳米材料制备中得到广泛关注。
本文将介绍激光制备纳米材料的相关概念、方法、研究进展及应用现状。
一、概念纳米材料是指在至少一个维度上长度小于100纳米的材料，因其尺寸效应（如量子效应、表面效应等），表现出与宏观材料迥然不同的物理、化学和生物学特性。
激光制备是指利用激光源产生的能量对材料进行加工和改性的过程。
激光制备纳米材料是指利用激光对材料进行处理，使其形成纳米级别的材料。
二、方法激光制备纳米材料的常用方法有：激光烧蚀法、激光溅射法、激光还原法、激光光化学合成法、激光分光技术等。
（一）激光烧蚀法激光烧蚀法是指将激光束直接照射到材料表面，将所需去除的原材料蒸发或扩散出来，形成纳米尺度的粒子。
这种方法适用于金属、半导体等材料的制备，制备出的粒子尺寸可在1-100 nm之间。
（二）激光溅射法激光溅射法是指将激光束聚焦到金属或其它材料的靶材上，靶材表面受到高能激光的照射，表面原子发生振动和失去电子的现象，从而在大气中形成一定浓度的蒸汽，随后由惯性、弥散等力制成纳米粒子。
这种方法适用于制备非金属纳米材料，制备出的粒子尺寸可在10-100 nm之间。
（三）激光还原法激光还原法是指将激光直接照射到金属离子溶液中的金属离子，激光的能量促使金属离子还原成金属纳米粒子。
这种方法适用于制备金属纳米粒子的制备，制备出的粒子尺寸可在1-20 nm之间。
（四）激光光化学合成法激光光化学合成法是指将适当的材料和化学试剂溶解在溶剂中，用激光照射诱导化学反应，生成纳米材料。
这种方法适用于制备复杂结构的非金属材料，制备出的纳米材料可呈不同形状和尺寸。
（五）激光分光技术激光分光技术是指利用激光束直接对分子进行激发，由于激光的单色性和方向性，可以将分子分离，制备出不同分子量的纳米材料。
激光制造技术的应用现状和展望
激光制造技术的应用现状和展望激光制造技术是一种应用广泛且高效的工艺技术，它通过激光束的加工、切割、焊接、打标等方式，可以以高精度和高速度对各类材料进行加工。
激光制造技术已经在许多领域得到了广泛应用，如汽车制造、航空航天、电子产品制造等，取得了显著的成果，并且展望未来仍有巨大的发展潜力。
目前，激光制造技术在汽车制造领域的应用非常广泛。
例如，在汽车制造过程中，激光焊接技术可以用于焊接汽车车身和车桥，具有高质量和高效率的优势。
激光切割技术可以用于切割汽车车门和汽车车顶等零部件，其高精度和高速度可以大大提高生产效率。
此外，激光打标技术可以应用于汽车发动机和车身上，用来进行产品标识和追踪，提高产品质量和溯源能力。
在航空航天领域，激光制造技术也发挥着重要作用。
航空航天器结构通常要求轻、强、刚性好，而通过激光焊接、激光切割和激光打孔等技术可以制造出形状复杂、高质量的航空航天器部件。
激光金属沉积技术可以用于修复和加固航空发动机叶片等关键部件，在提高航空器安全性的同时也降低了维修成本。
在电子产品制造领域，激光制造技术也被广泛应用。
激光切割技术可以用于切割手机屏幕、平板电脑和电视屏幕等薄膜材料，具有高效率和高精度的特点。
激光焊接技术可以用于连接电子元器件，不仅提高了连接质量，还可以在不破坏其他元器件的情况下实现无接触连接。
此外，激光打标技术可以用于电子产品的标识和唯一编码，提高了产品的溯源能力和防伪能力。
展望未来，激光制造技术仍有很大的发展潜力。
随着激光技术的不断进步和降低成本，激光加工设备的普及将越来越广泛，应用也将进一步扩大。
例如，在医疗领域，激光制造技术可以用于制造医疗器械和人工器官，为医疗行业的发展提供更多的可能性。
在能源领域，激光制造技术可以用于制造太阳能电池板和核能设备等，为可再生能源和清洁能源的发展做出贡献。
总的来说，激光制造技术在各个领域的应用现状非常广泛，并且展望未来仍具有巨大的发展潜力。
随着技术的不断进步和创新，激光制造技术将为各个行业带来更多的机会和挑战，成为推动产业升级和经济发展的重要力量。
激光制造技术在微纳制造中的应用研究
激光制造技术在微纳制造中的应用研究激光制造技术作为一种高精度、高效率的制造方法，被广泛应用于各个领域中。
在微纳制造领域，激光制造技术凭借其非接触性、高精度和可控性等优势，成为一种主要的制造工艺。
