2011CB013000-G激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究_修正版

1、修正版项目名称:激光微纳制造新方法和尺度极限基础研首席科学家:姜澜北京理工大学起止年限:2011.11-2016.8依托部门:信息产业部、研究内容2.1拟解决的关键科学问题重点是超高强度（ 1012W/cm2）、超短脉冲（vl0-11s）激光微纳加工的功 能原理：激光与材料相互作用的物理和化学效应，质量迁移和性能演变机制与规律，作用时间和空间的演化过程。描述超快激光纳米加工过程中的量子效应、尺 度效应。激光微纳制造的功能原理和尺度极限及其应用的共性基础科学问题包 括: 科学问题1.激光能量的吸收、转换、传递与掌控机制其核心是如何建立超快激光与物质相互作用的多尺度量子模型a）研究束能吸收机理，包

2、括电子加热、带间跃迁、光致电离（多光子电离、 隧道电离）、碰撞电离等及其对加工过程的影响。b）研究材料的物理/化学变化，包括变化机制及质量迁移，固态相变、熔化、 蒸发、气化、相爆炸、临界点相分离、库仑爆炸、静电烧蚀、凝固、化合、分解、 置换、复分解等；材料高精度去除、生长、成形、改性等的物理、化学过程及机理；电子、晶格、团簇的定域能量、传递、物质输运过程与机理。涉及光子-电 子-声子-等离子相互作用的基础科学冋题。科学问题2.脉冲序列设计控制外层电子激发/电离过程由于飞秒激光脉冲宽度比许多物理/化学特征时间（如电子和晶格的热平衡时间、甚至电子弛豫时间）更短，可以通过超快脉冲序列设计来控制/改变

3、被加 工材料电子吸收激光光子的过程（选择性激发/电离）。实现基于外层电子状态控 制而改变瞬时局部特性和相变过程的高质量高精度高效率制造新方法。科学问题3.基于共振吸收的选择性高效率制造新原理基于分子转动、分子振动、电子激发、电子电离等多能带/能级耦合的协调 共振激发，形成新的制造原理，同时结合脉冲序列调节技术并利用电子显微镜、 扫描探针显微镜和光镊等实现单原子至微米跨尺度制造。通过共振吸收提高加工 效率。利用OPA选择单束激光脉冲的光子能量使之与电子跃迁的某一能级差相 对应，可实现共振吸收。这些尝试涉及制造、光学、物理、材料等多学科的前沿 科学问题。2.2主要研究内容2.2.1激光制造的多维性

4、特征及其与材料的相互作用机理(1) 激光吸收机理：光子-电子相互作用引入量子力学理论，综合考虑自由电子加热、束缚电子激发、碰撞电离、光致电离(多光子电离、隧道电离) 等多种激光吸收机理，研究不同吸收机理对被加工材料的电离过程以及瞬态热力学和光学特性的影响，探索超快激光束能吸 收过程对微纳制造精度的影响。(2) 激光诱导相变机理：电子-离子相互作用通过量子分子动力学和改进分子动力学模拟的方法，考虑熔化、相爆炸、临界点相分离、气化、库仑爆炸、静电烧蚀等多种相变机理， 通过考察被加工材料熔化及碎裂的动态过程以及相应瞬态热力学特性的演化规律，揭示材料相变的微观机理和初始等离子体团形成的规律。(3) 超

5、快激光微纳制造的多尺度量子模型基于激光吸收和相变模型，建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型；应用泵浦-探测实验系统平台，针对模型预测反射率等关键参数进行测量及调控。(4) 制造新方法的理论基础基于理论与实验手段，研究超快激光脉冲序列设计调控电子状态的微观物理机制，揭示脉冲序列设计提高激光微纳制造加工精度等的微观机理，基于理论模型，研究不同特性的激光束多场能量耦合分布规律，及其与材料间的相互作用机制。2.2.2. 基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造在制造新方法方面，通过超快激光脉冲序列设计控制/改变/调节电子激发/ 电离过程等瞬时局部电子状态，进而改变瞬时局部特性和相变过程的制造

6、新方 法。由于飞秒脉冲短于绝大多数化学和物理反应， 比如电子和晶格的热平衡时间, 甚至电子弛豫时间，通过设计超快激光脉冲序列来控制被加工材料电子吸收激光 光子的过程(选择性激发/电离)，以及材料瞬时局部特性，进而控制相变过程。 主要研究内容包括：(1) 应用本项目提出的多尺度量子模型，揭示飞秒脉冲序列中脉冲参数对瞬时 局部电子状态、瞬时局部材料特性、加工过程和加工结果的影响机理/规律，并 优化飞秒脉冲序列中脉冲参数设计。(2) 利用脉冲整形器在时域中调制飞秒激光脉冲，使每个飞秒单脉冲变成时间 间隔从飞秒到皮秒的多个次脉冲。通过调节超短次脉冲的幅度及延迟时间等控制 瞬时局部电子激发/电离过程，进

7、而控制相变过程，实现高质量、高精度、高效 率微纳制造。(3) 应用泵浦-探测技术直接检测调制后的泵浦光与样品发生作用产生的瞬态光 学性质变化，检测对外层瞬时局部电子状态调控的效果。2.2.3. 基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造(1) 激光-材料的相互作用机制与共振吸收的机理研究理论研究不同特性激光束的多场能量耦合分布规律，及其共同作用下的新机 制、效应、规律，以及制造新原理。研究不同波长(近红外到近紫外)与各级能 带的共振吸收机理与规律，选择激光波长与所对应的分子振动/电子激发/电离间 形成共振吸收耦合机制。(2) 基于共振吸收的高精度激光制造方法研究利用OPA选择激光脉冲的光子能

