激光微加工技術(shù)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，錯(cuò)選、多選均不得分）1.在飛秒激光燒蝕硅材料時(shí)，若脈沖寬度從200fs縮短至50fs，而單脈沖能量保持不變，則燒蝕閾值的典型變化趨勢(shì)是A.升高約15%B.降低約30%C.基本不變D.升高一倍以上答案：B解析：飛秒?yún)^(qū)間內(nèi)熱擴(kuò)散長度∝√(D·τ_p)，τ_p減小使熱影響區(qū)縮小，能量更集中于電子子系統(tǒng)，晶格升溫更快，導(dǎo)致燒蝕閾值下降，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)下降幅度約30%。2.采用1030nm、1MHz、10ps激光在銅箔上加工10μm通孔時(shí)，最可能產(chǎn)生的缺陷是A.等離子體屏蔽導(dǎo)致入口圓度下降B.重鑄層厚度超過2μmC.孔壁出現(xiàn)周期性波紋（Ripple）D.孔底存在明顯氧化渣答案：C解析：皮秒脈沖峰值功率不足以完全電離銅蒸汽，等離子體屏蔽弱；重鑄層在皮秒?yún)^(qū)間通常<500nm；1030nm對(duì)銅反射率>95，氧化有限；而脈沖串高能累積與表面散射干涉易激發(fā)波紋結(jié)構(gòu)。3.貝塞爾光束在激光微加工中的核心優(yōu)勢(shì)是A.單脈沖能量可提升一個(gè)量級(jí)B.焦深延長且橫向光斑直徑接近衍射極限C.可完全抑制等離子體D.加工效率與高斯光束相同但成本更低答案：B解析：貝塞爾區(qū)無衍射段長度可達(dá)數(shù)百微米，同時(shí)保持亞微米橫向尺度，適合高深徑比微孔；能量守恒決定單脈沖能量不變；等離子體仍會(huì)出現(xiàn)；需錐透鏡系統(tǒng)，成本更高。4.對(duì)于透明介質(zhì)內(nèi)部的“burstmode”加工，下列參數(shù)組合最易誘導(dǎo)自組織納米光柵的是A.800nm，40fs，500kHz，nJ級(jí)burst含5子脈沖，間隔20nsB.1030nm，800fs，100kHz，μJ級(jí)單脈沖C.515nm，300fs，1MHz，burst含50子脈沖，間隔5psD.343nm，1ps，10kHz，單脈沖答案：A解析：納米光柵需足夠電子等離子體密度與多次激發(fā)，800nm在寬帶隙材料中多光子階數(shù)適中；20ns間隔允許局部電場弛豫又保持余溫，促進(jìn)周期性空間電荷場建立。5.激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（LIFT）打印金屬銀時(shí)，若接收基板表面預(yù)涂50nmPEDOT:PSS，其主要作用是A.提高銀膜導(dǎo)電率B.降低閾值激光能量并提升粘附C.防止銀氧化D.增加表面粗糙度答案：B解析：PEDOT:PSS在紫外綠光區(qū)有強(qiáng)吸收，作為犧牲層吸收激光能量，降低銀膜汽化閾值；同時(shí)其柔性鏈可與銀形成氫鍵，提高粘附。6.在玻璃微焊接中，采用2μm波長、1MHz、10ps激光，其焊接強(qiáng)度主要受限于A.多光子吸收效率過低B.熱應(yīng)力導(dǎo)致微裂紋C.等離子體屏蔽D.玻璃折射率變化答案：B解析：2μm處于二氧化硅反常色散區(qū)，線性吸收極低，需依賴多光子與缺陷吸收，熱輸入呈“慢速”累積，熱膨脹系數(shù)失配易生微裂紋。7.激光加工中“冷加工”一詞的物理判據(jù)通常指A.峰值功率<1012W/cm2B.晶格溫升ΔT_L<材料的熔點(diǎn)C.電子晶格耦合時(shí)間>>脈沖寬度D.無等離子體產(chǎn)生答案：C解析：當(dāng)電子晶格耦合時(shí)間（~psns）遠(yuǎn)大于脈沖寬度時(shí)，能量主要留在電子系統(tǒng)，晶格保持“冷”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)非熱去除。8.若使用SLM進(jìn)行并行加工，將高斯光束分束為4×4陣列，單點(diǎn)能量降為1/16，為保持原燒蝕深度，需A.將脈沖數(shù)提高16倍B.將脈沖能量提高4倍C.將掃描速度降低至1/4D.將重復(fù)頻率提高16倍答案：A解析：燒蝕深度d∝N·Φ^n，n≈0.50.7，能量Φ下降1/16，需N提高約16倍補(bǔ)償。9.在加工FusedSilica微流控溝道時(shí)，若出現(xiàn)“Y”形分叉，最可能源于A.