飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

飞秒激光诱导硬质合金YG6表面累积效应

采用波长800nm的飞秒激光对硬质合金YG6表面进行多脉冲加工,利用光学显微镜测量微凹坑损伤形貌及损伤直径,研究了飞秒激光在不同能量密度和脉冲数下硬质合金YG6的损伤阈值和损伤直径的变化规律及其损伤机制.试验结果表明:硬质合金YG6的多脉冲损伤阈值随着脉冲数增加而降低,呈现明显的累积效应.试验得到了多脉冲飞秒激光加工YG6的损伤阈值、损伤直径与脉冲数及中心能量密度的定量关系,YG6多脉冲损伤阈值主要与脉冲数相关,由单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定,试验得到YG6单脉冲损伤阈值为1.14±0.06J/cm2,累积系数为0.84±0.02.损伤直径主要与光束中心能量密度和脉冲数相关,由光束束腰半径,单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定.试验采用多组平均功率和脉冲数对YG6进行烧蚀,验证了单脉冲损伤阈值和累积系数的可靠性.     

基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型

为了分析飞秒激光烧蚀过程,在双相延迟模型的基础上建立了双曲型热传导模型.模型中考虑了靶材的加热、蒸发和相爆炸,还考虑了等离子体羽流的形成和膨胀及其与入射激光的相互作用,以及光学和热物性参数随温度的变化.研究结果表明:等离子体屏蔽对飞秒激光烧蚀过程有重要的影响,特别是在激光能量密度较高时;两个延迟时间的比值对飞秒激光烧蚀过程中靶材的温度特性和烧蚀深度有较大的影响;飞秒激光烧蚀机制主要以相爆炸为主.飞秒激光烧蚀的热影响区域较小,而且热影响区域的大小受激光能量密度的影响较小.计算结果与文献中实验结果的对比表明基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀模型能有效对飞秒激光烧蚀过程进行模拟.     

纳秒激光烧蚀铝材料的二维数值模拟

为了探索纳秒脉冲强激光与材料的相互作用机理,建立了二维数值模型,利用有限差分法对纳秒激光脉冲烧蚀金属铝的温度场进行了数值模拟.通过对比不同脉宽、光斑和能量下激光引起的温度场随时间的演化,发现脉冲的前期温度升高比后期快.等温图显示中心温度升高最快,烧蚀轮廓与激光束形状相似,烧蚀深度达1—5 μm.脉宽越长,烧蚀越窄和越深,光斑越大,烧蚀越宽和越浅.数值研究表明,1)激光的脉冲形状、脉宽和功率密度直接影响烧蚀的形状和深度,2)激光功率密度在10⁹ W/cm²量级烧蚀     

PMP泡沫的飞秒激光烧蚀及切割方法

对密度为90 mg/cm3的PMP泡沫材料的飞秒激光烧蚀结果进行了分析,推导出该材料在脉宽50 fs、波长800 nm、重复频率为1000 Hz的飞秒激光作用下的蚀除阈值为0.91 J/cm2（100个激光脉冲）,获得了烧蚀直径分别随激光功率、脉冲数及聚焦物镜数值孔径的变化规律。相同飞秒激光加工系统下,对比了铜箔上获得的烧蚀形状,确定了PMP泡沫材料本身的多孔洞及其分布不均匀是造成烧蚀区域的形状不规则的重要因素。PMP泡沫在较高能量或是较长时间的飞秒激光作用下,烧蚀区域发生碳化的原因是由热作用引发的。提出了一种基于激光束耦合的飞秒激光切割厚度大于1 mm的薄膜-泡沫材料的方法,并获得了切割厚度大于1.5 mm、切割侧壁与光束光轴夹角小于5、切割面整洁的薄片。     

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。     

单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理

激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明：激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm²时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.     

飞秒激光烧蚀LiNbO3晶体的形貌特征与机理研究

采用了不同能量的单脉冲和多脉冲飞秒激光对LiNbO₃晶体进行烧蚀，并刻蚀了表面衍射型光栅.通过扫描电镜和原子力显微镜观察了烧蚀点的形貌特征，首次发现利用单束飞秒激光脉冲对LiNbO₃晶体烧蚀，可以得到超衍射极限的烧蚀点，当聚焦光斑直径约为2μm、能量为170nJ的单脉冲飞秒激光作用时，烧蚀点的直径约为400nm，100nJ，17个脉冲作用时烧蚀点的直径约为800nm.同时可以观察到在能量较低的多脉冲飞秒激光作用下， LiNbO₃晶体呈现出大约200nm周期性分布的波纹状结构.实验结果表明，选择合适参数的飞秒激光脉冲可以对LiNbO₃晶体进行超衍射极限加工，这对于利用飞秒激光制作LiNbO₃基质的微纳光电子器件有十分重要的意义.     