8、量使之与电子跃迁的能级差相对应，实现 共振吸收，提高加工效率。选择脉冲序列中的光子能量分别与电子跃迁路径中的 能级差匹配，实现共振吸收。(3) 基于直写、近场与光镊的跨尺度激光制造方法研究以激光直写技术为基础，结合脉冲序列设计和共振吸收，实现对跨尺度结构 中微米级主体结构的加工；以激光结合近场探针、纳米粒子或微米级主体自身上 的纳米部分，形成局部近场，实现纳米级结构的加工；采用激光光镊实现微米量 级粒子的稳定捕获，捕获后利用激光照射微米粒子自身产生的可移动近场辅助实现纳米加工，或者粒子与微器件的集成。2.2.4. 航空/新型能源关键结构/器件激光制造及性能控制(1) 燃气轮机、单晶叶片等重大关

9、键部件激光极限制孔的基础研究燃气轮机透平叶片孔的质量问题非常关键，几何要素方面要考虑孔的圆度、 角度、锥度、形状以及入口直径，金相方面要考虑重铸层和氧化层等结构组织。采用峰值功率极高的短脉冲激光对基体进行打孔， 结合高速旋转光束整形、惰性 气氛保护和高频超声创新技术吹辅助的惰性气体，可使重铸层极小化，消除裂纹。 通过瞬态成像高速摄影技术观测激光加工小孔的动态演化。(2) 太阳能电池表面微纳陷光结构的激光制造利用飞秒激光经过特殊的环境氛围，对透明导电光学薄膜( TCO进行表面改性，使其诱导出高透射率的微纳周期结构，重点解决绒面TCO薄膜的快速激光制作以及在叠层技术中引入梯度界面层和改变窗口层质量

10、等问题。建立一套高 效、快速、稳定制作微纳结构的飞秒激光制绒工艺 ，以导电薄膜为研究对象，进 行飞秒激光光诱导的工艺探索和多参数优化；研究飞秒激光与复合薄膜材料的作 用机理，使其能快速、方便地对膜层进行精确的刻蚀。2.2.5. 面向柔性IC典型结构的激光微纳制造基础研究(1) 超快激光与石墨烯氧化物相互作用的物理过程研究在获得高质量石墨烯氧化物的前提下，对超快激光还原细致物理过程进行分 析，深入理解石墨烯氧化物的含氧基团脱除过程 ，及其对石墨烯质量的影响；研 究高质量石墨烯氧化物的合成及其成膜条件， 得到表面平整且膜厚可控的石墨烯 氧化物膜；结合飞秒瞬态吸收等超快光谱技术，研究超快激光作用下含

11、氧基团脱 除的动力学过程，研究超快激光脱氧过程可能诱导的缺陷，缺陷的存在形式及其 对导电性的影响。(2) 超快激光调控石墨烯氧化物特性研究和柔性金属纳米布线基础研究研究不同气氛下超快激光还原，比较对还原产物组分和带隙特性的影响。研 究超快激光还原石墨烯的能级和带隙与 FET关态电流和开关比的关系；针对金属离子，研究采用超快激光光化学还原反应制备金属纳米结构的方法与条件，通过激光对金属离子溶液光还原、介质内部超快激光三维还原等方法中的材料组成、 参数等因素对所加工的结构尺寸、精度的影响及机理研究，建立金属纳米结构超 快激光加工制备原理与方法，为三维金属纳米柔性布线提供关键技术。(3) 超快激光制

12、备石墨烯柔性光电子器件的研究基于所制备的石墨烯材料制备出柔性石墨烯FET:超快激光加工还原实现 高精度的石墨烯图案化电极，调控超快激光还原参数，提高电导率和降低载流子注入势垒；基于上述研究结果，研制适于集成的独立栅石墨烯FET,把该器件与OLED器件集成在一起，形成石墨烯 FET驱动的显示像素点，进一步探索多个像 素点的集成互连工艺，实现石墨烯FET驱动的柔性有源矩阵OLEE显示。(4) 面向柔性IC的石墨烯大面积激光诱导研究研究石墨烯在激光辐照下的结晶过程与长大方式，激光与石墨烯生长所需金 属基底的相互作用，研究石墨烯在激光辐照下的结构演变，揭示激光辐照处理对 薄膜透光性和导电性的影响，实现

13、对其光电性能的控制。(5) 关于柔性IC纳米薄膜结构诱导沉积制造及性能调控研究研究微重力环境中极性/非极性粒子在交变电场诱导下粒子极化和迁移运 动特性，探索有机薄膜晶体管(OTFT器件源/漏电极、有机有源层纳米薄膜结 构、晶体形态等对载流子电荷注入、电荷传输性能的影响机理，研究异质界面形 貌对电荷场效应转移性能以及界面张力和粘性的影响规律，建立薄膜结构参数、 晶体形态参数、界面形貌参数等与 OTFT器件机、电性能参数的关联模型。二、预期目标3.1总体目标针对航空发动机、太阳能电池、IC等的核心构件加工中的共性基础问题,本项目研究激光微纳制造的功能原理和尺度极限，提出一套高效率、高品质、三维复杂

