时间整形飞秒激光诱导熔融硅表面纳米周期条纹的电子动力学研究

研究了时间整形飞秒激光在熔融硅表面诱导纳米周期条纹结构的电子动力学过程.通过引入非线性电离机制和表面等离子激元的瞬态作用机理,建立了关于时间整形飞秒激光诱导和调控熔融硅表面纳米周期条纹结构的电子动力学模型,并应用该模型研究获得了纳米条纹周期与时间整形脉冲时间间隔的定量关系.理论研究结果表明,通过调节时间整形脉冲的时间间隔可以实现操控表面等离子激元与激光瞬态干涉过程中的波矢配对,最终可实现对诱导的纳米条纹周期的调控.此模型预测得到的纳米条纹周期与实验结果符合得很好.该研究对于深刻理解整形脉冲链诱导材料表面纳米周期结构的电子动力学操纵机制以及对条纹周期的调控都具有重要的理论价值.     

皮秒和纳秒单脉冲激光加热Al/NC复合纳米含能材料的热动力学分析

对纳米金属颗粒复合含能材料这一新兴体系的单脉冲激光作用的热动力学过程进行了理论分析. 推导了分散在介质中的纳米金属颗粒吸收脉冲激光能量的瞬时功率密度. 从热分解机理出发对纳米金属铝复合硝化纤维(Al/NC)薄膜吸收脉冲激光能量过程以及伴随着放热化学反应的热点热量传播过程进行了数值模拟,计算了不同质量分数的Al/NC薄膜样品分别在100ps,10ns,25ns脉冲激光作用下的化学反应直径. 计算结果与实验数据相比较,表明了热分解基本符合10ns,25ns脉冲激光引发含能材料反应的机理,但它并不符合100ps 关键词： 热分解 化学反应 脉冲激光 含能材料     

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.     

半导体纳米颗粒电子的超快弛豫过程

为了研究在飞秒激光作用下半导体纳米颗粒的超快动力学过程,建立了一个带表面态的三能级结构的载流子弛豫简化模型,得出各能级的电子速率方程.利用数值模拟方法模拟出各能级电子密度和差分吸收率随时间的变化情况,得知由于吸收截面的变化,差分吸收谱会有一个超快的变化过程.并将模拟结果与Fanxin Wu等人的实验结果相比较,其曲线特征基本一致.说明该模型有一定的合理性.     

自相关法测量飞秒激光双脉冲若干参量的研究

飞秒激光双脉冲在研究光泵浦的超快瞬态过程领域具有重要的应用价值,如何实现高准确度的飞秒激光双脉冲的实时测量显得尤为重要.本文提出了一种基于自相关法的飞秒激光双脉冲参量的测量方法,可实现对共光路传输、具有飞秒至皮秒级时间间隔的飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的实时测量.实验中采用自相关仪测得了双折射晶体(钒酸钇)分束出的飞秒激光双脉冲的自相关曲线,并用非线性拟合算法求得了飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比参量.实验结果表明,本文方法与互相关测量方法相比,克服了参考脉冲参量的不确定性对检测准确度的影响,使测量平均准确度提高了48%以上.     

半导体纳米颗粒电子的超快弛豫过程

为了研究在飞秒激光作用下半导体纳米颗粒的超快动力学过程,建立了一个带表面态的三能级结构的载流子弛豫简化模型,得出各能级的电子速率方程.利用数值模拟方法模拟出各能级电子密度和差分吸收率随时间的变化情况,得知由于吸收截面的变化,差分吸收谱会有一个超快的变化过程.并将模拟结果与FanxinWu等人的实验结果相比较,其曲线特征基本一致.说明该模型有一定的合理性.     

自相关法测量飞秒激光双脉冲若干参量的研究EI北大核心CSCD

飞秒激光双脉冲在研究光泵浦的超快瞬态过程领域具有重要的应用价值,如何实现高准确度的飞秒激光双脉冲的实时测量显得尤为重要.本文提出了一种基于自相关法的飞秒激光双脉冲参量的测量方法,可实现对共光路传输、具有飞秒至皮秒级时间间隔的飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的实时测量.实验中采用自相关仪测得了双折射晶体(钒酸钇)分束出的飞秒激光双脉冲的自相关曲线,并用非线性拟合算法求得了飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比参量.实验结果表明,本文方法与互相关测量方法相比,克服了参考脉冲参量的不确定性对检测准确度的影响,使测量平均准确度提高了48%以上.     

