飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理

结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800 nm,脉宽为100 fs,能量密度为25~50 mJ/cm2的激光与90 nm厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程。确定了脉宽为100 fs的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小。 提高激光功率密度,烧蚀同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制。     

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.     

飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究

用扫描电镜(SEM)研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌.根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系，测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线(55—750fs).计算了导带电子的双光子吸收，改进了多速率方程模型，很好地解释了实验结果. 关键词： 飞秒激光 氟化镁 烧蚀机理 双光子吸收     

飞秒激光多脉冲烧蚀镍钛合金的数值模拟

为了研究飞秒激光多脉冲累积效应对镍钛合金材料的影响,通过考虑多脉冲之间的时间间隔改写激光光源项,利用改进的双温模型,采用有限差分法,对飞秒激光三脉冲烧蚀镍钛合金的温度场分布进行数值模拟,得到了电子和晶格温度随时间和烧蚀深度的演化规律.分析了多脉冲累积效应的内在机理;讨论了三脉冲条件下不同参量对电子和晶格温度的影响.结果表明:镍钛合金在飞秒激光三脉冲的作用下,电子有3个递增的峰值温度,相比单脉冲的作用,三脉冲使电子和晶格温度明显升高;多脉冲的时间间隔直接影响多脉冲的累积效应;脉冲宽度影响电子的峰值温度和达到峰值温度所用的时间;激光能量密度影响电子和晶格的温度;电声耦合常量对电子与晶格的耦合时间和电子晶格的平衡温度也有重要影响.     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

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。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

飞秒激光制备彩色镍

 采用飞秒脉冲激光在空气条件下扫描处理镍片表面,制备了彩色镍。用扫描电子显微镜、紫外-可见-近红外分光光度计、拉曼光谱仪等对其进行了表征。扫描电子显微镜测量显示,彩色镍表面出现了纳米激光诱导周期表面结构,结构周期为480～510 nm;紫外-可见-近红外分光光度计测量表明,彩色镍对波长为200～2 200 nm的光的反射率大大降低;拉曼谱表明样品表面形成了一定含量的氧化镍。     

飞秒激光制备彩色镍

采用飞秒脉冲激光在空气条件下扫描处理镍片表面,制备了彩色镍。用扫描电子显微镜、紫外-可见-近红外分光光度计、拉曼光谱仪等对其进行了表征。扫描电子显微镜测量显示,彩色镍表面出现了纳米激光诱导周期表面结构,结构周期为480～510 nm;紫外-可见-近红外分光光度计测量表明,彩色镍对波长为200～2 200 nm的光的反射率大大降低;拉曼谱表明样品表面形成了一定含量的氧化镍。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

Thermal characteristics of double-layer thin film target ablated by femtosecond laser pulses

Thermal characteristics of tightly-contacted copper--gold double-layer thin film target under ablation of femtosecond laser pulses are investigated by using a two-temperature theoretical model. Numerical simulation shows that electron heat flux varies significantly on the boundary of copper--gold film with different maximal electron temperature of 1.15×10³ K at 5 ps after ablating laser pulse in gold and copper films, which can reach a balance around 12.6 ps and 8.2 ps for a single and double pulse ablation, respectively, and in the meantime, the lattice temperature difference crossing the gold--copper interface is only about 0.04×10³ K at the same time scale. It is also found that electron--lattice heat relaxation time increases linearly with laser fluence in both single and double pulse ablation, and a sudden change of the relaxation time appears after the laser energy density exceeds the ablation threshold.     

Metal absorptivity in femtosecond pulsed laser ablation

In this paper, the effect of the absorptivity of metal on femtosecond pulsed laser ablation is investigated. The formulas for the absorptivity depending on target temperature are derived from Maxwell Equations and the Lambert-Beer’s law. Based on this, a new two-temperature model is proposed to describe the femtosecond pulsed laser ablation with metal. Then, using Au as an example, a finite difference method is employed to simulate the space-dependent and time-dependent absorptivity and the target temperature. The temperature evolution of our model is compared with the result obtained form the heat conduction model taking the absorptivity as constant. It is shown that the absorptivity plays an important role in the femtosecond pulsed laser ablation. The results of this paper are helpful in choosing the best technical parameters in femtosecond pulsed laser ablation.      

An optimal process of femtosecond laser cutting of NiTi shape memory alloy for fabrication of miniature devices

The mechanical properties of NiTi shape memory alloy (SMA) components are sensitive to thermal influence during laser machining. To make the femtosecond laser cutting of NiTi material meet the strict fabrication requirements for miniature SMA devices with high precision, complex patterns and minimal heat affected zone (HAZ) along with high throughput, we report an optimal process of sideways-movement path planning in this article. Femtosecond laser processing of NiTi SMA using the fundamental wavelength of 775 nm from a Ti:sapphire laser along with its second and third harmonic irradiations were systematically investigated. We observed that the main impact of ultrashort laser pulse induced air breakdown on materials processing was beam widening. The laser beam at fundamental wavelength suffered less widening than its harmonic wavelengths. Femtosecond laser machining of metals is still basically a thermal mechanism. High ablation rates at higher laser fluences causes significant recast formation, while lower fluences resulted in better cutting quality at the expense of efficiency. The optimal process involving the method of sideways-movement path planning enables recast-free high-precision features at higher laser fluences with better throughput.     

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。     

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.     

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     

Thermal analysis of intense femtosecond laser ablation of aluminum

This paper numerically simulates the process of ablation of an aluminum target by an intense femtosecond laser with a fluence of 40 J/cm 2 based on the two-temperature equation,and obtains the evolution of the free electron temperature and lattice temperature over a large temporal and depth range,for the first time. By investigating the temporal evolution curves of the free electron temperature and lattice temperature at three representative depths of 0,100 nm and 500 nm,it reveals different characteristics and mechanisms of the free electron temperature evolution at different depths. The results show that,in the intense femtosecond laser ablation of aluminum,the material ablation is mainly induced by the thermal conduction of free electrons,instead of the direct absorption of the laser energy; in addition,the thermal conduction of free electrons and the coupling effect between electrons and lattice will induce the temperature of free electrons deep inside the target to experience a process from increase to decrease and finally to increase again.     

聚合物飞秒激光加工的分子动力学建模与仿真

通过合理选择聚合物分子结构模型和高精度势能函数,建立了聚合物飞秒激光烧蚀加工的分子动力学仿真模型,并使用该模型研究了聚乙烯和聚苯乙烯飞秒激光烧蚀加工中的激光能量辐照和扩散过程。研究结果表明：激光烧蚀加工中聚合物材料的去除方式包括单链热激发引起的表面蒸发和单链热运动引起的内部热膨胀。聚苯乙烯单链的微观变形方式包括单链的整体移动和单链自身结构的变化。聚乙烯和聚苯乙烯的分子结构差异对聚合物单链变形行为和材料去除体积等烧蚀加工结果具有显著的影响。