14、结构、选择性激光制造的新方法并建立其多尺度量子模型。本项目提 出通过超快脉冲序列设计来控制被加工材料电子吸收激光光子的过程进而控制理论方相变过程，提高加工精度、质量和效率。提出利用光参量放大器( OPA改变波 长并结合多激光技术实现共振吸收，提高加工效率，实现选择性加工。面，将建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型，揭示激光能量吸收/传 导机理、材料瞬时性质变化及其相变机制、 成形成性规律。制备航空发动机曲面 涡轮叶片微孔结构，提高太阳能电池的转换效率，向航空、新型能源器件激光制造的实用化迈出比较关键的一步，对柔性石墨烯IC的发展进行深入的前瞻性探 索。推动我国先进制造技术发展，支撑国民经

15、济与国家安全。3.2五年预期目标(1) 制造新模型方面，建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型，研究 激光制造的功能原理，揭示和掌控激光能量吸收/传导机理、材料瞬时性质变化 及其相变机制、成形成性规律。(2) 制造新方法方面,实现一套高品质、高精度、高效率、三维复杂结构、选择性激光制造的新方 法，为激光微纳制造的实用化迈出比较关键的一步。(i) 通过超快激光脉冲序列设计结合多光子效应控制电子激发/电离过程，进而 实现基于外层电子状态控制改变瞬时局部特性和相变过程的制造新方法(ii)通过共振吸收和外层电子激发/电离控制，使加工效率提高十倍以上， 实现 基于激光共振吸收的高效率选择性制造新方法

16、 。(3) 制造应用方面,(i) 实现在钛合金或镍钻基高温合金材料表面的高精度、高品质、高效率的激光精密钻孔，力争满足航空发动机涡轮叶片工作要求：孔径100-700um,重铸层 <5 m，无裂纹。IC的激光(ii)展示以场效应晶体管(FET像素驱动电路为代表的原理性柔性 还原；实现三维金属纳米布线的线宽小于 lOOnm,加工精度20nm；柔性石墨烯 布线线宽小于50nm,加工精度20nm；初步实现柔性驱动下的有源矩阵 OLED显示单元。实现超短脉冲激光辅助的石墨烯大面积高质量薄膜的合成。获得面向高 性能、可靠电子应用的石墨烯薄膜。(4)论文专著与专利方面：发表 SCI源刊物80-160篇

17、，其中4-7篇有重要国际 影响，申报专利15-30项。(5) 人才培养方面：建立激光微纳制造领域的基础研究和技术创新基地，培养 一批中青年学术带头人，使我国在该领域总体居于世界前列， 部分方向处于引领 位置。三、研究方案4.1学术思路重大需求关键科学问题主要研究内容?航空航天燃气 轮机?柔性IC?太阳能电池表 面陷光结构激光能量的吸 收、转换、传 递与掌控机制脉冲序列设计 控制电子激发 /电离过程以 挑战控制尺度 极限基于共振吸收 的选择性高效 率制造新原理?激光制造的多维性特 征及其与材料的相互 作用机理?基于脉冲序列设计和 外层电子状态控制的 激光制造?基于共振吸收的高效 率高精度激光微纳

18、跨 尺度制造?燃气轮机、太阳能电 池等重大关键部件的 激光制造基础研究?面向柔性IC典型结构 的激光微纳制造基础 研究源头创新成果超快激光与材料 相互作用模型飞秒激光还原石 墨烯新方法大面积加工纳米 特性的结构的新 方法基于共振吸收的 高效激光加工新 方法基于电子状态调 控的飞秒激光制 造新方法理论源泉制造 物理 化学 材料 生物 信息 控制 纳米科技图1项目整体学术思路4.2技术途径4.2.1激光制造的多维性特征及其与材料的相互作用机理超快激光与材料相互作用过程是一个从纳米到毫米、从飞秒到微秒的超快、非线性、非平衡态的多尺度过程，是理解功能原理的基石。(1) 激光吸收机理：光子-电子相互作用

19、考虑多种束能吸收机理，研究超快激光光束吸收过程及其对被加工材料外层电子状态的影响。本项目米用Fokker-Planek等式计算电子激发/电离过程、改进Drude Model预测材料瞬态光学/热力学特性、玻耳兹曼输运方程计算电子导 电率和电子弛豫时间。（2）激光诱导相变机理：电子-离子相互作用考虑多种材料相变机理，研究超快激光诱导相变过程及其对材料成形规律的影响。本项目采用等离子量子模型计算激光吸收、量子分子动力学计算电子状态改变、改进分子动力学模拟材料相变机理、改进双温模型计算电子-晶格热平衡 过程、改进Drude Model预测材料瞬态光学/热力学特性。（3）超快激光微纳制造的多尺度量子模型

20、基于激光吸收和相变模型，建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模 型。应用泵浦-探测实验系统平台，针对模型预测反射率等关键参数进行测量及 调控。（4）制造新方法的理论基础基于多尺度量子模型预测与实验手段，研究超快激光脉冲序列设计调控电子激发/电离、以及材料瞬时局部特性、进而控制相变过程的微观物理机制，揭示脉冲序列设计提高激光微纳制造加工精度等的微观机理；基于理论模型，研究不 同特性的激光束能量耦合分布规律，及其与材料间的相互作用机制。422基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造（1）应用本项目提出的多尺度量子模型， 研究飞秒脉冲序列中脉冲参数 （数目、 延迟、能量分布、波长等）对下列对象