激光偏振方向旋轉(zhuǎn)B.掃描速度突變C.數(shù)值孔徑NA過大D.激光入射角傾斜答案：A解析：納米光柵取向垂直于激光偏振，當(dāng)偏振隨掃描路徑旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵方向改變導(dǎo)致應(yīng)力釋放路徑分叉，形成“Y”形。10.采用水輔助激光切割1mmCFRP，最顯著的優(yōu)勢(shì)是A.完全無熱影響區(qū)B.防止碳纖維拔出C.降低切口表面粗糙度Sa至<1μmD.抑制有毒氰化物氣體釋放答案：D解析：水層快速冷卻并溶解氰化氫，HCN濃度可降低90%以上；熱影響區(qū)仍存；纖維拔出與粗糙度改善有限。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或以上正確答案，漏選得1分，錯(cuò)選0分）11.下列哪些技術(shù)可有效抑制激光微孔加工中的錐度A.振鏡螺旋掃描B.采用貝塞爾光束C.背面水輔助沖洗D.超快激光雙脈沖串（ps+ns）答案：A、B、C解析：螺旋掃描動(dòng)態(tài)刷新孔壁，減少側(cè)壁再沉積；貝塞爾區(qū)無衍射段保持直壁；水沖洗降低再鑄層；雙脈沖串對(duì)錐度改善不顯著。12.激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）的形成條件包括A.表面等離子體波與入射光干涉B.材料電子聲子耦合時(shí)間<脈沖寬度C.峰值能量密度略低于燒蝕閾值D.激光相干性>0.5答案：A、C、D解析：LIPSS源于散射光與表面電磁場耦合干涉；需略高于改性閾值但低于燒蝕閾值；相干性低則對(duì)比度差；電子聲子耦合時(shí)間需>脈沖寬度以形成穩(wěn)態(tài)周期場。13.關(guān)于激光輔助蝕刻（LAE）石英，下列說法正確的是A.KOH溶液濃度提高至20wt%可提升蝕刻速率10倍B.激光波長越短，蝕刻速率越高C.蝕刻速率與激光重復(fù)頻率呈線性正比D.蝕刻表面粗糙度Ra可低于10nm答案：A、B、D解析：KOH濃度升高至20wt%時(shí)，溶解SiO?生成可溶性硅酸鹽，速率提升近10倍；短波長多光子吸收效率↑；頻率過高導(dǎo)致熱累積與氣泡屏蔽，非線性；優(yōu)化參數(shù)后Ra<10nm可實(shí)現(xiàn)。14.在激光微銑削制備高深寬比銅微針時(shí)，可能遇到的挑戰(zhàn)有A.針尖再鑄球B.針體側(cè)向彎曲C.氧化膜導(dǎo)致導(dǎo)電失效D.等離子體屏蔽造成針尖缺失答案：A、B、D解析：高能量單脈沖易在針頂形成熔滴；掃描路徑不對(duì)稱產(chǎn)生側(cè)向力致彎曲；氧化膜可后續(xù)酸洗去除；等離子體屏蔽使能量無法到達(dá)針尖。15.采用飛秒激光在鉆石內(nèi)部寫光波導(dǎo)，其導(dǎo)光機(jī)制包括A.正折射率改造型波導(dǎo)B.負(fù)折射率改造型包層波導(dǎo)C.應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射型D.微爆空腔型答案：B、C、D解析：鉆石在飛秒激光作用下產(chǎn)生石墨化與非晶化，折射率下降，形成包層波導(dǎo)；應(yīng)力場產(chǎn)生雙折射；微爆空腔壁全反射亦可導(dǎo)光；正折射率改尚未在鉆石中證實(shí)。三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）16.激光微加工中，瑞利長度z_R與波長λ成正比，與束腰w?成反比。答案：×解析：z_R=πw?2/λ，與λ成反比。17.采用515nm飛秒激光加工PMMA，其燒蝕閾值低于紅外1030nm。答案：√解析：515nm光子能量2.4eV，PMMA帶隙~3eV，三光子吸收效率高于1030nm五光子，閾值下降約30%。18.在玻璃焊接中，引入中間層TiO?納米顆粒可降低閾值功率并提高剪切強(qiáng)度。答案：√解析：TiO?帶隙3.2eV，在1030nm處雙光子吸收強(qiáng)，局部加熱，降低閾值；納米顆粒釘扎界面裂紋，剪切強(qiáng)度提升50%。19.激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的方阻與掃描線間距無關(guān)。答案：×解析：線間距增大，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)密度下降，方阻升高。20.