本文将从激光微纳加工和激光微纳制造两个方面，探讨激光制造技术在微纳制造中的应用研究。
激光微纳加工是指利用激光器将激光束集中在微纳尺度上进行加工的过程。
激光微纳加工具有高精度、高灵活性和非接触性的特点，可以制造出具有微纳尺度结构的材料。
在材料加工方面，激光微纳加工可以实现对各种材料的切割、打孔、成型和表面处理等操作。
尤其在硬质材料和薄膜材料的加工方面，激光微纳加工表现出极大的优势。
对于硬质材料的加工，传统的机械切割很难实现高质量的加工效果。
而激光微纳加工可以通过调整激光的功率、脉冲宽度和扫描速度等参数，精确控制切割线的形状和尺寸。
此外，激光加工还可以实现对材料深度的控制，使得切割面光滑，无需二次处理。
在薄膜材料的加工方面，激光微纳加工可以实现对薄膜材料的表面刻蚀和微孔加工，为光学、电子和医学器件的制造提供了重要的技术支持。
此外，激光微纳制造还可以应用于三维打印技术中。
激光微纳制造技术结合了激光切割和激光烧结技术，实现了对粉末材料的精确控制和定向组装。
通过逐层烧结粉末材料，可以制造出具有复杂结构和高精度的三维物体。
与传统的制造方法相比，激光微纳制造具有更高的加工精度和更快的加工速度。
这种技术不仅可以应用于宝石、珠宝和模型等领域，还可以应用于生物医学、微机电系统和光子学等领域。
激光制造技术在微纳制造领域的应用研究不仅仅局限于材料加工和三维打印技术。
激光制造技术可以通过改变激光参数和加工方式，实现对材料组织和性能的调控。
例如，在材料改性方面，激光熔化、激光合金化和激光表面改性等技术可以实现对材料的硬化、强化和耐磨性的提高。
在微纳尺度结构的制备方面，激光光刻、激光脱附和激光烧结等技术可以实现对微纳尺度结构的精确控制和组装。
激光制造纳米结构的制备及其纳米光学应用
激光制造纳米结构的制备及其纳米光学应用纳米科技是当今科技领域的一个重要研究方向，与其相关的纳米光学应用也日益发展壮大。
激光制造作为一种微米、纳米级别的加工方法，被广泛应用于制备纳米结构，为纳米光学应用提供了良好的基础。
本文将探讨激光制造纳米结构的制备方法以及其在纳米光学应用中的应用。
一、激光制造纳米结构的制备方法激光制造纳米结构是一种能够通过激光与材料的相互作用来实现的制备方法。
常用的激光制造方法包括激光烧蚀、激光抛光、激光微加工和激光纳米加工等。
1. 激光烧蚀激光烧蚀是一种将激光功率集中于材料表面，使其表面材料因为极高的热量而蒸发的加工方法。
材料表面产生的高温蒸汽会产生冲击波，将表面的材料烧蚀掉。
激光烧蚀方法可以制备出形态各异的微米和纳米结构，是一种简单易行，灵活性强的制造方法。
2. 激光抛光激光抛光是利用激光和磨粒在材料表面相互作用的一种加工方法。
激光可以产生局部极高的温度，使得材料表面热塑性增强，磨粒也可以在激光的作用下被加热，从而可以在材料表面进行加工。
激光抛光可以制备出表面平整，精度高的微米和纳米结构。
3. 激光微加工激光微加工是一种将激光功率集中在特定区域，从而实现切割、刻蚀、微孔制备等加工方法。
激光微加工方法可以制备出具有高精度、高阻值和高密度等特点的微米和纳米结构。
4. 激光纳米加工激光纳米加工是一种将激光功率集中在特定纳米尺度下，从而实现具有纳米级别的加工精度的加工方法。
激光纳米加工可以制备出具有高精度、高质量和高效率的纳米结构，具有微米和纳米制造中最具先进性的特征。
二、激光制造纳米结构的纳米光学应用激光制造的纳米结构具有很强的纳米光学应用潜力。
下面简单介绍几个纳米光学应用领域。
1. 表面增强拉曼光谱表面增强拉曼光谱是一种将样品表面经过加工处理以后，增强光子的散射强度、从而让拉曼光谱更容易被探测的方法。
激光制造可以制备出适合用于表面增强拉曼光谱检测的纳米结构，从而提高检测灵敏度和稳定性。
激光制造技术的新进展与应用
激光制造技术的新进展与应用随着科技的进步和社会的发展，人类对于制造领域的要求也越来越高。
在这个背景下，激光制造技术作为一种高精度、高效率的制造技术，成为了当今制造业的重要组成部分。
本文将介绍激光制造技术的新进展以及在不同领域的应用。
一、激光制造技术的新进展激光制造技术是一种利用激光束对物体进行切割、打孔、焊接等加工的技术。