21、的影响机理 /规律：i）瞬时（飞秒到皮秒） 局部（纳米到微米）电子状态，ii）瞬时（飞秒到纳秒）局部（纳米到微米）材料 特性（光学、热力学等）；iii）加工过程（相变等）;iv）加工结果（质量、精度、效率）； 从而理论上优化飞秒脉冲序列中脉冲参数设计，并以实验验证预测。（2）通过飞秒脉冲序列的设计和产生控制材料外层电子激发 /电离过程，实现高 效率高精度纳米结构制造。本课题拟采用飞秒脉冲整形器设计和产生的飞秒脉冲 序列，控制被加工材料的电子激发/电离及材料相变过程。利用飞秒脉冲序列代 替飞秒激光单脉冲，通过控制飞秒脉冲整形器中的空间光调制器控制激光光谱的 振幅和相位分布，研究超短次脉冲的数量、

22、能量、强度分布、延迟时间以及波长 对电子激发/电离过程的影响，进而控制飞秒脉冲序列产生的破坏区域尺寸，找 出形成最佳破坏区域所需的特定的电离过程和电子状态规律， 进而提高飞秒激光 的加工精度/质量/效率。(3) 飞秒脉冲序列与材料相互作用中材料特性的瞬时局部变化规律及其控制应用泵浦-探测实验检测飞秒激光脉冲序列加工过程中的瞬时局部特性。泵浦探 测技术根据探测方式的不同可分为透射/反射泵浦探测实验和Raman光谱技术。透射/反射泵浦探测是一种基本的用于探测光致吸收或反射变化的泵浦探测技 术。时间分辨的Raman光谱技术是利用泵浦光引起的 Raman散射信号的改变, 利用与泵浦光有相对延迟的探测光

23、来记录这一信号的改变。采用泵浦探测技术可 以直接检测调制后的泵浦光与样品发生作用后产生瞬态的光学性质，检测外层 电子状态调控的影响和效果。4.2.3基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造(1) 激光-材料的相互作用机制与共振吸收的机理研究任何物质都具有一定的吸收谱，吸收谱中的吸收线最大处对应的波长称为中 心波长，用?0表示，其值由原子能级或固体物质的能带结构决定。为研究不同 波长与各级能带的共振吸收规律，本项目将采用测量材料的吸收系数、反射系数, 计算材料的介电常数等方法，重点研究近红外到近紫外波长范围内， 光子能量与 材料的分子振动/电子激发/电离间共振吸收耦合机制，期待发现的特殊/新

24、的机 制/效应应用于制造方法。(2) 基于共振吸收的高精度高效率激光制造本项目中的共振吸收加工方法是 利用OPA将激光的光子能量调至吸收峰值 附近，对材料进行加工。在共振吸收条件下，材料对激光的吸收效率可以提高几 十甚至几百倍，因此能够极大的提高加工效率。 除基态激发外，其它能量状态也 可以产生共振吸收。(3) 基于直写、近场与光镊的跨尺度激光制造以飞秒激光直写方式为基础，采用 OPA和飞秒脉冲整形器对飞秒激光的波 长和相邻次脉冲间的延迟时间进行调制， 以实现微米级主体结构的加工。用光镊 实现对微米级粒子的稳定捕获，利用微米粒子本身产生的近场完成大面积多种形 状的纳米图案，也可用光镊实现微粒定

25、位组装。4.2.4航空/新型能源关键结构/器件激光制造及性能控制(1) 在燃气轮机、单晶叶片等重大关键部件激光极限制孔的基础研究理论研究短脉冲激光精密制孔工程重铸层和微裂纹形成机理，探索激光制孔 过程热效应极限抑制新原理和方法，提出激光与高速动态旋转光束整形、振动 超声复合技术，系统开展高速光束光学部件选型、移动平台控制、软件集成、制 孔路径优化、无重铸层工艺实现等技术研究。结合超声振动、同轴吹气和集尘等 最大限度控制氧化层和重铸层的厚度，消除微裂纹，实现燃气轮机叶片无重铸、 无微裂纹的高效精密钻孔。(2) 太阳能电池表面微纳陷光结构的激光制造首先以硅基和普通玻璃为基体进行半导体薄膜的磁控溅射

26、，继而测试薄膜的 基本性能，然后在一定环境下，调试合适参数，对薄膜材料进行飞秒激光辐照, 最后对材料进行性能测试，找到最优参数。研究将快速扫描技术、多光子吸收技 术和非线性加工技术高度集成，辅助外界加工条件等建立一套飞秒激光诱导、烧 蚀多功能融合制造系统，可以重复有效实现薄膜纳米结构的制作。在理论上，分 析薄膜材料表面的光学吸收特性以及损伤机理，在此基础上建立起表面光学吸收 与损伤的理论模型；分析飞秒激光与薄膜相互作用的超快过程， 研究其成形机理, 并建立其诱导纳米结构与烧蚀损伤的联系。 在材料上，选用透明玻璃为基体控制TCO薄膜的组织成分、厚度、光学性能等参数。在实验上，核心工作为绒面机构

27、的诱导加工，通过相同条件下的表面纳米结构与不同激光参数的加工进行对比研 究，探讨边界条件、功率密度(能量、聚焦特性)、光束质量(波长、偏振态、 脉冲数、重复频率)等对诱导质量的影响。4.2.5面向柔性IC典型结构的激光制造基础研究(1)关于面向柔性IC的石墨烯制备、调控与器件研究飞秒激光还原图案化石墨烯及其特性剪裁：探索利用改良的Hummers获得 氧化程度小、水溶液分散性好的石墨烯氧化物样品；将合成的石墨烯氧化物旋涂 成膜，采用飞秒激光直写的办法对石墨烯氧化物膜进行还原并进行定位还原和图 案化设计。选择合适的条件对石墨烯氧化物进行还原， 选择不同的还原气氛进行 加工；通过调变激光功率、激光作