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     

纳米尺度控制激光脉冲

正巴塞罗纳光子科学研究所(ICFO)的科学家们已演示了飞秒级和纳米级精度的激光脉冲控制。NicolòAccanto及其同事将宽带脉冲整形与显微镜内单个纳米粒子的二次谐波检测相结合,以控制亚衍射区内的超短光脉冲。这种通用方法可以弥补由激光脉冲在原位遭遇的相位失真,并评估纳米尺度傅里叶极限脉冲。此方案的精准性有助于研究单个分子、量子点、等离子体纳米结构和钻石色心等各种纳米级物体的超快动力学。这种方法还可能用于获得纳米     

纳秒紫外重复脉冲激光烧蚀单晶硅的热力学过程研究

采用波长为355 nm的纳秒紫外重复脉冲激光对单晶硅片进行了盲孔加工实验, 观测了随脉冲增加激光烧蚀硅片的外观形貌和盲孔孔深、孔径的变化规律, 并对紫外激光辐照硅片的热力学过程进行了分析. 研究结果表明:紫外激光加工硅盲孔是基于热、力效应共同作用的结果, 热效应会使得硅材料熔化、气化甚至发生电离产生激光等离子体,为材料的去除提供条件;激光等离子体冲击波以及高温气态物向外膨胀会对熔化材料产生压力致使其向外喷射,为重复脉冲的进一步烧蚀提供了条件;力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于硅表面,使得去除部位主要集中在孔的深度方向,达到较高的孔径比,实验观察孔径比可达8:1;此外,激光等离子体的产生也阻止了激光对靶面的作用,加之随孔深的增加激光发生散焦,使得烧蚀深度有一定的限制,实验观察烧蚀脉冲个数在前100个时加工效率较高.     

宽筛分煤粉颗粒间相互作用的数值研究

本文采用颗粒轨道模型,对不同直径的细小煤粉颗粒绕流单个球形大颗粒后的运动轨迹进行了数值模拟,研究了宽筛分条件下大颗粒的尾涡作用对小颗粒运动情况的影响．同时将计算结果同激光全息的实验结果进行了对照,二者符合得较好．结果表明,只有当煤粉颗粒的尺寸小到一定程度时,大颗粒的尾涡才对其运动轨迹产生显著影响．     

耗散粒子动力学对颗粒沉降问题的研究

给出了一种耗散粒子动力学方法模拟流体流动的理论及数值模型,包括控制方程组、边界条件、数值计算方法.使用耗散粒子动力学方法编程计算了颗粒在重力作用下的沉降运动,观察到颗粒的质量和所受重力对颗粒运动轨迹的影响,且颗粒质量越小,所受重力越小,颗粒运动所表现出的随机性越强烈.从而验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势.     

相对论圆偏振激光与固体靶作用产生高次谐波

超短超强激光与固体靶表面等离子体相互作用可以通过高次谐波的方式产生从极紫外到软X射线波段的相干辐射,获得飞秒甚至阿秒量级的超短脉冲,可用于观测原子或分子中的电子运动等超快动力学过程.本文实验研究了相对论圆偏振飞秒激光与固体靶相互作用的高次谐波产生过程,实验结果表明,在较大入射角下,圆偏振激光也可以有效地产生高次谐波辐射.通过预脉冲控制靶表面的预等离子体密度标长,发现高次谐波的产生效率随密度标长的增加而单调下降.进一步通过二维粒子模拟程序,分析了激光的偏振以及预等离子体密度标长对高次谐波产生的影响,很好地解释了实验观测结果.     

