热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析

研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先,基于逆轫致吸收理论,建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型;然后,基于磁流体理论,得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程,建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后,对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时,靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明：等离子体的形成,对激光形成了明显的热阻塞效应,削弱了激光对靶材的烧蚀作用,使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。     

不同气压背景下激光烧蚀Al靶产生等离子体特性分析

用时间和空间分辨诊断技术研究了脉冲激光烧蚀不同气压环境下金属Ａｌ靶过程中产生的等离子体羽的特性。     

Al和C8H8的激光烧蚀深度测量

叙述了采用时间积分的晶体谱仪探测不同发次衬底元素离子谱线强度的相对变化外推激光烧蚀深度的方法,获取了Al和C8H8的激光烧蚀深度,进而推出了Al和C8H8的质量烧蚀速率和烧蚀压。对实验结果进行了分析和讨论。     

Al和C8H8的激光烧蚀深度测量

 叙述了采用时间积分的晶体谱仪探测不同发次衬底元素离子谱线强度的相对变化外推激光烧蚀深度的方法，获取了Al和C₈H₈的激光烧蚀深度，进而推出了Al和C₈H₈的质量烧蚀速率和烧蚀压。对实验结果进行了分析和讨论。     

强激光烧蚀平面靶的实验研究

此文叙述了采用晶体谱仪和X射线条纹相机等探测器测量平面靶强激光烧蚀参数的方法 ,给出了铝平面靶和碳氢平面靶的质量烧蚀速率和烧蚀压。实验结果与收集到的国外数据进行了比较 ,二者在误差范围内一致。同时探索了金平面靶强激光烧蚀参数的实验研究方法。     

长脉冲高能激光对金属靶材烧蚀实验研究

为研究长脉冲高能激光与金属靶材相互作用的机理,使用2种激光器对铝、钢、铜和钛靶材进行烧蚀试验。记录靶材穿透时的激光轰击次数,测量穿过通孔的激光能量和孔的面积,得到不同材料在不同能量密度下的烧蚀率。实验表明：能量密度低的激光束,即使对靶材可能有烧蚀作用,它的烧蚀率要比能量密度高的激光束小很多。能量密度达到造成液态质量迁移条件的长脉冲激光,可获得较大的烧蚀率和截面积较大的通孔。     

脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒成核气压阈值及动力学研究

采用脉冲激光烧蚀技术,在室温、低压Ar气条件下通过改变气体压强及靶与衬底间距,对纳米Si晶粒成核的气压阈值进行了研究.根据扫描电子显微镜图像、拉曼散射谱和X射线衍射谱对制备样品的表征结果,确定了在室温、激光能量密度为4 J/cm²、靶与衬底间距为3 cm条件下形成纳米Si晶粒的阈值气压为0.6 Pa.结合流体力学模型和成核分区模型,对纳米晶粒的成核动力学过程进行了分析.通过Monte Carlo数值模拟,表明在气相成核过程中,烧蚀Si原子的温度和过饱和密度共同影响着纳米晶粒的成核. 关键词： 脉冲激光烧蚀 成核 气压阈值 Monte Carlo数值模拟     

脉冲激光烧蚀块状靶材的双动态界面研究

给出脉冲激光作用块状靶材的烧蚀模型.根据能量平衡原理,导出烧蚀面的位置随时间的变化关系.利用绝热近似、温度连续性条件和能量平衡原理来获得烧蚀面与固液相界面边界条件.结合热传导方程,利用精确解与积分近似法相结合的方案,给出固液两相的温度分布与时间和位置的变化关系,以及固液相界面的位置随时间的变化规律,并与已有的理论和实验结果进行比较.最后以铝靶为例计算模拟了激光烧蚀的全过程计算. 关键词： 脉冲激光 等离子体 固液相界面 烧蚀面     