28、用时间细致调变还原程度，找出石墨烯中氧含 量与其带隙的相对关系，进而对其带隙进行细致的调控，以满足器件制备的需求。(2) 关于面向柔性IC的石墨烯大面积激光诱导研究在微观尺度研究石墨烯在激光辐照下的结晶过程、长大方向，以实现对石墨烯晶畴形状、尺寸的控制；研究激光与石墨烯生长所需金属基底的相互作用，包括对金属表面晶面取向、台阶边缘尺度/分布等因素的影响，建立石墨烯形核层 数与台阶的关联，以实现对石墨烯层数的控制；跟踪石墨烯在激光辐照下的结构 演变，建立热力学模型分析演变规律；揭示激光辐照处理对薄膜透光性和导电性 的影响，实现对其光电性能的控制。(3) 关于柔性IC纳米薄膜结构诱导沉积制造及性能调

29、控研究研究微重力环境中极性/非极性粒子在交变电场诱导下粒子极化和迁移运动 特性，提出极化粒子形态(形状与粒子取向)、运动、以及在约束空间分布的描 述方法，建立微重力环境下极化粒子定向迁移的动力学模型。探索有机薄膜晶体 管(OTFT器件源/漏电极、有机有源层纳米薄膜结构、晶体形态等对载流子电 荷注入、电荷传输性能的影响机理，研究异质界面形貌对电荷场效应转移性能以 及界面张力和粘性的影响规律，建立薄膜结构参数、晶体形态参数、界面形貌参 数等与OTFT器件机、电性能参数的关联模型。4.3创新和特色(1)探索通过超快激光脉冲序列设计的基于外层电子状态调控的制造新方法。由于飞秒激光脉冲宽度比许多物理/化

30、学特征时间(如电子和晶格的热平衡时间) 更短，这使得在加工中控制外层电子的激发/电离等过程成为可能。我们提出通过设计超快激光脉冲序列来控制被加工材料电子吸收激光光子的过程(选择性 激发/电离)，进而控制瞬时局部特性和相变过程(2) 当激光光子能量(或多光子效应下的等效光子能量)与被加工材料的电子 跃迁能级差相近甚至相同时，会产生共振吸收，吸收效率将比非共振时高出数十 到数百倍。提出利用OPA设备选择激光光子能量并结合激光脉冲序列设计实现 共振吸收，提高加工效率。(3) 建立超快激光与物质相互作用的多尺度量子模型。(4) 利用飞秒激光对光滑TCO透明导电膜微纳制造并赋予高效率陷光功能，建 立飞秒

31、激光TCO绒面结构的制作工艺，揭示TCO薄膜绒面成型过程的本质，大 大提咼入射光线在绒面上的多次反射，有效提咼太阳能电池的性能。(5) 提出超快激光还原石墨烯方法，在超快激光脉冲的照射下，氧化石墨烯可 以还原为石墨烯，并呈现出较好的导电性。4.4课题设置思路课题一：激光制造的多维性特征及 其与材料的相互作用机理（北京理工大学、吉林大学）T 科学问题一：激光I 能量吸收、转换、I传递与掌控I新方法课题二：基于脉冲序列设计和外层 电子状态控制的激光制造（北京理工大学、华中科技大学）I科学问题二：脉冲I序列设计控制电子I激发/电离过程课题三：基于共振吸收的高效率高 精度激光微纳跨尺度制造（中南大学、

32、华中科技大学）I科学问题三：基于I共振吸收的选择性I高效率加工71 课题四：航空/新型能源关键结构/ I 器件激光制造及性能控制I重大需求应用课题五：面向柔性IC典型结构的激I光微纳制造基础研究（清华大学、吉林大学）（清华大学、江苏大学）I图2课题设置思路及相互关系4.5课题目标与内容课题1 ：激光制造的多维性特征及其与材料的相互作用机理研究目标:建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型， 揭示和掌控激光能量吸收 /传导机理、材料瞬时性质变化及其相变机制、成形成性规律，为超快激光微纳 制造提供理论基础。研究内容:(1) 激光吸收机理：研究多种吸收机理对被加工材料电离过程以及瞬态特 性的影响，

33、探索超快激光束能吸收过程对微纳制造精度的影响。(2)激光诱导相变机理：研究加工材料熔化及碎裂的动态过程以及相应瞬 态热力学特性的演化规律，揭示材料相变的微观机理。(3) 超快激光微纳制造的多尺度量子模型：基于激光吸收和相变模型，建 立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型； 基于实验验证模型成果，并实现 光学特性等的检测与调控。(4) 制造新方法的理论基础：研究超快激光脉冲序列设计调控电子状态的微 观物理机制，研究不同特性的激光束多场能量耦合分布规律， 及其与材料间的相 互作用机制。经费比例：5% 承担单位：北京理工大学、吉林大学 课题负责人：曲良体 学术骨干：蔡海龙、李欣、何丽桥、曹颖课题2