激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究

微杂质污染一直是影响精密器件制造质量和使用寿命的关键因素之一.对于微纳米杂质颗粒用传统的清洗方式(超声清洗等)难以去除,而激光等离子体冲击波具有高压特性,可以实现纳米量级杂质颗粒的去除,具有很大的应用潜力.本文主要研究了激光等离子体去除微纳米颗粒过程中的热力学效应:实验研究了激光等离子体在不同脉冲数下对Si基底上Al颗粒去除后的颗粒形貌变化,发现大颗粒会发生破碎而转变成小颗粒,一些颗粒达到熔点后发生相变形成光滑球体,这源于等离子体的热力学效应共同作用的结果.为了研究微粒物态转化过程,基于冲击波传播理论研究,得到冲击波压强与温度特性的演化规律;同时,利用有限元模拟方式研究激光等离子冲击波压强和温度对微粒作用规律,得到了颗粒内随时间变化的应力分布和温度分布,并在此基础上得到等离子体对颗粒的热力学作用机制.     

其他应用

TN2492007010292脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展=Research statusand development of pulsed laser ablation technology[刊,中]/徐兵(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室.浙江,杭州(310014)),宋仁国…//光电子技术.—2006,26(2).—介绍了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状,并对其发展前景进行了展望。同时将该项技术分为纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀这三个阶段。介绍了该项技术在纳米材料方面的应用。(于晓光)TN2492007010293激光清洗硅片表面Al2O3颗粒的试验和理论分析=Ex-peri mental and theoreti…     

CuBr脉冲激光动力学模型及其研究

本文通过实验观测CuBr激光等离子体中铜的自发辐射光谱,建立了五能级CuBr脉冲激光动力学模型。应用电子温度和电子密度实验值,通过计算机数值计算得到的激光脉冲波形、峰值时刻、功率等都与实验值基本相符。结果还表明:当输入功率密度不变时,通过改变缓冲气体热扩散步长,可明显改变气体温度或初始铜原子密度,从而改变激光功率。 关键词：     

纳米颗粒水基分散液在岩心微通道中的双重减阻机制及其实验验证

提出了纳米颗粒水基分散液的力学-化学双重减阻机制,并通过对比岩心切片吸附纳米颗粒前后以及冲刷前后的表面微结构、润湿性的变化,进行了实验验证. 研究结果表明,经纳米颗粒水基分散液处理之后的岩心切片表面表现为强亲水性, 并且存在一层致密的纳米颗粒吸附层;冲刷之后岩心切片表面的纳米颗粒吸附层依然存在, 但其表面已逐渐转变为强/超疏水性,反映了纳米颗粒吸附层表面的表面活性剂被逐渐清洗干净. 注水初期,主要表现为表面活性剂的化学减阻作用.随着注水过程的进行, 主要体现为以疏水表面的滑移效应为主的力学减阻机制.岩心驱替实验结果表明, 纳米颗粒水基分散液驱替后的岩心的水相渗透率平均提高幅度达84.3%, 减阻效果显著,证实了纳米颗粒水基分散液的力学-化学双重减阻机制.     

碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料（CFRP）由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明：在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。     

脉冲激光沉积动力学研究进展

脉冲激光沉积技术是现代常用的先进薄膜材料制备技术之一.文章在简要介绍脉冲激光沉积技术及其进展的基础上,较全面地介绍了脉冲激光沉积动力学的基本物理图像和动力学构架,深入地探讨了激光烧蚀靶材过程、等离子体膨胀过程和薄膜沉积过程的动力学规律,阐述了我国学者在脉冲激光沉积动力学研究方面的贡献,例如包括脉冲激光沉积三个工艺过程自洽的统一模型,等离子体膨胀的冲击波模型,基于局域能量动量守恒定律的新等离子体演化动力学模型,包括热源项、蒸发项、等离子体屏蔽效应和动态物性参数的烧蚀热传导模型,考虑电子碰撞效应和能带结构变化的修正双温模型,能统一描写从纳秒级到飞秒级脉冲激光烧蚀规律的统一双温模型等.     

脉冲激光沉积Ag:BaTiO3纳米复合薄膜及其光学特性

在MgO(100)基片上利用脉冲激光沉积技术制备了掺有Ag纳米颗粒的BaTiO₃复合薄膜.通过X射线衍射对薄膜的结构进行了表征,利用透射电子显微镜对Ag纳米颗粒的尺寸、形态进行了观测,X射线光电子能谱结果表明Ag呈金属态.在410—500nm范围内观测到了Ag纳米颗粒引起的等离子振荡峰,随着后处理温度和Ag颗粒浓度的增加,吸收峰发生红移,并出现了双峰现象. 关键词： 金属纳米复合薄膜 激光沉积 光吸收