采用水射流導(dǎo)引激光（LaserMicroJet）加工藍(lán)寶石，可實(shí)現(xiàn)零錐度切割。答案：√解析：水射流全反射導(dǎo)引激光，切口平行度<0.1°。21.激光加工中，材料的“雙溫模型”假設(shè)電子與晶格各自處于熱平衡態(tài)。答案：√解析：雙溫模型用兩個(gè)耦合熱擴(kuò)散方程分別描述電子溫度T_e與晶格溫度T_l。22.在激光鉆孔中，采用圓偏振光比線偏振光更易產(chǎn)生圓形入口。答案：√解析：圓偏振電場方向旋轉(zhuǎn)，平均各向異性吸收，入口圓度提高。23.激光誘導(dǎo)等離子體光譜（LIBS）可用于在線監(jiān)測微孔深度。答案：√解析：LIBS信號(hào)強(qiáng)度與燒蝕質(zhì)量呈正相關(guān)，通過標(biāo)定可反演深度。24.激光加工CFRP時(shí)，采用1μm波長比10μm波長產(chǎn)生更小的熱影響區(qū)。解析：×答案：碳纖維對(duì)10μm吸收率>90%，能量沉積更淺，熱影響區(qū)反而更小。25.激光輔助化學(xué)蝕刻（LACE）硅，蝕刻速率與激光功率密度呈指數(shù)關(guān)系。答案：×解析：速率與功率密度呈線性關(guān)系，指數(shù)關(guān)系見于激光燒蝕。四、填空題（每空1分，共15分）26.飛秒激光燒蝕金屬時(shí)，電子晶格耦合時(shí)間常數(shù)τ_eph的典型量級(jí)為______ps。答案：110解析：貴金屬如銅τ_eph≈1ps，過渡金屬如鎳可達(dá)10ps。27.若高斯光束束腰半徑w?=2μm，波長λ=1030nm，則其瑞利長度z_R=______μm。答案：12.2解析：z_R=πw?2/λ=π×(2×10??)2/(1.03×10??)=12.2×10??m。28.在激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移中，臨界釋放能量密度E_c與供體膜厚度h的近似關(guān)系為E_c∝h^______。答案：0.5解析：薄膜熱擴(kuò)散模型給出E_c∝1/√h。29.激光加工中，等離子體頻率ω_p與電子密度n_e關(guān)系為ω_p=______。答案：√(n_ee2/ε?m_e)解析：經(jīng)典Drude模型。30.采用515nm飛秒激光在fusedsilica寫波導(dǎo)，其負(fù)折射率改變?chǔ)≈______×10?3。答案：3解析：實(shí)驗(yàn)測得非晶化區(qū)域Δn≈3×10?3。31.激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的拉曼特征峰D與G強(qiáng)度比I_D/I_G≈______時(shí)，表明缺陷密度較高。答案：>1.2解析：I_D/I_G>1.2對(duì)應(yīng)sp3缺陷比例高，導(dǎo)電性下降。32.在激光切割1mmAl?O?陶瓷時(shí)，采用______氣體可有效抑制微裂紋擴(kuò)展。答案：N?解析：N?冷卻速度適中，避免熱震；O?加劇熱應(yīng)力，Ar冷卻過慢。33.激光鉆孔中，入口直徑d_in與出口直徑d_out的比值稱為______。答案：錐度比解析：taperratio=d_in/d_out。34.激光微加工中，采用______算法可補(bǔ)償振鏡掃描的“枕形”畸變。答案：網(wǎng)格標(biāo)定（或Lookuptable）解析：通過CCD測量網(wǎng)格點(diǎn)誤差，建立LUT映射。35.激光誘導(dǎo)等離子體屏蔽臨界功率密度I_c≈______W/cm2（對(duì)于銅，λ=1μm）。答案：5×101?解析：實(shí)驗(yàn)測得銅在1μm處I_c≈5×101?W/cm2。36.激光輔助蝕刻石英，其蝕刻速率最大值對(duì)應(yīng)的溶液溫度為______℃。答案：80解析：80℃時(shí)KOH蝕刻SiO?速率最大，再升高氣泡屏蔽加劇。37.激光微銑削中，層厚Δz與掃描速度v、重復(fù)頻率f、脈沖能量E關(guān)系近似為Δz∝______。答案：Ef/v解析：單位體積能量密度決定去除深度。38.激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）周期Λ≈______λ/n（低空間頻率LSFL）。答案：1解析：LSFL周期接近激光波長λ。39.激光加工中，材料的燒蝕閾值通量F_th與脈沖寬度τ_p在飛秒?yún)^(qū)間關(guān)系為F_th∝τ_p^______。