34、:基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造研究目标:采用飞秒脉冲整形器产生所需的飞秒脉冲序列，通过调节每个脉冲序列中单个小脉冲的幅度和相邻脉冲的延迟时间等参数，瞬时局部控制电子激发/电离等 电子状态及相应材料相变过程，提高加工精度、质量和效率。研究内容:(1)应用本项目提出的多尺度量子模型，揭示飞秒脉冲序列中脉冲参数对 瞬时局部电子状态、瞬时局部材料特性、加工过程和加工结果的影响机理/规律, 并优化飞秒脉冲序列中脉冲参数设计。(2)利用脉冲整形器在时域中调制飞秒激光脉冲，使每个飞秒单脉冲变成 时间间隔从飞秒到皮秒的多个次脉冲，利用这种飞秒脉冲序列代替飞秒激光单脉 冲进行加工。通过调节超短次

35、脉冲的幅度及延迟时间等 控制瞬时局部电子激发/ 电离过程，进而控制相变过程，实现高质量、高精度、高效率微纳制造。(3) 应用泵浦-探测技术直接检测调制后的泵浦光与样品发生作用产生的瞬 态光学性质变化，检测对外层瞬时局部电子状态调控的效果。经费比例：37% 承担单位：北京理工大学、华中科技大学 课题负责人：姜澜 学术骨干：朵英贤、陆永枫、陈强华、王素梅、张海涛、陈林课题3:基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造研究目标:通过OPA选择光子能量并结合脉冲序列设计或多激光实现共振吸收，提高加工效率十倍以上。研究内容:利用OPA选择单束激光脉冲的光子能量使之与电子跃迁的某一能级差相对 应，可以实

36、现共振吸收。(1) 飞秒脉冲序列设计，将OPA产生的飞秒脉冲激光分成多束，选择各束 光的光子能量使之对应电子连续跃迁路径中的能级差，可以实现共振吸收。(2) 多激光，选择各激光光子能量分别对应电子连续跃迁路径中的能级差, 实现共振吸收，该方法提高加工效率十倍以上。除实现共振吸收外，本项目还将集成多项激光加工技术实现跨尺度制造：采 用激光直写加工实现微米尺度制造；采用激光光镊实现微米粒子的稳定捕获， 捕 获后利用激光照射微米粒子自身产生的近场实现加工或集成。经费比例：21% 承担单位：中南大学、华中科技大学 课题负责人：段吉安 学术骨干：陶少华、胡友旺、陶波、周剑英、孙小燕课题4:航空/新型能源

37、关键结构/器件激光制造及性能控制研究目标:运用基于电子状态控制、共振吸收的高效率高精度激光微纳制造新方法， 将 激光微纳制造融合动态光束整形和高频超声等技术实现航空和新型能源关键结 构精密制造。研究内容:针对航空发动机、太阳能电池中的激光微纳制造共性需求， 研究其超快激光 高品质、高可控性的加工方法及工艺：研究飞秒激光脉冲序列的参数，如波长、 脉宽、间隔、脉冲形状、能量、偏振方式、横模模式等对材料加工的影响；研究 共振吸收对加工效率的影响；研究飞秒激光脉冲序列加工与加工过程控制的协同 机制；研究激光微纳制造融合动态光束整形和高频超声等技术， 技术上实现单步 加工材料移除率的严格控制，最大程度减

38、少加工残留物、降低重铸层厚度等。通 过理论和实验研究，得出一套满足要求的微结构的超快激光微纳加工方法及工 艺，实现：（1）航空发动机涡轮叶片群孔的高质量加工；（2）具有高效、快速、 稳定制作纳米结构的飞秒激光制绒系统，以导电薄膜为研究对像，进行飞秒激光光诱导的工艺探索和多参数的优化，建立飞秒激光与薄膜作用时的光致消融模 型。经费比例：16%承担单位：清华大学、江苏大学课题负责人:周明学术骨干：刘鹏霄、任乃飞、李保家、马明星、袁润、冯巨震课题5:面向柔性IC典型结构的激光微纳制造基础研究研究目标:实现石墨烯大面积高质量薄膜的合成；实现三维金属纳米布线；展示以 FET 像素驱动电路为代表的原理性柔

39、性IC;初步实现柔性驱动下的有源矩阵 OLED显示单元。研究内容:(1)超快激光与石墨烯氧化物相互作用的物理过程研究：对超快激光还原细致物理过程进行分析，深入理解石墨烯氧化物的含氧基团脱除过程，及其对石墨烯质量的影响；研究高质量石墨烯氧化物的合成及其成膜条件。(2)超快激光调控石墨烯氧化物特性研究和柔性金属纳米布线基础研究:研究不同气氛下超快激光还原，比较对还原产物组分和带隙特性的影响。研究超快激光还原石墨烯的能级和带隙与 FET关态电流和开关比的关系；针对金属离子，研究采用超快激光光化学还原反应制备金属纳米结构的方法与条件，建立金属纳米结构超快激光加工制备原理与方法 。(3)超快激光制备石墨

40、烯柔性光电子器件的研究：基于所制备的石墨烯材料制备出柔性石墨烯FET;研制适于集成的独立栅石墨烯 FET,把该器件与OLED器件集成在一起，形成石墨烯FET驱动的显示像素点，进一步探索多个像素点的集成互连工艺，实现石墨烯FET驱动的柔性有源矩阵OLEE显示。(4)面向柔性IC的石墨烯大面积激光诱导研究： 研究石墨烯在激光辐照下的结晶过程与长大方式，激光与石墨烯生长所需金属基底的相互作用,研究石墨烯在激光辐照下的结构演变，实现对其光电性能的控制。(5)关于柔性IC纳米薄膜结构诱导沉积制造及性能调控研究:研究微重力环境中极性/非极性粒子在交变电场诱导下粒子极化和迁移运动特性,探索有机薄膜晶体管(O

