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.     

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.     

利用位相共轭激光器加工微孔

报道了利用带ＳＦ６气体池受激布里渊散射位相共轭Ｎｄ：ＹＡＧ激光器对０．１ｍｍ厚的刀片进行了微孔加工试验，初步实验结果表明，利用该激光器小的光束发散角这一优点，可加工出出口孔径为２０μｍ微孔。     

激光加工过程中激光诱导等离子体的动态过程研究

本文利用高速摄影机对激光加工过程中伴随产生的等离子体在室温大气压下的动态过程进行监测研究．对等离子体持续过程及其随时间的变化进行实验分析，提出等离子体在通道内突然消失的可能机制，并为进一步控制等离子体的形成提供了实验基础。     

激光加工过程中激光诱导等离子体的动态过程研究

本文利用高速摄影机对激光加工过程中伴随产生的等离子体在室温大气压下的动态过程进行监测研究.对等离子体持续过程及其随时间的变化进行实验分析,提出等离子体在通道内突然消失的可能机制,并为进一步控制等离子体的形成提供了实验基础.     

激光等离子体及点爆炸空气冲击波波前运动方程的研究

根据激光等离子体空气冲击波在自由空间中传播的约束条件导出的空气冲击波前运动方程与点爆炸波泰勒解进行比较,证明泰勒解是该冲击波波前传播方程在中场的近似形式.并将该冲击波运动方程与强爆炸空气冲击波的实验进行比较,计算结果与实验数据符合得非常好 关键词： 激光 核爆炸 等离子体冲击波     

激光医学应用的一项新进展

激光医学应用从６０年代眼科开始，现在已有广泛应用．本文介绍一项新进展──激光产生等离子体及等离子体冲击波的临床医学应用．其关键是“阈值”．当激光功率达到阈值时，产生等离子体及等离子体冲击波，等离子体冲击波的波前压强可达１～５００ｋｂａｒ，能切割组织，粉碎结石．由于不同组织具有不同的阈值，切割是具有选择性的。等离子体扩展到一定程度产生“空化气泡”，空化泡的直径与激光能量Ｅ~（１／３）有关．     

数值模拟辐射场对激光等离子体中物理过程的影响

利用研究非局域热力学平衡态下等离子体的程序包NIMP,就辐射场对等离子体中的激发和离化过程的影响进行了数值模拟研究,这对于未来研究辐射输运对天体物理过程影响的相关实验的设计具有一定的理论价值 关键词： 激光等离子体 离化态 局域热力学平衡     

空气中激光等离子体冲击波的传输特性研究

根据球形对称冲击波在自由空间中传播的约束条件,提出了空气中激光等离子体冲击波在中远场的传播公式.并用探针式超声换能器实测了能量为10-110mJ、脉宽为15ns、波长为106μm的Nd∶YAG激光作用于铝靶表面产生的等离子体空气冲击波,用此公式计算的结果与实验数据符合得很好 关键词：     

实验室模拟研究超新星遗迹演化动力学过程

文章详细分析讨论了超新星遗迹演化过程中冲击波动力学过程以及激光等离子体喷流的动力学的特点,阐述了利用激光等离子体实验产生与超新星遗迹演化动力学类似的冲击波结构来模拟研究超新星遗迹动力学与演化过程.这些分析与讨论对于实验室利用高能激光模拟研究超新星遗迹演化动力学过程具有重要的意义.     

激光等离子体效应对细胞烧蚀特性研究

研究对比了激光直接辐照、聚焦辐照以及激光等离子体辐照三种辐照方式下,洋葱表皮细胞的烧蚀特征,并基于激光辐照的热力学特性对细胞的温升以及相变过程进行分析。观察发现： 直接辐照对细胞的杀伤效果很不明显;聚焦辐照会引起焦点附近细胞的断裂以及脱水;激光等离子体辐照作用下,细胞会呈现大面积的去除,断裂边缘粗糙,且细胞层有叠加现象。理论分析发现,激光等离子体具有热效应、辐射电离及冲击波效应等,会增加激光脉冲能量到细胞的沉积、以及对细胞冲击剥离等,从而会大大增加细胞的杀伤范围和效率,可用于对细胞进行大面积杀伤。     

