大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

纳秒激光单脉冲烧蚀硅表面的超快成像研究

利用ICCD可以在纳秒时间尺度下成像的特点,以飞秒准连续激光产生的超短脉冲光为探测光,对纳秒激光单脉冲烧蚀硅靶表面的演化过程进行动态监测。在能量密度为50J／cm^2时,捕获了纳秒单脉冲激光烧蚀硅靶面过程中等离子体演化的时间分辨图像。图像表明,纳秒激光烧蚀硅靶产生的等离子体开始时密度大,膨胀速度快,当纳秒激光脉冲过后,等离子体不再产生,并且其膨胀速度不再增加,直至完全消失。     

飞秒脉冲烧蚀单晶硅的超快动力学

利用基于Pump-probe系统的超快时间分辨阴影图的方法,研究了空气中飞秒激光烧蚀单晶硅的动力学过程。实验采用脉宽为50 fs、平均能量密度约35 J/cm2的单脉冲激光烧蚀单晶硅,获取飞秒激光烧蚀单晶硅过程中等离子体和冲击波的形成和发展过程的时间分辨阴影图。实验结果表明:飞秒激光烧蚀单晶硅导致其表面物质喷发的过程是不连续的,分为明显的两次喷发过程。这表明飞秒激光与单晶硅作用的过程中,在不同的时间段可能由不同的机制主导,在前期可能是多光子电离为主,在后期可能是由多光子效应和雪崩效应共同作用。研究还发现,延迟时间较长时,冲击波形状发生畸变。     

飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

激光脉冲波形对烧蚀Si靶表面温度的影响

利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟,并结合合适的初始条件和边界条件,研究了在飞秒、皮秒激光作用下,脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明:激光功率密度是影响载流子温升的主要因素,矩形脉冲激光烧蚀Si靶表面载流子的峰值温度最高,而高斯分布的脉冲引起靶面载流子峰值温度最低。可见,激光脉冲波形对Si靶表面载流子的温度分布具有重要影响。所得结果可为制备高质量的薄膜提供理论依据。     

飞秒激光烧蚀固体靶的冲击压强

在明确飞秒激光与物质相互作用过程中冲击压强和冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝、铜、硅三种固体靶过程中的冲击压强与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀固体靶的时间分辨泵浦探测阴影图提取了冲击压强的绝对值. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料以及飞秒激光推进技术有重要意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 冲击压强 冲击温度     

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.     

飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性

由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子—晶格热弛豫时间,飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同,因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。Ge材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料,对中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲烧蚀空气中Ge靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究,并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。实验结果表明在等离子体羽膨胀初期,飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成,在200 ns时间内连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位。通过探测Ge等离子体的时间分辨发射光谱,随着等离子体的快速膨胀,等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化,在335 ns达到最大。通过探测Ge等离子体的空间分辨发射光谱,随着距离Ge靶材表面的位置增加,等离子体发射光谱强度随远离Ge靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化,在0.8 mm位置达到最大。由于存在等离子体自吸收机制,等离子体发射光谱...     

约束靶面黑漆涂层对激光冲击波的影响

 介绍了约束靶表面的黑漆涂层对激光冲击波的影响。激光功率密度 10⁹W/cm²量级，脉宽33ns，波长1.06μm。靶材选用两种不同厚度的铜和铝，靶表面用有机玻璃约束。通过对冲击波压力的直接测量发现，涂层不仅可以增加激光冲击波压力，而且还影响冲击波的演化过程。比较有无涂层的靶面SEM照片发现，黑漆涂层能有效地保护激光辐照表面，使之不受激光烧蚀。     

飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢精度的影响因素

为了研究影响飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢精度的因素,采用飞秒激光对0Cr18Ni9不锈钢进行了切割和打孔实验。利用光学显微镜、光学金相显微镜等设备,对不锈钢烧蚀区形貌和切缝显微组织进行检测,基于烧蚀过程中CCD实时采集到的不锈钢表面的激光光斑图样,采用COMSOL Multiphysic数值模拟软件,模拟了烧蚀过程中激光束的发散传播行为,并计算了光束发散角。结果表明:当激光重复频率为5kHz时,厚度为160μm的0Cr18Ni9不锈钢切缝和孔边缘被明显烧黑,切缝处晶粒明显长大,存在热影响区;烧蚀过程中,由飞秒激光超高功率密度所致的金属-空气混合等离子体使光束沿传播方向上发生散射,发散角在6°～10°之间。热影响区的存在和混合等离子体的行为是影响飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢精度的主要因素。     

飞秒激光脉冲作用下氧化镁的烧蚀及其超快动力学过程

研究了双面抛光氧化镁单晶（111）表面800 nm飞秒激光单脉冲烧蚀阈值和激光脉宽的依赖关系.利用泵浦-探针技术,测量不同能量和脉宽作用下飞秒激光烧蚀的时间分辨反射率的演化.通过扫描电镜观察其烧蚀形貌,发现大量的沿氧化镁［100］晶向开裂的裂纹.讨论了表面裂纹的形成机理,并解释了飞秒激光烧蚀氧化镁的超快动力学过程.     