41、TFT器件源/漏电极、有机有源层纳米薄膜结构、晶体形态等对载流子电荷注入、电荷传输性能的影响机理，研究异质界面形貌对电荷场效应转移性能以及界面张力和粘性的影响规律。经费比例：21% 承担单位：清华大学、吉林大学 课题负责人：钟敏霖学术骨干：李琳、朱宏伟、陈岐岱、白炳莲四、年度计划研究内容预期目标(1)研究超快激光束能吸收机理,包括自由电子加热、束缚电子激发、(1) 初步揭示典型微纳加工条件下 (1013 -10 15 W/crn)，典型材料(石碰撞电离、光致电离(多光子电离、英等)对超快激光束的吸收机理;隧道电离)等，及其对微纳制造过程(2) 初步揭示飞秒激光典型微纳加的影响;工条件下，典型材

42、料的瞬时局部特性(2) 研究激光吸收过程中的材料瞬变化规律，包括热力学和光学特性时局部特性变化，包括热力学和光学 特性等，探索超快激光束能吸收过程等;(3) 初步搭建成飞秒脉冲序列微纳对微纳制造精度的影响;制造系统;(3) 搭建飞秒脉冲序列微纳制造系(4) 理论预测不同飞秒激光脉冲序统;列辐照下瞬时局部电子状态的改变(4) 应用项目组所提出的理论模型规律;研究不同飞秒激光脉冲序列辐照下(5) 理论证明飞秒脉冲序列对瞬时瞬时局部电子状态的变化;局部电子状态的可控性;(5) 实验验证飞秒脉冲序列对瞬时(6) 初步实验验证飞秒脉冲序列对局部电子状态的可控性;瞬时局部电子状态的可控性;(6) 实验研究

43、飞秒脉冲序列对瞬时(7) 初步揭示飞秒脉冲序列对瞬时局部特性及相变机理的影响;局部特性和相变机理的影响;(7) 分析不同类材料吸收光谱特性;(8) 确定待共振吸收加工研究材料(8) 测量某些特定材料的吸收光谱;的范围;(9) 研究吸收光谱细微结构的产生(9) 获得材料电子跃迁的能级差与机制;OPA输出激光的光子能量对应关系;(10) 搭建共振吸收加工及成像系(10) 初步搭建共振吸收加工及成像统;系统;(11) 设计并初步搭建激光微纳制孔(11) 掌握激光精密制孔制绒国内外修正版研究内容预期目标制绒实验系统;(12)初步研究超快激光与石墨烯氧化物相互作用的物理过程；(13)初步研究超快激光调控

44、石墨烯氧化物特性。发展状况和技术瓶颈，确定研究方案和技术路线，准备基础实验研究;(12)初步形成激光微纳制孔制绒实验系统;(13)初步获得高质量表面平整且膜厚可控的石墨烯氧化物膜;(14)初步理解超快激光作用下含氧基团脱除的动力学过程。(1) 深入研究超快激光束能吸收机(1) 进一步揭示典型微纳加工条件理;下，典型材料对超快激光束的吸收机(2) 深入研究激光吸收过程中的材理，澄清一些前期光吸收机理争议;料瞬时局部特性变化;(2) 进一步揭示飞秒激光典型微纳(3) 研究超快激光诱导相变机理,加工条件下，典型材料的瞬时局部特包括熔化、相爆炸、临界点相分离、 性变化规律;气化、库仑爆炸、静电烧蚀等，

45、及其(3) 初步揭示飞秒激光典型微纳加对微纳制造过程的影响; 工条件下，典型材料的相变规律;(4) 研究被加工材料熔化及碎裂的(4) 完善飞秒脉冲序列微纳制造系动态过程以及相应瞬态热力学特性统;的演化规律，揭示材料相变的微观机(5) 初步搭建泵浦-探测实验系统平理和初始等离子体团形成的规律;台;(5) 完善飞秒脉冲序列微纳制造系(6) 理论预测飞秒激光脉冲序列对统;材料瞬时局部特性改变的规律，设计(6) 初步搭建泵浦-探测实验系统平 相应脉冲序列参数;台;(7) 实验揭示飞秒脉冲序列中脉冲(7) 应用项目组所提出的理论模型 的数量对加工过程(相变等)及其结预测不同飞秒激光脉冲序列辐照下果(质量

46、、精度、效率)的影响机理;材料瞬时局部特性的变化;(8) 实验揭示飞秒脉冲序列中脉冲(8)实验研究飞秒激光脉冲序列中脉冲的数量对瞬时局部电子状态和加工过程的影响;(9)实验研究飞秒激光脉冲序列中脉冲延迟时间对瞬时局部电子状态和加工过程的影响;(10)完善、改进共振吸收加工系统;(11)进一步研究吸收光谱细微结构的产生机制;(12)理论研究不同特性的激光束多场能量耦合分布规律;(13)理论研究不同特性的激光束与材料间的相互作用机制;(14)初步开展共振吸收实验研究;(15)初步研究激光精密制孔中重铸层和微裂纹形成物理机理，半导体材料表面制绒理论，初步探索制孔过程热效应极限抑制原理和方法;(16)