不同脉冲激光波形在打孔实验上的比较与分析

为了获得高质量小孔,克服单脉冲激光打孔的不足,设计了一种能够产生多脉冲激光波形的激光器电源.并在1mm厚的薄钢片上得到直径小于1mm的小孔.多脉冲打孔理论分析表明,多脉冲激光打孔不但减少了熔融物和等离子体的产生,而且降低了激光打孔对高能量的要求,获得的小孔质量优于单脉冲激光打孔.另外脉冲宽度和脉冲间距的选择对激光小孔加工质量起决定性作用,在加工高质量孔的时候,应该选用较短的激光脉冲宽度.实验表明,利用三脉冲激光输出波形打孔所获得的小孔质量要优于单脉冲激光打孔效果,有效脉冲平均能量为350mJ,宽度为100μs,脉冲间距为100μs.     

Laser shock wave consolidation of nanodiamond powders on aluminum 319

A novel coating approach, based on laser shock wave generation, was employed to induce compressive pressures up to 5 GPa and compact nanodiamond (ND) powders (4-8 nm) on aluminum 319 substrate. Raman scattering indicated that the coating consisted of amorphous carbon and nanocrystalline graphite with peaks at 1360 cm⁻¹ and 1600 cm⁻¹ respectively. Scanning electron microscopy revealed a wavy, non-uniform coating with an average thickness of 40 μm and absence of thermal effect on the surrounding material. The phase transition from nanodiamond to other phases of carbon is responsible for the increased coating thickness. Vicker's microhardness test showed hardness in excess of 1000 kg_f/mm² (10 GPa) while nanoindentation test indicated much lower hardness in the range of 20 MPa to 2 GPa. Optical surface profilometry traces displayed slightly uneven surfaces compared to the bare aluminum with an average surface roughness (R_a) in the range of 1.5-4 μm depending on the shock wave pressure and type of confining medium. Ball-on-disc tribometer tests showed that the coefficient of friction and wear rate were substantially lower than the smoother, bare aluminum sample. Laser shock wave process has thus aided in the generation of a strong, wear resistant, durable carbon composite coating on aluminum 319 substrate.     

激光烧蚀硅过程中的元素沉积规律

激光在半导体加工行业(特别是硅材料)具有广阔的应用前景。激光与硅作用过程极其复杂,本文主要研究了紫外激光脉冲对硅进行烧蚀的形貌特征以及环境气体的影响。研究表明,紫外激光烧蚀硅产生激光等离子体的电离效应对烧蚀特性起了决定性的影响：气化、电离物的产生为材料的去除提供了条件,同时激光等离子体冲击波会把相变材料有效排出,激光等离子体光谱的电离效应则把空气中的氧元素有效电离并沉积到烧蚀产物中。     

激光等离子体效应对薄膜损伤特性的影响

高能激光的发展对光学元件的抗损伤能力要求越来越高,其中光学薄膜是最薄弱的环节之一。实验研究了激光的聚焦位置对石英基片上HfO2/SiO2减反射薄膜损伤形貌的影响,研究发现:激光等离子体的高压冲击波对薄膜产生强烈的冲击剥离效应,其压强随膨胀半径的增加而迅速减小。激光等离子体光谱的辐射波长小于入射激光波长,这会增强薄膜对辐射光能量的吸收;位于深紫外波段、能量大于HfO2薄膜带隙的光子能量,将被薄膜直接吸收,从而加剧薄膜的电离破坏。激光等离子体的辐射效应和冲击波效应的共同作用决定了薄膜的损伤形貌。当激光聚焦到薄膜表面时,冲击波压强极大会使薄膜发生大面积的电离去除,同时基底发生击穿;当两者距离大到一定距离时,冲击波只会使得中心处小面积薄膜发生剥离,基底未出现断裂。     

激光熔蚀过程中等离子体冲击波压缩层能量演化

从冲击波基本性质出发,在冲击波压缩层内物质密度均匀的前提下,结合流体力学守恒方程得到冲击波压缩层的机械能通用表达式。继而,分析了激光等离子体球面衰减冲击波情况下冲击波压缩层机械能演变,发现压缩层内的机械能随着冲击波的外向传播出现增大;进而提出波后等离子体区域可能存在其他储能机制,该能量在不断向外界输送能量。最后通过铝靶熔蚀实验,证实了等离子体区域内存在电场能。     