随着科技的进步和工业的不断发展，激光制造技术也在不断地发展和完善。
以下是激光制造技术的新进展。
1. 添料激光熔覆技术添料激光熔覆技术（LMD）是近年来兴起的一种新型激光制造技术。
它通过在工件表面喷射金属粉末并利用激光束进行熔化堆积，实现了对金属零件进行快速加工。
添料激光熔覆技术不仅能够制造高精度零件，而且在修补、构建大型零件等方面也有广泛的应用。
2. 超快激光加工技术超快激光加工技术（UFPL）是一种利用超快激光对工件进行加工的技术。
相比传统的激光加工技术，超快激光加工技术具有更高的加工精度和更小的热影响区，能够实现对材料微观结构的控制。
因此，超快激光加工技术在微电子、光学、材料科学等领域有广泛的应用。
3. 多波长激光加工技术多波长激光加工技术（MWL）是一种利用多波长激光进行加工的技术。
与传统激光加工技术相比，多波长激光加工技术能够更好地适应材料的特性，提高材料加工质量。
同时，多波长激光加工技术也具有更高的加工效率和更广泛的加工范围。
二、激光制造技术在不同领域的应用激光制造技术具有高精度、高效率、低污染等优点，在各行各业都有广泛的应用。
以下是激光制造技术在不同领域的应用。
1. 航空航天领域激光制造技术在航空航天领域中有着广泛的应用。
例如，激光焊接技术可以用于加工高温合金、钛合金等难加工材料的零件，激光切割技术可以用于加工复杂形状的航空零件，激光打标技术可以用于加工航空零部件的标识等。
2. 电子领域激光制造技术在电子领域中的应用也非常广泛，例如激光打孔技术可以用于加工微细孔道电极板，激光切割技术可以用于加工PCB板等。
高能量激光光刻机技术在纳米材料制造中的应用研究
高能量激光光刻机技术在纳米材料制造中的应用研究激光光刻技术是一种基于光的高精度加工技术，近年来在纳米材料制造中得到了广泛的应用和研究。
本文将探讨高能量激光光刻机技术在纳米材料制造中的应用情况，并分析其优势和挑战。
一、高能量激光光刻机技术简介高能量激光光刻机技术是利用激光的高能量密度和高功率输出，通过将光束聚焦在材料表面，实现纳米级的加工精度。
该技术具有非接触性、高精度、高速度、无损伤、灵活性强等优点，成为纳米材料制造领域的研究热点。
二、高能量激光光刻机技术在纳米材料制造中的应用1. 激光刻蚀激光刻蚀是一种利用高能量激光脉冲将材料表面的某些区域去除，形成所需的纳米结构或器件的加工方法。
激光刻蚀具有加工速度快、成本低、加工精度高等优势，在纳米材料制造中得到广泛应用。
例如，可以利用激光刻蚀技术制造纳米通道，用于纳米流体控制和生物传感器的制作。
2. 激光光刻激光光刻是一种可通过控制激光光束的位置和强度，实现对光敏材料进行纳米级图案加工的技术。
使用高能量激光光刻机可以制作出微米级甚至纳米级的光学、电子、磁性等纳米材料器件。
例如，可以利用激光光刻技术制造微纳米级电路板，用于集成电路和纳米电子器件的制备。
3. 激光烧结激光烧结是一种利用激光束加热材料，使其瞬间熔化并形成致密结构的加工技术。
高能量激光光刻机通过聚焦激光束，可以实现对纳米粉末材料的快速烧结，制备纳米材料的致密块体。
这种方法制备的纳米材料具有较高的密度和良好的力学性能，广泛应用于热电材料、催化剂等领域。
三、高能量激光光刻机技术的优势与挑战1. 优势高能量激光光刻机技术具有非接触性、高加工精度、高速度、灵活性强等优点。
在纳米材料制造中，可以实现纳米级尺寸的结构加工，同时可以对不同材料进行加工，适应性强。
2. 挑战高能量激光光刻机技术在应用中面临一些挑战。
首先，激光加工过程中会产生热效应，可能导致材料的结构变化或损伤。
其次，高能量激光光刻机设备复杂，成本较高。
激光纳米加工高精度微纳结构制备
激光纳米加工高精度微纳结构制备随着科学技术的不断发展和人类对更小尺度物质研究的需求增加，微纳制造技术开始崭露头角。
作为一种高精度微纳结构制备方法，激光纳米加工因其具有无接触、高分辨率、可控性强等特点而备受关注。
本文将深入探讨激光纳米加工的原理、应用领域以及所面临的挑战和发展前景。
激光纳米加工是一种利用激光作为能量源对微纳米尺度材料进行物质去除、形态调控和结构制备的技术。