答案：0.5解析：熱擴(kuò)散模型給出F_th∝√τ_p。40.激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移打印液態(tài)金屬鎵，其最小線寬可達(dá)______μm。答案：2解析：實(shí)驗(yàn)報(bào)道鎵LIFT線寬極限≈2μm，受限于表面張力。五、簡答題（每題8分，共24分）41.闡述飛秒激光在透明介質(zhì)內(nèi)部誘導(dǎo)納米光柵的物理機(jī)制，并給出調(diào)控周期的兩種實(shí)驗(yàn)方法。答案：機(jī)制：飛秒激光在透明介質(zhì)中通過多光子電離產(chǎn)生高密度電子等離子體，局部電場與入射光場干涉形成沿偏振方向的周期性空間電荷場，驅(qū)動(dòng)缺陷遷移與局部致密化/稀疏化，最終形成周期Λ≈λ/(2n)的納米光柵。調(diào)控方法：1.改變激光波長λ，Λ∝λ；2.引入雙光束干涉，調(diào)節(jié)兩束光夾角θ，使Λ=λ/(2nsin(θ/2))。解析：納米光柵周期與有效波長成正比，雙光束干涉可在亞100nm尺度精細(xì)調(diào)控。42.比較激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）與傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積（CVD）石墨烯在柔性傳感器應(yīng)用中的優(yōu)劣。答案：LIG優(yōu)勢(shì)：1.直接激光寫入，無需轉(zhuǎn)移，工藝簡單；2.可在聚酰亞胺上圖案化，與柔性基底兼容；3.成本低，無需真空。劣勢(shì)：1.缺陷密度高，I_D/I_G>1，載流子遷移率μ<100cm2/V·s；2.厚度不均，方阻均勻性差；3.難以獲得大面積單晶。CVD優(yōu)勢(shì)：μ>2000cm2/V·s，大面積單晶，方阻低；劣勢(shì)：需轉(zhuǎn)移，工藝復(fù)雜，成本高。解析：LIG適合低功耗、一次性柔性電子；CVD適合高性能射頻器件。43.說明水導(dǎo)激光（LaserMicroJet）加工金剛石的原理，并給出兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝參數(shù)及其影響。答案：原理：水射流直徑50100μm，激光在氣水界面全反射，沿射流傳導(dǎo)至工件，水層冷卻并沖走碎屑，減少熱影響。關(guān)鍵參數(shù)：1.水射流速度v_j：v_j>100m/s可穩(wěn)定全反射，過低導(dǎo)致激光泄漏；2.激光聚焦位置Δz：Δz需位于射流入口下游12mm，確保激光耦合效率>90%，否則切口錐度增大。解析：水射流兼具光波導(dǎo)與冷卻雙重角色，參數(shù)偏差導(dǎo)致耦合效率驟降。六、計(jì)算題（共16分）44.采用1030nm、300fs、200kHz激光在銅表面加工深度10μm、直徑20μm的微孔，已知銅燒蝕閾值F_th=0.8J/cm2，燒蝕深度每脈沖d_p=20nm，吸收率A=0.05，求：(1)單脈沖能量E（μJ）；(2)總脈沖數(shù)N；(3)若采用burst模式，每burst含10子脈沖，間隔10ns，求總加工時(shí)間t。答案：(1)光斑面積A_s=πw?2，設(shè)w?=10μm，A_s=3.14×10??cm2，通量F=F_th=0.8J/cm2，E=F·A_s=0.8×3.14×10??=2.5×10??J=2.5μJ。(2)總深度10μm，每脈沖20nm，N=10×103/20=500脈沖。(3)Burst模式：每burst10脈沖，需50burst，間隔T=1/200kHz=5μs，總時(shí)間t=50×5μs=250μs。解析：實(shí)際需考慮過掃描與錐度補(bǔ)償，N常取700800脈沖。45.激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移打印銀膜，供體膜厚h=100nm，臨界釋放能量密度E_c=0.3J/cm2，激光波長515nm，脈寬10ps，光斑直徑15μm，求最小單脈沖能量E_min。若接收基板與供體間隙g=50μm，估算飛行時(shí)間t_f（忽略空氣阻力，銀密度ρ=10.5g/cm3）。答案：E_min=E_c·A=0.3×π×(7.5×10??)2=5.3×10??J=0.53μJ。銀膜速度v：由能量守恒，E_c·A=?mv2，m=ρ·A·h=10