飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

飞秒激光蚀除金属的分子动力学模拟

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法，从连续及原子级的角度详尽描述了飞秒激光与金属的相互作用过程。建模时不仅考虑了激光能量的吸收方式、电子热传输及电子一晶格间的能量交换，而且对底部边界进行了特殊处理，采用简单而有效的速度减幅技术，既能防止靶材底部断裂，又能保证有效蚀除。分析了靶材内部温度、压力的分布特征及应力约束条件下的蚀除机制。模拟结果表明，靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生断裂；较高脉冲能量密度下蚀除产物由多个大团簇组成，而较低能量密度下只包含单个团簇，这是应力约束条件下金属蚀除的主要特征。同时，深入探讨了激光诱导压力波的成因及其传播规律，预测了压力波的波速。确定了蚀除阈值，同实验数据完全吻合，并证明了有过热现象的存在。     

金属箔材无模激光多点冲击成形工艺研究

为了解决金属箔材微拉深工艺中高昂的微型模具设计制造成本问题,采用无模具激光冲击微成形方法,对脉宽5ns、直径50μm的高重复频率激光光斑微冲击成形20μm厚T2铜箔进行了理论分析和实验验证。结果表明,在约束层没有破损的情况下,凹坑深度h、凹坑底平面直径L₁和凹坑壁倾斜程度（L-L₁）随着单脉冲能量E及光斑搭接率增加线性增大;激光扫描内外圆周顺序对凹坑深度没有影响,但会对凹坑底平面直径有影响,先扫描外圆周时会形成更大的凹坑底平面直径,无需模具,凹坑形貌是可控的。这一结果对激光无模微拉深渐进成形的进一步研究是有帮助的。     

多脉冲飞秒激光烧蚀金属箔的热电子发射数值分析

通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素,部分改写了飞秒激光光源项,从而实现了多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射和温度场的动态数值模拟。数值模拟发现,随着脉冲个数的增加和脉冲间隔的减小,铜箔表面的反射率和表面吸收系数将明显减小,表面吸收率将明显增大,这一变化对铜箔的电子发射以及多脉冲飞秒激光照射下铜箔的温度场具有重要影响;而随着距铜箔表面深度的增加,这些影响将逐渐减小。     

飞秒激光加工机理及仿真研究进展

目前,微加工和精加工技术的迅速发展对微型化加工技术提出了更高的要求:将加工尺度提高到微米甚至纳米级,并且能够在材料内部实现三维立体微加工.飞秒激光可以突破衍射极限的限制,打破了加工极限,是当前先进制造技术的热点.本文综述了飞秒激光加工的发展历程和机理,并从库仑爆炸模型、微爆炸模型、色心模型以及双光子电离模型等方面对激光加工机理进行了阐述.对于飞秒激光的超快作用过程,仿真是分析加工机理、研究激光与材料作用过程的主要手段.分析了飞秒激光仿真所采用的双温模型、分子动力学模型及复合模型的特点及其适用范围,为飞秒激光加工的理论研究提供依据.最后指出了目前飞秒激光加工技术存在的问题,并对该技术的发展进行了展望.     

飞秒激光作用下薄膜的热力学研究

为了描述飞秒激光与金属薄膜相互作用过程中的非平衡传热现象,采用有限差分的方法对金属薄膜内的温度场进行了1维数值模拟。对双温模型中电子-晶格耦合系数G、激光脉宽和电子的弹道运动等因素对金属薄膜表层电子和晶格温度的影响进行了理论分析。结果表明,G影响材料表面电子的温升,电子和晶格温度平衡时的延迟时间随着G的增大而减小,二者呈指数变化关系。这一结果对改善半导体元件中薄膜的温升是有帮助的。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

飞秒激光在金属微加工中的应用

作为一种新型的减材加工技术,飞秒激光在材料微加工中具有独特优势.介绍了飞秒激光加工的机理,分析了飞秒激光加工效率和加工质量的影响因素,阐述了飞秒激光加工工艺参量及表面质量的预测方法,对飞秒激光与增材制造的结合应用作了展望.飞秒激光加工的效率与精度影响因素众多,要真正在金属加工领域精准大规模应用这一精细技术,尚需对飞秒激...     

耦合系数对激光辐照金属材料温度场的影响

为研究耦合系数随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生的温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金加热过程的有限元求解模型.在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,计算得到了短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场瞬态分布,比较了耦合系数随温度变化和不随温度变化两种情况下...     