紫外光谱法研究黄药在黄铜矿表面的吸附热力学与动力学

在紫外吸收光谱范围内对黄药溶液进行扫描,发现在波长226.5和300 nm处有两个明显吸收峰,且300 nm处的吸收峰强于226.5 nm处的。采用标准曲线法对不同浓度的标准样品进行浓度测量,对所得数据进行线性拟合,结果表明：在波长226.5和300 nm处的线性相关性均较好,但在波长300 nm处的相关性更佳,在226.5 nm处进行高浓度黄药溶液测量,可在300 nm处进行低浓度黄药溶液测量。在300 nm下对不同浓度黄药溶液进行定量分析,结果表明,最大吸光度为1.672,最小吸光度为0.032时,黄药溶液标准曲线的线性相关性仍很好,吸光度继续增大时,相关系数降低,在进行定量分析时,黄药浓度最好不要超过20 mg·L-1。在不同pH条件下,在300 nm处对黄药溶液进行浓度测量,发现pH为3时,吸光度下降,黄药开始分解,当溶液pH为2时,所测吸光度为0,黄药已完全分解,pH值在5~10范围内,黄铜矿对黄药吸附较好,溶液最佳吸附pH值为9。在300 nm处测量黄药在黄铜矿表面吸附量,分别采用Freundlich和Langmuir等温吸附模型方程、准一级和准二级动力学方程模型对所得实验数据进行拟合,研究其在黄铜矿表面的吸附动力学和热力学。结果表明：在288～303 K范围内,温度变化对吸附量多少影响不大,黄药在黄铜矿表面的吸附等温线更符合Langmuir等温线模型,黄铜矿对黄药的实际平衡吸附量Q_e均小于或接近理论单层饱和吸附量,Q_m值均与实验值极为接近,说明黄药在黄铜矿表面的吸附以单层化学吸附为主。随着温度升高,吸附量增加,说明升高温度有利于吸附过程进行,黄铜矿对黄药的吸附为吸热过程,但吸附量增加幅度很小,说明黄药在黄铜矿表面吸附受温度影响较小。该吸附过程是一个熵增、吸热、自发进行的过程,热力学参数可通过范特霍夫方程计算得到,吸附焓变ΔH为48.703 41 kJ·mol-1,熵变ΔS为219.403 88 J·(mol·K)-1,吸附自由能变ΔG为-16.054 93 kJ·mol-1,推测该吸附过程属于化学吸附;黄铜矿对黄药的吸附更符合准二级动力学方程模型,Q_t值随着温度升高而增大,且变化幅度很小,表明黄药在黄铜矿表的吸附过程为吸热过程,但受温度变化较小,这与热力学分析的结论一致,对方程拟合所得Q_e值均与实验值极为接近。     

喇曼光谱法测定单个大米淀粉微粒糊化过程的实时研究

在特定加温模式和过量水分条件下,采用激光光镊喇曼光谱系统研究了单个大米淀粉微粒的糊化行为,获得了整个糊化过程的喇曼光谱.以光谱峰高的变化标记糊化过程,进一步验证了477 cm-1峰归属为淀粉分子骨架振动的事实.通过分析C-O-H基团相关特征峰1 052、1 083、1 127、1 339 cm-1的变化情况研究大米淀粉颗粒糊化过程中的速率问题.结果显示:糊化开始后,相关特征峰在过程中呈增强趋势,随着时间增加,温度升高,速率加快,直至糊化结束.     

Laser drilling of stainless steel with nanosecond double-pulse

Nanosecond double-pulse laser drilling is reported in this paper. The double-pulse herein represents two closely conjoint pulses with 21 ns pulse duration and about 52 ns interpulse separation, which are acquired by temporal pulse shaping. Percussion drilling with such double-pulse is performed in stainless steel samples with different laser fluences, sample's thickness, repetition rates and ambient pressures. The experimental results show that the drilling rates of double-pulse drilling are more than one order of magnitude higher than that of conventional single-pulse drilling in air. Differences in the processing results between single-pulse and double-pulse with various processing parameters are investigated. In addition the ablation mechanisms of the double-pulse drilling are discussed.