其核心原理是激光与材料相互作用，引发材料的电子和离子的激发、激励和能量转移，进而改变材料的化学物理性质，实现微纳结构的精确加工和制备。
激光纳米加工具有高分辨率、高精度、无污染和快速加工等优点，成为制备微纳结构的一种重要方法。
激光纳米加工具有广泛的应用领域，包括微芯片制造、光子学器件加工、生物医学和材料科学等。
在微芯片制造中，激光纳米加工可以制备微小的电子元件和电路，提高芯片的集成度和性能；在光子学器件加工中，激光可以实现微纳光学元件的制备，如微透镜、掩膜等，为光学器件的制造提供了新的可能性；在生物医学领域，激光纳米加工可以用于细胞切割、基因操作和医用材料的加工，为生物医学研究和医疗技术的发展提供了新的思路和手段；在材料科学领域，激光纳米加工可以用于制备纳米材料、纳米结构和纳米器件，促进材料科学的发展和创新。
然而，激光纳米加工在实际应用中还面临着一些挑战。
首先，激光纳米加工需要高功率激光源、高精度控制系统和精密加工设备的支持，技术和设备的成本较高。
其次，在材料选择和处理过程中，需要考虑激光与材料之间的相互作用和热效应，避免误操作和损伤材料。
此外，激光纳米加工的加工效率和速度还有待提高，以满足实际应用的需求。
因此，激光纳米加工技术的研究和发展仍然面临着挑战。
然而，尽管存在一些挑战，激光纳米加工的发展前景依然广阔。
首先，随着激光技术的不断进步和发展，激光源的功率和稳定性得到了提高，为激光纳米加工提供了更好的条件。
其次，随着纳米材料的广泛应用和需求的增加，对高精度微纳结构制备技术的需求也越来越迫切，激光纳米加工技术具备了很大的市场潜力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第38卷 第6期中 国 激 光V ol.38,N o.62011年6月CHINESE JO URNAL OF LASERSJune,2011激光纳米制造技术的应用(邀请论文)钟敏霖 范培迅(清华大学机械工程系激光加工研究中心先进成形制造教育部重点实验室,北京100084)摘要 纳米制造技术是目前全球关注和研究的重点,激光纳米制造是其中的主要核心技术之一。
从激光远场尤其是近场纳米制造技术的角度,介绍了表面纳米结构和三维纳米结构/器件的制造,重点论述了激光纳米制造技术在一些新兴领域的应用,包括超材料、光子晶体、数据存储、生物医学、传感器以及功能表面等,以期从应用角度引起对激光纳米制造技术的更多关注和研究。
关键词 激光技术;纳米制造;应用;超材料;光子晶体;功能表面中图分类号 T N 249 文献标识码 A doi:10.3788/CJL 201138.0601001Applications of Lase r Nano Manufacturing TechnologiesZhong Minlin Fan Peixun(Key L abor at or y for Adva nced M a ter ials Pr ocessing ,M in istr y of Educat ion ,L aser Pr ocessin g Resear ch Cent r e ,Depa r tm ent of M echa nica l En gin eer in g ,T sin ghu a U niv er sity ,Beijing 100084,Chin a )Abstract Nano manufacturing technologies attract globa l attention and research,among which la ser nano m anufacturing is a key focus.Starting with the introduc tion of la ser far -field nano -manufacturing tec hnologies and especially near -field nano -manufacturing tec hniques for fabric ation of surfac e nano structures and 3D nano struc t