气压对激光烧蚀Al等离子体中粒子速度的影响

在背景气压为8× 10-3— 100Pa范围内 ,通过测量脉冲激光烧蚀平面Al靶产生的等离子体辐射谱的时间分辨特征 ,比较空间不同点辐射的飞行时间轮廓的相对延迟 ,从而得到辐射粒子速度及其空间分布 .利用绝热膨胀的理论和激波模型分别对背景气压小于 0 .6Pa的结果和 5Pa时的结果作了分析 ,并得出激波的波面基本上为柱对称. With the ambient gas pressure in the range from 8×10 -3 to 10 2 Pa, Q-switched YAG laser ablates plane aluminum target and plasma are produced. Optical emission spectroscopy is used to carry out time-resolved analysis of atomic particles. Using the resonance transition of Al I 396.1 nm (3p 2P-4s 2S), the spatiol velocity distribution of Al I has been obtained under the laser energies of 160 mJ/pulse when the ablating size is about 200 μm. The velocity is at the order of 10 6 cm/s...     

Ar环境气压对脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒平均尺寸的影响

采用XeCl脉冲准分子激光器，烧蚀高阻抗单晶Si靶，在1—500 Pa的Ar气环境下沉积制备了纳米Si薄膜. x射线衍射谱测量证实，纳米Si晶粒已经形成.利用扫描电子显微镜观测了所形成纳米Si薄膜的表面形貌，结果表明，随着环境气压的增加，所形成的纳米Si晶粒的平均尺寸增大，气压为100 Pa时达到最大值20 nm，而后开始减小. 从晶粒形成动力学角度，对实验结果进行了定性分析. 关键词： 纳米Si晶粒 脉冲激光烧蚀 表面形貌     

Impact of the lasr wavelength and fluence on the ablation rate of aluminium

The dependence of the ablation rate of aluminium on the fluence of nanosecond laser pulses with wavelengths of 532 nm and respectively 1064 nm is investigated in atmospheric air. The fluence of the pulses is varied by changing the diameter of the irradiated area at the target surface, and the wavelength is varied by using the fundamental and the second harmonic of a Q-switched Nd-YAG laser system. The results indicate an approximately logarithmic increase of the ablation rate with the fluence for ablation rates smaller than ∼6 μm/pulse at 532 nm, and 0.3 μm/pulse at 1064 nm wavelength. The significantly smaller ablation rate at 1064 nm is due to the small optical absorptivity, the strong oxidation of the aluminium target, and to the strong attenuation of the pulses into the plasma plume at this wavelength. A jump of the ablation rate is observed at the fluence threshold value, which is ∼50 J/cm² for the second harmonic, and ∼15 J/cm² for the fundamental pulses. Further increasing the fluence leads to a steep increase of the ablation rate at both wavelengths, the increase of the ablation rate being approximately exponential in the case of visible pulses. The jump of the ablation rate at the threshold fluence value is due to the transition from a normal vaporization regime to a phase explosion regime, and to the change of the dimensionality of the hydrodynamics of the plasma-plume.      

飞秒激光烧蚀固体靶的冲击压强

在明确飞秒激光与物质相互作用过程中冲击压强和冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝、铜、硅三种固体靶过程中的冲击压强与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀固体靶的时间分辨泵浦探测阴影图提取了冲击压强的绝对值. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料以及飞秒激光推进技术有重要意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 冲击压强 冲击温度     

Control of diameter of ZnO nanorods grown by chemical vapor deposition with laser ablation of ZnO