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。     

脉冲激光沉积动力学研究进展

脉冲激光沉积技术是现代常用的先进薄膜材料制备技术之一.文章在简要介绍脉冲激光沉积技术及其进展的基础上,较全面地介绍了脉冲激光沉积动力学的基本物理图像和动力学构架,深入地探讨了激光烧蚀靶材过程、等离子体膨胀过程和薄膜沉积过程的动力学规律,阐述了我国学者在脉冲激光沉积动力学研究方面的贡献,例如包括脉冲激光沉积三个工艺过程自洽的统一模型,等离子体膨胀的冲击波模型,基于局域能量动量守恒定律的新等离子体演化动力学模型,包括热源项、蒸发项、等离子体屏蔽效应和动态物性参数的烧蚀热传导模型,考虑电子碰撞效应和能带结构变化的修正双温模型,能统一描写从纳秒级到飞秒级脉冲激光烧蚀规律的统一双温模型等.     

飞秒激光烧蚀氟化钙晶体表面特性

采用飞秒激光对氟化钙晶体表面进行加工。通过调控激光参数,采用静止聚焦和动态扫描两种方式在晶体表面加工出一系列微结构(烧蚀孔和烧蚀线)。分别对两种加工方式烧蚀后的氟化钙晶体表面微结构进行系统研究,包括参数依赖关系、材料表面烧蚀阈值等。计算结果表明:在静止聚焦情况下,累积因子为0.0033;在动态扫描情况下,当扫描方向与激光偏振方向垂直或平行时,累积因子分别为0.0043和0.0052。飞秒激光加工过程中的脉冲累积效应能够对晶体的烧蚀产生重要影响。     

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。     

飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。     

气流对飞秒激光加工炸药装药过程的热安全性影响分析

由于炸药具有热传导系数小、对温度极其敏感的特点,在使用多脉冲飞秒激光对其进行持续加工时,极有可能在炸药内形成热累积,从而导致点火、燃烧等危险事件的发生。为了降低激光加工材料过程中的热效应,人们普遍采取在材料加工表面施加气流的方法。为了研究加载气流条件下,炸药装药在飞秒激光作用下产生的烧蚀产物的运动规律以及炸药装药内部的温度变化,建立了加载气流条件下飞秒激光加工炸药装药过程的二维流固耦合计算模型,对在单侧、双侧不同入射角度的亚音速气流作用下,飞秒激光加工奥克托今（HMX）炸药装药的过程进行了数值模拟计算。计算结果表明：单侧气流会在炸药加工表面形成漩涡流,导致烧蚀气体产物在炸药表面做旋转运动,加重了烧蚀产物对炸药的热影响;双侧气流会在远离炸药加工表面的地方形成较大的漩涡流,从而使烧蚀气体产物迅速离开炸药加工表面,有效降低了炸药的温度,提高了飞秒激光加工炸药装药过程的安全性。     

激光烧蚀水下金属产生冲击波和空泡效应的研究

采用自行研制的高灵敏度光束偏转测试系统,对脉冲激光烧蚀水下金属产生的等离子体冲击波和空泡效应进行了实验研究。实验得到了激光等离子体冲击波的传播规律、冲击波与激光空泡的分离过程、空泡的脉动特性以及空泡溃灭冲击波的形成机制。结果表明,空泡最大和最小泡径、振荡周期均随着脉动次数的增加呈减小趋势,且减小幅度较大。最小收缩泡径由泡能和腔内含气量共同决定。在同一次脉动过程中,空泡膨胀所需的时间明显大于收缩所需的时间。     

飞秒激光烧蚀LiNbO3晶体的形貌特征与机理研究

采用了不同能量的单脉冲和多脉冲飞秒激光对LiNbO₃晶体进行烧蚀，并刻蚀了表面衍射型光栅.通过扫描电镜和原子力显微镜观察了烧蚀点的形貌特征，首次发现利用单束飞秒激光脉冲对LiNbO₃晶体烧蚀，可以得到超衍射极限的烧蚀点，当聚焦光斑直径约为2μm、能量为170nJ的单脉冲飞秒激光作用时，烧蚀点的直径约为400nm，100nJ，17个脉冲作用时烧蚀点的直径约为800nm.同时可以观察到在能量较低的多脉冲飞秒激光作用下， LiNbO₃晶体呈现出大约200nm周期性分布的波纹状结构.实验结果表明，选择合适参数的飞秒激光脉冲可以对LiNbO₃晶体进行超衍射极限加工，这对于利用飞秒激光制作LiNbO₃基质的微纳光电子器件有十分重要的意义.     

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.