47、进一步完善激光微纳制孔制绒实验系统，初步进行制绒实验;(17)初步搭建激光制孔实验系统平台，初步进行叶片制孔实验;(18)进一步研究超快激光与石墨烯氧化物相互作用的物理过程；(19)进一步研究超快激光调控石墨烯氧化物特性;(20)初步研究石墨烯在激光辐照下的延迟时间对加工过程(相变等)及其结果(质量、精度、效率)的影响机理;(9)完善、改进共振吸收加工系统;(10)获得材料电子跃迁的能级差与OPA输出激光的光子能量对应关系;(11)理论揭示多激光能量场之间的耦合规律;(12)理论阐明多激光能量场与材料的相互作用机理;(13)初步实验验证共振吸收制造的可行性;(14)初步揭示制孔过程中重铸层和微

48、裂纹形成机理，半导体材料表面制绒理论，初步发展其对应抑制原理和方法;(15)初步形成激光涡轮叶片制孔实验平台，初步完成激光燃气轮机涡轮叶片精密制孔和电池材料表面制绒实验;(16)进一步获得高质量石墨烯氧化物膜;(17)超快激光还原石墨烯氧化物获得可控石墨烯，初步实现石墨烯带隙的高度可控;(18 )初步实现对石墨烯晶畴形状、尺寸的控制。的结晶过程、长大机制。(1) 继续研究超快激光束能吸收机(1) 优化超快激光吸收模型;理;(2) 深入研究激光吸收过程中的材(2) 优化超快激光辐照下，材料瞬 时局部特性变化模型；料瞬时局部特性变化;(3) 继续研究激光诱导相变机理;(3) 优化超快激光诱导相变模

49、型；(4) 初步建立飞秒激光与材料相互(4) 在吸收和相变机理研究的基础上，建立飞秒激光与材料相互作用的 作用的多尺度量子模型，并实现其程 序软件，建立激光微纳制造基础理论多尺度量子模型，并实现其程序软 研究平台;件；(5) 应用泵浦-探测实验系统平台,(5) 以实验结果为指导，优化超快 激光与材料相互作用多尺度量子模针对模型预测反射率等关键参数进 行测量及调控;型；(6) 进一步完善飞秒脉冲序列微纳(6) 根据前期理论实验研究、优化设计结果和深入检测需要，进一步完制造系统；(7) 完成泵浦-探测实验系统平台的善、调整飞秒脉冲序列微纳制造系 统;调试；(8) 理论揭示不同飞秒激光脉冲序(7)

50、完善泵浦-探测实验系统平台;列辐照下加工质量、精度、效率等变(8) 应用项目组所提出的理论模型 研究不同飞秒激光脉冲序列辐照下化;(9) 实验揭示飞秒脉冲序列中脉冲加工质量、精度、效率等变化；(9) 实验研究飞秒激光脉冲序列中 的能量分布对加工过程(相变等)及 其结果(质量、精度、效率)的影响脉冲的能量分布对瞬时局部电子状 机理;态和加工过程的影响;(10)初步提出飞秒激光脉冲序列优(10)结合理论与实验，优化设计 化设计方案;过程的影响;改进共振吸收加工系统;研究;新方法;制绒理论;继续深入激光微纳制孔制绒(16)实验;继续完善激光制孔实验系统(17)进一步研究石墨烯在激光辐(18)初步基础

51、研究;飞秒激光脉冲序列微纳制造;(11)初步研究将飞秒脉冲序列应用于精密微孔制造的工艺过程及飞秒脉冲序列各参量对微孔制造加工(12 )根据前期理论实验研究、优化设计结果和深入检测需要，完善、(13)进一步开展共振吸收的实验(14)改进实现基于激光微纳制造(15)深入研究激光制孔中减少重铸层和微裂纹的机理，热效应极限抑制原理和方法，以及半导体材料表面继续深入激光叶片制孔实验;照下的结晶过程、长大机制研究;(19)超快激光柔性金属纳米布线(20)激光与石墨烯生长所需金属基底的相互作用机制初步研究。(11)初步掌握飞秒脉冲序列各参量对微孔制造中质量、精度和效率的影响规律;(13)完善、改进共振吸收加

52、工系统;(14)实现基于共振吸收的激光微纳制造，提高加工效率。(15)进一步揭示制孔过程中重铸层和微裂纹形成机理，半导体材料表面制绒理论;(16)分析各参数对燃气轮机涡轮叶片精密制孔和电池材料表面制绒的影响,(17)制;(18)得到较系统的实验总结;进一步实现石墨烯薄膜的控初步实现三维金属纳米布线;(19)建立石墨烯形核层数与台阶的关联，初步实现对石墨烯层数的控制。（1）深入研究激光诱导相变机理（1）揭示超快脉冲序列与材料相互（2）基于理论与实验手段，研究超 作用中，激光能量吸收/传导、材料快激光脉冲序列设计调控电子激发/瞬时性质变化及其相变的特殊/新的电离、以及材料瞬时局部特性、进而机制/效应，及其对微纳制造精度的控制相变过程的微观物理机制；（3）研究脉冲序列设计提高激光微影响规律；（2）继续完善、调整飞秒脉冲序列纳制造加工精度等的微观机理；（4）根据前期理论实验研究、优化微纳制造系统；（3）进一步理论优化飞秒激光脉冲（4）揭示飞秒脉冲序列中脉冲波长设计结果和深入检测需要，继续完 善、调整飞秒脉冲序列微纳制造系序列参数;统;对加工过程（相变等）及其结果（质（5）应用项目组所提出的理论模型, 深入研究优化设计飞秒激光脉冲序 列以提高加工质量、精度或效率；（6）研究飞秒激光脉冲序列中不同量、