飞秒激光热反射实验系统测量金属薄膜中的超快速热传递过程

飞秒激光热反射技术已经成为研究不同材料中超快速热传导过程的有效实验方法.实验中采用前表面加热、后表面探测的方法对不同厚度的Au薄膜进行了测量,通过比较表面电子温度可以得到超快速激光加热条件下Au薄膜材料中电子温度振荡的传递速度.结果表明瞬态条件下非平衡态电子是热量的主要载体,根据实验测量值拟合得到的能量传递速度接近于非...     

飞秒激光抽运探测热反射法对金属纳米薄膜超快非平衡传热的研究

随着微电子器件尺寸的减小、 工作频率的提高, 金属薄膜中电子与声子将处于非平衡状态, 这将导致微电子器件的热阻增大. 为准确地对这些微电子器件进行热管理, 电子-声子耦合系数的测量变得越来越重要. 本文采用飞秒激光抽运-探测热 反射法研究了不同厚度的金属纳米薄膜的非平衡传热过程. 通过抛物两步模型对实验数据进行拟合, 在拟合过程中引入电子温度与声子温度对反射率影响的比例关系, 从而优化了拟合结果. 通过对不同厚度的Ni膜与Al膜的电子-声子耦合系数的研究, 表明金属薄膜中的电子-声子耦合系数并不随薄膜厚度的改变发生变化. 实验结果还验证了探测光的反射率同时受到电子温度和声子温度的影响, 并通过数据分析量化了电子温度和声子温度对反射率的影响系数.     

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     

飞秒激光加热金属薄膜反演问题的求解

飞秒激光加热金属薄膜时会在金属内部形成电子温度和晶格温度不平衡的热输运过程,此过程一般可以用抛物两步模型描述。飞秒激光抽运-探测技术可以对上述过程中金属表面的瞬时电子温度进行测量。通过上述实验结果结合抛物两步模型,反推金属微尺度热物性参数是一个反演问题。本文分析了此反演问题求解的可行性,并采用遗传算法对此反演问题进行了...     

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。     

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.     

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。     

飞秒激光泵浦-探测热反射系统的建立与调试

建立了用来研究超快传热现象的飞秒激光泵浦-探测热反射系统.利用该系统测量并得到了在140fs(飞秒)超短脉冲激光加热下, 50 nm金膜的非平衡电子温升引起的反射信号随时间的变化曲线.由于加热光单脉冲能量密度只有5×10-3mJ/cm2,估算最高温升在10 K以内,这有效地减小了由丁物性参数随温度变化而引起的洪差.论文介绍了在系统的调试过程中,各种因素对实验结果的影响,并对实验结果及数据处理方法进行了讨论.     

热物性参量对飞秒激光烧蚀金属影响的分子动力学模拟

利用结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光与金属相互作用的烧蚀机制.采用中心波长为800 nm,能量密度从0.043 J·cm~(-2)到0.40 J·cm~(-2)不等,脉宽分别为70 fs和200 fs的激光烧蚀金属镍和铝材料.靶材的温度、原子位型以及内部压力随时间的演化展示了材料热物性参量特性和激光参量对烧蚀结果的影响.结果显示材料电子热传导率对飞秒脉宽激光下的影响仍然较大;对比铝和镍的结果可知,铝的电子晶格耦合系数比镍的小,故电子晶格间的温度梯度持续时间较长;铝的电子热传导系数比镍的大,所以材料上下表面电子温度耦合的时间缩短.铝薄膜表面在能量密度为0.40 J·cm~(-2)激光烧蚀下呈现纳米尺寸的晶体结构.     

数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射

研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的电子热发射.当超短激光脉冲与薄膜靶相互作用时,首先入射超短脉冲激光对吸收深度内的自由电子进行热激发,接下来热激发电子将能量传递到附近的晶格,再通过电子和晶格二体系的热传导,以及电子晶格间的热耦合,将能量传递到材料的内部.因此,电子在皮秒级甚至更短的时间内不能与晶格进行能量耦合,使电子温度超出晶格温度很多,电子热发射就变得非常明显了.用双温方程联合Richardson-Dushman方程的方法对飞秒脉冲激光照射金属靶的电子热发射进行了研究,结果发现电子热发射对飞     

飞秒激光脉冲与金属光阴极相互作用

本文从理论上分析了飞秒激光与光阴极相互作用过程，采用双温模型分析了飞秒激光脉冲辐照下金属薄膜的温度效应。通过建立一个简单的光电效应模型，获得了最佳的金属光阴极厚度，通过该模型可以发现，产生的光电流对在飞秒激光脉冲辐照下的电子温度和晶格温度有着很大的依赖关系。     