飞秒激光在金属纳米材料制备和材料微结构加工中的应用

介绍了飞秒激光在高纯度金属纳米颗粒的制备及纳米颗粒的尺寸和形状的改变,玻璃内部形成基于金属纳米粒子的“三维空间选择性”析出的彩色图案的制备,有机聚合物微光子器件的制备以及光存储、光波导和光开关器件的制备等方面的应用。     

飞秒脉冲激光入射单层光学薄膜的光场特性数值模拟

飞秒脉冲激光入射光学薄膜形成瞬态光场分布是一个非稳态过程,该过程不同于纳秒脉冲或连续波入射的情形,不能直接采用求解薄膜特征矩阵的方法进行处理。采用多光束叠加的方法建立了超短脉冲入射单层膜的反射率和内部光强分布的理论模型,并根据ZnS薄膜材料的参数和单层增反膜的特点进行了数值计算。结果表明,对单层增反膜,薄膜反射率与脉宽成正比,并随脉宽增加逐渐趋近于连续波入射时的情形。在同一脉宽下,膜层厚度增加,反射率下降,且反射脉冲形状也发生改变。膜层中的光强分布计算结果也明显不同于连续波辐照情形,且薄膜厚度越大,差异越显著,表现为连续波入射时,膜层内的光强分布呈等振幅的波动,而超短脉冲入射时,波动的振幅逐渐增大,在膜层和玻璃分界处达到最大值。     

铝箔微孔的飞秒激光加工艺的研究

在飞秒激光与金属材料相互作用研究的基础上,在不同的激光器运行参数条件下利用飞秒激光器在金属铝箔上制备阵列微孔,研究了对阵列微孔的孔径与激光器工艺参数之间的关系。利用Origin7.0及SPSS13.0对实验数据进行分析,指明了飞秒激光器脉冲数、脉宽、单脉冲能量对孔径大小的影响。     

飞秒激光辐照纳米金膜的导热机制研究

从金属薄膜材料的光热参数的热物性出发,利用具有人工黏滞的、自适应时间步长的前向差分算法,求解了电子和声子双温双曲两步热传导模型下的能量耦合方程,讨论了在100fs脉冲激光辐照下50nm金膜传热过程的微观机制.结果表明:电子热导率在传热过程中变化相对较大,采用常温下的值会高估其作用.热流迟滞项的引入使得电子热流出现双峰.在不同的激光强度下,电子热流的能量分布出现不同,但在电子温度梯度急剧增大的很短时间内热流变化不大.     

飞秒激光加热多层金属薄膜的热响应

采用微观双曲两步热传导模型,研究了飞秒脉冲激光加热过程中多层金属薄膜的热响应。利用界面连续条件,推得三层金属薄膜各层薄膜内电子温度和晶格温度在拉普拉斯域内的解析表达式。通过拉普拉斯数值反变换,计算并绘制了100nm单层Au膜和34nmAu/33nmCr/33nmAu三层膜在飞秒脉冲激光加热过程中各层薄膜内电子温度和晶格温度沿薄膜厚度的分布曲线。数值结果表明,激光加热过程中不仅电子与晶格之间存在强烈的非平衡热行为,不同金属材料薄膜界面上金属晶格温度也具有急剧的非平衡行为。同时讨论了多层薄膜温度分布特点及其与薄膜材料参数的关系。     

飞秒激光诱导金属功能微结构的机理与应用

介绍了飞秒激光与金属相互作用的机理以及飞秒激光在金属超加工方面的一些最新应用。基于一维双温扩散模型分析了飞秒激光与金属相互作用的超快机制;介绍了飞秒激光加工光电倍增管电极,修复光刻掩膜．诱导白炽灯丝阵列微孔等一些工业应用。     

飞秒激光制备阵列孔金属微滤膜

选用不锈钢、铜和铝三种金属薄膜作为实验材料,厚度10~50μm.对不锈钢、铜和铝三种金属薄膜进行飞秒激光加工,研究了所形成的微纳米孔直径与飞秒激光加工参数的关系.结果表明,飞秒激光加工的微孔直径随单脉冲能量和脉冲数的平方根的增大而增大.不锈钢薄膜适于飞秒激光制作金属微孔膜,在25μm厚的不锈钢薄膜上制备了大面积阵列微孔,孔直径为2.5~10μm,孔间距为10~50μm.与传统烧结金属微孔过滤膜比较,飞秒激光制备阵列微孔金属膜具有膜孔尺寸均匀一致、直通孔形、膜孔尺寸和间距可控等特点,可获得较高的孔隙率,有利于提高透过水通量.     

飞秒强激光作用下微毛细管等离子体X射线辐射特性

进行了超短强激光脉冲与玻璃微毛细管相互作用的探索性研究。对不同能量下 ,不同长度的玻璃毛细管的X射线谱进行了测量、分析。结果表明由于微毛细管的光导作用 ,随着微毛细管长度的增加 ,X射线的强度显著增强。利用复合辐射吸收边测量了作用过程中毛细管等离子体温度 ,表明随着激光能量增加电子温度升高