双步激光辐射提升纳秒激光抛光单晶硅的表面

单晶硅是一种重要的半导体材料。通常，铸锭切片后的单晶硅表面易产生较深的沟槽、凹坑和裂纹等缺陷。针对这一问题，提出了一种双步激光辐射的方法，其在修复表面缺陷的同时，可以降低表面粗糙度。首先，通过有限元法模拟对不同激光参数下可修复的缺陷深度进行预测。然后，在0.50 J/cm²的较高能量密度下，利用较深的表面层熔化修复各种深度的表面缺陷。然而，由于高能量密度下引发的热毛细管流易造成高频特征残留在表面上，故会导致表面粗糙度增加。接着，使用一个0.20 J/cm²的低能量密度再次辐射同一表面，可有效消除残留的高频特征。最终，原始表面粗糙度为1.057μm的表面经过双步激光辐射后可获得一个表面粗糙度为26 nm的无缺陷光滑表面。     

飞秒激光烧蚀石英玻璃的实验与理论研究

实验研究了800nm飞秒激光作用下石英玻璃的破坏机理和烧蚀规律，给出了破坏阈值与脉冲宽度的关系.发展了雪崩击穿模型，计算了材料的烧蚀阈值与脉冲宽度的依赖关系，烧蚀深度、烧蚀体积与脉冲能量的依赖关系，研究了导带电子的扩散对材料中激光能量的沉积、分布，以及材料的破坏阈值和烧蚀规律的影响. 关键词： 飞秒激光脉冲 破坏机理 石英玻璃 电子扩散     

飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术研究

针对目前PMMA微流道加工质量差和效率低的问题, 对飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术进行了研究。通过实验分析了不同激光参数对微流道的宽度、深度、粗糙度、微流道两侧堆积物火山口高度的影响及变化规律。实验结果表明, 当激光扫描速度为20 mm/s时, 激光功率为0.5 W时, 微流道粗糙度较低且变化幅度不明显; 激光能量从0.5 W增加到0.75 W时, 微流道的宽度、深度与激光能量呈线性关系增加; 激光功率大于0.5 W时, 随着激光功率以及加工次数的增加, 微流道宽度、深度、粗糙度以及堆积物火山口的高度逐渐增加。经过计算得出, PMMA的烧蚀阈值为0.357 J/cm2。通过优化工艺参数, 制备出粗糙度较低、表面光滑、深度为16 μm的微流道芯片。     

同步三通道激光告警光学系统有效孔径的确定及截获能量的估算

为了确定一种同步三通道激光告警光学系统的有效孔径并估算截获能量,建立了激光辐照远场传输模型,仿真研究了远场光斑半径、单通道入瞳半径和通道间相对能量差之间的数值关系.仿真结果表明:各通道之间最大相对能量差与远场光斑中心能量密度的大小无关,在激光远场光斑边沿处各通道之间的相对能量差最大;最大相对能量差限定时,远场光斑半径越大,允许的单通道入瞳半径也越大,但相应系统截获的脉冲能量或脉冲功率却相对减小;最大能量差限定为1%,远场光斑半径分别为2.5 m,4.0 m和7.5 m时,允许的最大单通道入瞳半径分别为3 mm, 5 mm和10 mm,相应系统截获的最大脉冲能量为1.14×10-5 J,7.54×10-6 J和2.68×10-6 J,最大脉冲功率为1.63 W, 1.08 W和0.38 W.     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

融石英表面高质量亚波长光栅结构的飞秒激光加工EI北大核心CSCD

采用钛蓝宝石飞秒激光加工系统在融石英表面诱导表面周期性微纳结构,研究了激光诱导表面周期结构的形成过程以及激光能量密度、脉冲数、光斑大小和脉冲的空间间隔对融石英表面激光诱导表面周期结构的形貌的影响。实验结果表明,飞秒激光在融石英表面可以诱导出周期性的亚波长结构,主要以垂直于激光偏振方向的光栅状结构为主,其周期在百纳米量级且具有更好的可复现性。在激光光斑控制在1μm附近时,所得到的形貌具有较高的规则性。根据实验结果设计了聚焦高斯光斑低通量的加工方式。所制备的光栅结构具有200~300 nm的周期,平均深度约为300 nm。     

飞秒激光对高反膜的破坏及其超快动力学过程

研究了800nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2-Si O2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌,测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50fs增加到900fs,其烧蚀阈值从0.35J/cm2增加到1.78J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时,材料很快被烧蚀到几百纳米,烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时,利用建立的抽运探针实验系统,测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化,揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。     

飞秒激光的波长对SiC材料烧蚀的影响

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面,研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明,可见光区随波长增加,烧蚀阈值从0.29J/cm2增加到0.67J/cm2;而在近红外区,SiC的烧蚀阈值为0.70J/cm2左右,基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果,可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中,在近红外区,光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区,光致电离的作用相对大一些。     

纳秒激光单脉冲烧蚀硅表面的超快成像研究

利用ICCD可以在纳秒时间尺度下成像的特点,以飞秒准连续激光产生的超短脉冲光为探测光,对纳秒激光单脉冲烧蚀硅靶表面的演化过程进行动态监测。在能量密度为50J／cm^2时,捕获了纳秒单脉冲激光烧蚀硅靶面过程中等离子体演化的时间分辨图像。图像表明,纳秒激光烧蚀硅靶产生的等离子体开始时密度大,膨胀速度快,当纳秒激光脉冲过后,等离子体不再产生,并且其膨胀速度不再增加,直至完全消失。     

飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好.     

大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

自由曲面补偿飞秒激光成丝系统像差的应用

针对飞秒激光远距离成丝系统所产生的像差,基于光学自由曲面较强的像差补偿能力,提出了在飞秒激光成丝系统中使用透射式自由曲面相位板补偿系统像差的方法。首先,在光学设计软件中对实际系统像差特性进行了仿真建模。然后,对透射式自由曲面相位板进行了优化设计,优化后系统的像差得到了有效补偿,飞秒激光光斑质量得到了改善。最后,对优化设计后的自由曲面相位板进行了公差分析,并利用加工后的透射式自由曲面相位板开展了实验研究。结果表明,飞秒激光聚焦系统引入光学自由曲面相位板后,聚焦光斑形状规则,在聚焦位置处光斑的均方根（RMS）半径小于0.5 mm,飞秒激光成丝系统的像差得到了有效补偿,远距离飞秒激光的成丝强度得到了有效提高。