Probing thermal properties of vanadium dioxide thin films by time-domain thermoreflectance without metal film

Vanadium dioxide(VO_2) is a strongly correlated material, and it has become known due to its sharp metal–insulator transition(MIT) near room temperature. Understanding the thermal properties and their change across MIT of VO_2 thin film is important for the applications of this material in various devices. Here, the changes in thermal conductivity of epitaxial and polycrystalline VO_2 thin film across MIT are probed by the time-domain thermoreflectance(TDTR) method.The measurements are performed in a direct way devoid of deposition of any metal thermoreflectance layer on the VO_2 film to attenuate the impact from extra thermal interfaces. It is demonstrated that the method is feasible for the VO_2 films with thickness values larger than 100 nm and beyond the phase transition region. The observed reasonable thermal conductivity change rates across MIT of VO_2 thin films with different crystal qualities are found to be correlated with the electrical conductivity change rate, which is different from the reported behavior of single crystal VO_2 nanowires. The recovery of the relationship between thermal conductivity and electrical conductivity in VO_2 film may be attributed to the increasing elastic electron scattering weight, caused by the defects in the film. This work demonstrates the possibility and limitation of investigating the thermal properties of VO_2 thin films by the TDTR method without depositing any metal thermoreflectance layer.     

Thermalization time of thin metal film heated by short pulse laser

Based on the hyperbolic two-step heat conduction model, using the Laplace transform and numerical inverse transform method (Riemann-sum approximation method), the thermal behaviour of thin metal films has been studied during femtosecond pulse laser heating. Also the thermalization time, which is the time for the electron gas and solid lattice to reach thermal balance, has been studied in detail. The values of thermalization time for silver (Ag), gold (Au), copper (Cu) and lead (Pb) are obtained. The effects of material parameters of the thin metal film on the thermalization time are considered for the four kinds of metals by changing one of the parameters and regarding the other parameters as constant. For a typical metal material, the order of the thermalization time is of the order of hundreds of picoseconds. The thermalization time decays exponentially with the increase of phonon－electron coupling factor or electron gas thermal conductivity, and it increases linearly with the increase of the ratio of lattice heat capacity to electron gas heat capacity. However, the relaxation time of the electron gas has very little effect on the thermalization time.     

飞秒激光脉冲的频率分辨偏振光学开关法测量研究

建立了一台频率分辨偏振光学开关（PG FROG）法飞秒脉冲测量装置，利用该装置对“极光Ⅱ号”飞秒激光放大系统进行了测量.在利用偏振光学开关法测得的时域和频域信号基础上，结合对信号光强度分布的计算机迭代处理，得到了有关飞秒激光电场、光谱及其相位的信息；并且对系统工作在不同状态时的激光脉冲进行了测量和比较分析，给出了有关该系统较详细的电场、光谱、相位以及啁啾状况.结果显示，当系统工作在零啁啾附近时，该系统输出的激光脉冲的电场、光谱和相位分布较规则，相位起伏较小；当系统偏离零啁啾状态时，虽然电场和光谱变化不很明显，但相位分布变化剧烈. 关键词： 频率分辨偏振光学开关(PG FROG)法 飞秒激光 自相关     

飞秒激光与等离子体相互作用过程中超热电子能谱的测量

报道了在3TW飞秒激光器上完成的激光 等离子体相互作用过程中产生的超热电子的能谱测量结果。能谱测量显示：在较低的能段,超热电子能谱先是呈现一个局部的平台,然后迅速衰减,呈现非类麦克斯韦分布,这是由于几种加热机制共同作用,其中占主导地位的是反射激光对电子的加速;在较高的能段,超热电子能谱呈类麦克斯韦分布,拟合的温度远远高于已知的温度定标律给出的温度,其原因在于超热电子分布的高能尾部本身的抬高和激光的自聚焦及成道。     

飞秒激光脉冲的谐波频率分辨光学开关法测量研究

建立了一台谐波频率分辨光学开关法(FROG)飞秒脉冲测量装置，利用该装置进行了掺钛蓝宝石飞秒激光脉冲的测量研究.在二次谐波自相关测得的时域和频域信号基础上，结合对信号光强度分布的计算机迭代处理，得到了有关飞秒激光电场、光谱及其相位的信息，所得脉宽与干涉测量的结果基本一致. 关键词： 频率分辨光学开关法(FROG) 迭代计算 飞秒激光 自相关