飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究

超短脉冲激光加热可应用于研究材料中载能子之间的超快相互作用,同时也广泛应用于超快激光加工.此前人们提出的双温度模型和抛物一步模型都只能用于描述超短脉冲激光加热金属薄膜后热量传递过程的特定片段.基于双温度模型和傅里叶导热定律,提出普适的理论模型可用于完整描述飞秒激光加热金属薄膜/基底时的整个热量传递过程.同时在300 K温度下,采用背面抽运-表面探测瞬态热反射法实验研究了飞秒脉冲激光加热金属薄膜的热量传递过程,理论预测曲线和实验测量结果符合较好,验证了理论模型的正确性.基于此模型测量得到了金薄膜的电子-声子 关键词： 飞秒脉冲激光 电子-声子耦合 界面热导 瞬态热反射     

飞秒时间分辨实验中泵浦-探测交叉相关函数的测量和时间零点的确定

飞秒激光技术的出现使得实时探测与跟踪激发态超快弛豫动力学过程成为可能,并能够给出激发态动力学过程清晰的物理图像。而在飞秒时间分辨实验中,泵浦-探测相关函数和时间零点直接影响实验结果的可靠性和准确性。本文结合飞秒激光在分子激发态超快动力学过程中的应用进展,介绍了根据实验条件和要求,在具体实验过程中泵浦-探测相关函数测量和时间零点确定的几种方法。实验中选择可见光作为泵浦光和探测光时,可以通过测定随泵浦-探测时间延迟变化的泵浦激光与探测激光的和频/差频光强来确定泵浦探测交叉相关函数和时间零点;而选择中心波长在紫外甚至真空紫外的激光脉冲作为泵浦光或探测光时,泵浦-探测交叉相关函数通常采用校正的方法测量。     

飞秒激光热反射系统测量金属薄膜中的热波

金属材料中的热波现象可以利用包含电子弛豫时间影响的双曲两步模型进行理论分析.通过飞秒激光热反射实验系统对金属薄膜材料进行了测量.利用偏振分光棱镜将飞秒激光分成抽运光和探测光,其中较强的抽运光用于加热金属薄膜而较弱的探测光用于探测薄膜表面反射率随时间的变化,两束光之间的光程差通过步进电机进行精确控制.利用金属薄膜反射率和电子温度的正比例关系就可以得到电子温度随时间的变化规律.实验发现在加热激光脉冲过后的电子温度下降区间会出现另一个较弱的电子温度波峰,并利用相同厚度的两块金属薄膜样品重复测量对实验结果进行了验证.理论上这一现象可以解释为金属薄膜中热波在背面反射的结果,并且实验结果和双曲两步模型给出的热波理论计算结果相符合.根据实验结果计算出热波传递速度约为5×105m/s,对应的电子弛豫时间为60fs.     

多晶碲化锌薄膜载能子超快动力学实验研究

利用双波长飞秒激光抽运-探测实验方法测量了掺氮多晶ZnTe薄膜在飞秒激光加热情况下载能子超快动力学过程. 采用包含电子弛豫过程和晶格加热过程的理论模型拟合实验数据, 二者符合得很好. 拟合得到10 ps以内影响掺氮多晶ZnTe薄膜表面超快反射率变化的三个弛豫过程的时间常数均为亚皮秒量级. 其中, 正振幅电子弛豫过程是由电子-光子相互作用引起的载流子扩散和带间载流子冷却过程, 负振幅电子弛豫过程是由缺陷造成的光激载能子的俘获效应引起的, 晶格加热过程主要通过电子-声子耦合过程进行的.     

简易自相关仪对飞秒激光脉冲宽度的测量

用自制的简易自相关仪测量了飞秒的光脉冲宽度,测量结果与理论结果基本一致,并在此基础上分析了一些实验中的光学器件对飞秒激光脉冲宽度的影响.     

1kHz飞秒激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程

利用高重复频率(１kHz)、低能量的飞秒激光脉冲研究激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程.采用成像的方法观测飞秒激光脉冲在大气传输过程中光束截面上光强分布变化，以及大气等离子体通道对光强分布的反作用.实验结果表明，激光脉冲在传输过程中先形成双丝结构，再逐渐合并成单丝结构.实验结果与利用非线性薛定谔方程耦合多光子电离的数值模拟结果基本一致. 关键词： 飞秒激光脉冲 等离子体通道 成像     

泵浦光波形和脉宽对飞秒激光对比度的影响

 采用宽带数值模型，应用四阶龙格-库塔数值算法对三波耦合方程进行数值分析，研究了泵浦光的波形和脉宽在提高光参量啁啾脉冲放大系统输出飞秒激光对比度的作用。结果表明：在泵浦光脉宽较小的条件下，采用平滑的泵浦光波形更有利于提高飞秒激光对比度；在泵浦光脉宽较宽时，飞秒激光对比度得到很好地提高，而对泵浦光波形不敏感；但继续提高泵浦光脉宽并不能进一步改善飞秒激光对比度，而系统的转换效率却显著降低。     

飞秒激光与透明介质的相互作用

随着飞秒(1fs=1×10-15s)激光技术的不断成熟,飞秒激光器不但在实验室能产生小于10fs的光脉冲,啁啾放大后的飞秒光脉冲的聚焦峰值功率密度可达到1021W/cm2以上,而且飞秒激光系统已实现全固体、小型化结构,其稳定性和可靠性大大提高,因此在科学技术研究中的应用越来越广.文章重点介绍飞秒激光的主要特性和它与透明介质[如熔融石英、光学玻璃、对激光透明的高分子聚合物(PMMA)等]的相互作用过程,分析它们之间的非线性相互作用过程引起的材料特性或结构变化的物理机制和可能的应用,尤其在高密度大容量三维存储和微光子器件制造等方面的应用可能性.     

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.     

飞秒激光诱导微结构中飞秒时间分辨等离子体的时空动力学过程(特邀)

利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术研究了不同数值孔径显微物镜聚焦的单脉冲飞秒激光诱导熔融石英微结构中等离子体的瞬态时间-空间演化特性及瞬态电子密度空间分布与激光诱导微结构的联系。实验结果表明显微物镜聚焦的飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度随延时的增加先增大后逐渐减小。当显微物镜的数值孔径为0.45时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加变化不大,基本都在非线性焦点处,激光在样品中诱导的微结构是点状的;当显微物镜的数值孔径为0.3时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加逐渐向样品内部移动,激光诱导的微结构是长条状的。此外,不同数值孔径显微物镜聚焦飞秒激光在样品中诱导最大瞬态电子密度的空间位置与激光诱导微结构的位置一致,这说明飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像可用于超快激光微加工过程的在线检测,可为超快激光诱导材料微结构的定向调控及加工参数优化提供参考。