We made a study of controlling diameters of well-aligned ZnO nanorods grown by low-pressure thermal chemical vapor deposition combined with laser ablation of a sintered ZnO target, which was developed by us. Until now, it has been impossible to control diameters of ZnO nanorods, while the growth orientation was maintained well-aligned. In this study we developed a multi-step growth method to fabricate well-aligned nanorods whose diameters could be controlled. Metal Zn vapor and O₂ are used as precursors to grow ZnO nanorods. N₂ is used as a carrier gas for the precursors. A substrate is an n-Si (111) wafer. A sintered ZnO target is placed near the substrate and ablated by a Nd–YAG pulsed laser during ZnO nanorod growth. The growth temperature is 530 C and the pressure is 66.5 Pa. A vertical growth orientation of ZnO nanorods to the substrate is realized in the first-step growth although the diameter cannot be controlled in this step. When an O₂ flow rate is 1.5 sccm, well-aligned nanorods with 100 nm diameter are grown. Next, the second-step nanorods are grown on only the flat tip of the first-step nanorods. The diameters of the second-step nanorods can be controlled by adjusting the O₂ flow rate, and the growth direction is kept the same as that of the first-step nanorods. When the O₂ flow rate in second-step growth is smaller than 0.6 sccm, the diameter of the second-step nanorods is 30–50 nm. When the O₂ flow rate is between 0.75 and 3.0 sccm, the diameter is almost same as that of the first-step nanorods. When the O₂ flow rate is larger than 4.5 sccm, the diameter is increased with increasing O₂ flow rate. Further, the third-step ZnO nanorods with gradually increased diameters can be grown on the second-step nanorods with 1.5 sccm O₂ flow rate and without laser ablation.     

高重复率脉冲放电金属蒸气激光中电泳对金属蒸气分布的影响

建立了一个理论模型描述了高重复率脉冲放电金属蒸气激光中的电泳动力学过程.得到了稳态和瞬态时金属蒸气密度扩散方程的解析表达式.分别计算了高重复率脉冲放电的He-Sr⁺和He-Cd⁺激光在不同时刻金属蒸气密度的轴向分布过程.结果表明，在放电开始后约2s内即可在阴极区建立起相当均匀的轴向金属蒸气密度分布，从而确保了电泳式金属蒸气激光的稳定输出特性. 关键词： 电泳 高重复率脉冲放电 轴向金属蒸气分布 金属蒸气激光     

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.     

飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

短脉冲激光刻蚀加工铜材料的机制

利用数值模拟方法,研究波长1 064 nm、脉冲宽度介于1~20 ps的激光在刻蚀铜靶时,单次脉冲作用下非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制的竞争过程。结果表明：随着脉冲宽度的增加,刻蚀过程由非平衡电荷分离场刻蚀占主导地位转变为热平衡刻蚀起主要作用,且脉冲宽度和激光峰值功率密度增大到一定程度后,各种电子加速机制在不同时刻开始突显,电子能量分布出现多峰结构。在能量密度为15 J/cm2的激光作用下,1和5 ps脉宽对应的非平衡场刻蚀深度分别为110和101 nm,10和20 ps脉宽分别为25和18 nm。     

短脉冲激光刻蚀加工铜材料的机制

 利用数值模拟方法,研究波长1 064 nm、脉冲宽度介于1~20 ps的激光在刻蚀铜靶时,单次脉冲作用下非平衡场刻蚀和热平衡刻蚀两种机制的竞争过程。结果表明：随着脉冲宽度的增加,刻蚀过程由非平衡电荷分离场刻蚀占主导地位转变为热平衡刻蚀起主要作用,且脉冲宽度和激光峰值功率密度增大到一定程度后,各种电子加速机制在不同时刻开始突显,电子能量分布出现多峰结构。在能量密度为15 J/cm2的激光作用下,1和5 ps脉宽对应的非平衡场刻蚀深度分别为110和101 nm,10和20 ps脉宽分别为25和18 nm。     

准分子激光轰击Y-Ba-Cu-O高温超导靶的空间分辨光谱研究

采用WP4-光学多道分析仪对准分子激光轰击Y_1Ba_2Cu_3O_x超导靶产生的等离子体辐射进行了空间分辨测量和研究。实验结果表明,在靶面的邻近区(d<0.4mm),等离子体辐射为较强的连续谱,并迭加有Y、Ba原子和Y~+、Ba~+离子基态电子跃迁的自吸收线。Y、Ba、Cu原子和相应的一价离子以及金属氧化物分子激发态的发射谱线仅在距靶面为0.4mm以外的区域出现。光谱的测量结果支持靶面表层发生爆炸、出射分子簇团和固体微粒的激光烧蚀沉积动力学机制解释。