ures/devices,the summarizing of emerging applications of these tec hnologies is focused on,including metamaterials,photonic crysta ls,data stora ge,biomedical applications,sensors and functional surfac es.The detail summary of the emerging applications of nano -manufacturing technologies is aimed at stimulating the researc h and development of laser nano m anufacturing technologies.Key wo rds la ser technique;nano manufacturing;application;metamaterial;photonic c rystals;functional surfac e OCIS co des 160.4236;160.3380;140.3380收稿日期:2011-01-26;收到修改稿日期:2011-02-26基金项目:国家自然科学基金(90923021,50735001)资助课题。
作者简介:钟敏霖(1961-),男,教授,博士生导师,主要从事激光微纳米制造、激光表面工程和激光快速制造等方面的研究。
E -mail:zhml@tsing (中国光学学会会员号:Z1009195)1 引 言纳米材料具备小尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应以及特殊的光学、磁学、热学、力学、化学性质,在电子、化工、冶金、宇航、军事、环境保护、医学、生物工程等领域有着广泛的应用发展潜力,吸引了全球广泛的注意和深入的研究,人们普遍认为纳米科技的发展将推动众多领域的技术创新,导致21世纪的一次新的技术革命。
纳米科技有着十分丰富的研究内涵,一般认为包括四大领域:即纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学和纳米制造技术。
纳米材料学的发展比较迅速,已经发展了许多物理的、化学的、物理化学的纳米材料制备方式,制备出多种零维纳米颗粒,一维纳米管、纳米线、纳米棒,二维纳米薄膜以及三维纳米块体与纳米结构等。
纳米制造技术被认为是纳米技术的中心之一,是当前纳米科学研究的基础,为纳米科学各个领域的研究和拓展提供强有力的手段,是支撑纳米科技走向应用的基础,也是未来纳米产业的支柱。
2009年国家自然科学基金委设立了/纳米制造的基础研究0重大研究计划[1],其目标是瞄准学科发展前沿,面向国家发展的重大战略需求,针对纳米精度制造、纳米尺度制造和跨尺度制造中的基础科学问题,探索制造过程由宏观进入微观时能量、运动与物质结构和性能间的作用机理与转换规律,建立纳米制造理论基中国激光础及工艺与装备原理。
纳米制造指所制造对象的特征尺寸至少有一个维度在1~100nm之间,包括纳米颗粒、纳米线、纳米管等纳米材料的制备,表面纳米结构的制备,以及三维纳米结构/器件的制造等。
体积更小、功能更强、效率更高、耗材更少、能耗更低的器件和产品是工业界不断追求的目标。
特别是随着制造技术从微米尺度向纳米尺度的发展,对100nm以下特征尺寸的加工能力提出了越来越高的要求。
在现有的纳米制造技术中,激光纳米制造技术展现了众多独特的优势和吸引力,是目前国际研究的热点之一。
激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性、偏振特性等,在能量、时间、空间方面可选择范围宽,并可精确、协调控制[波长从红外到X射线,脉宽从连续到飞秒(乃至阿秒),瞬时功率密度可达1022W/cm2],这些特性总称为多维性特征[2]。
激光典型的多维性特征使其在制造过程中既可以满足宏观尺度的制造工艺要求,又能够实现微米乃至纳米级别的制造要求,可以多尺度、选择性和非接触地改变材料的结构和性能,实现制造目标。
国家自然科学基金委/学科发展战略研究报告(2011~ 2020)0中已将/微/纳制造中高能束与材料相互作用机制0列入未来5~10年的研究前沿与重大科学问题,并将微纳制造作为主要热点和可能突破点[2]。
激光制造过程所利用的物理效应、作用机理完全不同于传统制造,如非线性(多/双光子等)非平衡(电子间非平衡、电子与晶格间非平衡等)的吸收和非热相变(库仑爆炸、静电剥离等),从而促生新的制造概念、原理、方法和技术,获得前所未有的极端制造效果。
在过去的20年中,激光诱导的材料表面微成形技术,包括激光刻蚀、激光沉积、激光表面改性等,得到了广泛的研究[3]。
而随着超短脉冲、超短波长、超高强度激光的快速发展,全新概念的激光与物质相互作用新原理不断发现,相应的激光纳米制造方法也不断涌现。
如从简单的紫外曝光发展到基于近场效应突破光学衍射极限的纳米制造技术、基于微透镜阵列的纳米制造技术、基于非线性光吸收的飞秒激光微/纳直写技术、基于两束或多束相干激光空间叠加的远场干涉加工技术以及激光诱导纳米制造技术、激光纳米熔覆制造技术等。
激光纳米制造的效率和极限分辨率不断刷新,最小制造线宽已经突破10nm[4]。
激光纳米制造技术已经成为纳米制造领域极具潜力的一个分支。
目前,激光纳米制造技术研究一般分为远场纳米制造和近场纳米制造。
飞秒激光直写、远场干涉光刻、微透镜阵列技术、激光诱导加工等,都属于激光远场纳米制造技术的范畴。
飞秒激光直写技术主要是利用了某些材料与飞秒激光相互作用过程中对光子的非线性吸收机制,使得只有在激光焦点附近很小的体积范围内,材料才能吸收足够的能量,从而大大减小了激光与材料的相互作用范围,提高了加工分辨率[5]。
远场干涉加工技术是通过两束或多束相干激光之间的相互干涉对光强的空间分布进行周期性调制,用于实现周期性纳米结构的无掩模和大面积制备,将加工对象浸没在高折射率的液体中或者采用更短波长的激光可以进一步提高加工分辨率[6,7]。
微透镜阵列(MLA)由一系列尺寸和焦长相同的透镜组成,这些透镜通常呈六边形或正方形排列,一束激光通过MLA后可以形成一系列的平行光束,用于大面积周期性纳米结构的制备[8]。
基于近场效应的纳米制造技术主要是利用光在近场以消散波的形式传播,光强随传播距离呈指数量级衰减的特点,在此传播过程中不涉及光的衍射问题,因而能够克服光学衍射极限。
基于近场效应的纳米制造技术具体又包括基于近场扫描光学显微镜(NSOM)的制造技术[9]、基于光捕获微球的制造技术[10]、基于接触式颗粒透镜阵列的制造技术[11~13]、以及基于近场干涉光刻的制造技术等[14~16]。
此外,脉冲激光烧蚀液体中的金属可以比较容易地制备纳米颗粒[17];激光烧蚀、激光辅助物理气相沉积和激光辅助化学气相沉积可以制备纳米线和纳米管[18~20];激光双光子聚合可以制备三维复杂结构等[21~23]。
激光纳米制造技术得到了世界各国的普遍关注和深入研究,同时激光纳米制造技术应用的研究也极为重要,制造技术研究从来就是与应用相辅相成、交替发展的。
激光纳米制造技术的进步会促进新型纳米结构/器件的开发,同时,新型纳米结构/器件的开发又对激光纳米制造技术的进步具有重要的启发和指导意义。
本文重点关注激光纳米制造技术在一些新兴领域的应用情况,主要涉及表面纳米结构和三维纳米结构/器件的制造,具体包括超材料、光子晶体、数据存储、生物医学、传感器以及功能表面等,以期为本领域研究提供参考。
2新兴领域中的应用2.1超材料超材料是人工形成的二维或三维周期金属图形钟敏霖等: 激光纳米制造技术的应用结构材料,入射电磁波通过这类周期金属结构时会沿着与传统折射材料相反的方向折射,即具有负折射率,由于折射方向不是经典电磁学所描述的向右,而是向左,因此这类人工超材料又称为/左手材料0[24]。
左手材料改变了传统光线的传播方向,具有极大的应用价值,其中最引人注目的便是有可能使物体/隐形0[25]。
自从超材料的概念被提出以来,超材料已经得到了广泛的研究和关注。
在超材料中,周期图形的尺寸与所控制的电磁波长有关,用于可见光波段的超材料需要亚微米甚至纳米尺度的图形结构,这便对纳米加工能力提出了要求。