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     

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.     

飞秒激光烧蚀铝靶产生喷射物的超快脉冲数字全息诊断

采用脉冲数字显微全息技术,对50 fs单脉冲激光烧蚀铝靶过程中的物质喷射以及等离子体演化的动态过程进行了实验研究,获得了高时空分辨的动态数字全息图.由全息图观察到了热弹力波引起的二次喷射现象,并且报道了大延迟下喷射物质对400 nm探测光所引起的干涉条纹的反常移动现象.通过对全息图进行数字再现,得到了不同延迟下探测光穿过等离子体后的二维相位分布,并运用逆Abel变换算法获得了等离子体折射率以及等效电子密度的时空演化动态过程.根据实验以及计算所得到的有关于喷射物的光学性质,对喷射物的结构和成分进行了分析. 关键词： 脉冲数字全息 飞秒激光烧蚀 超快时间分辨 等离子体     

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     

强飞秒激光烧蚀石英玻璃的超快时间分辨光学诊断

采用超快时间分辨的光学诊断技术对飞秒激光脉冲烧蚀石英玻璃的动态过程进行了实验研究.首先,对烧蚀过程中石英玻璃外部的物质喷射进行了数字全息记录,获得了不同延迟时间下探测光的二维相位差分布图,并由此推断出了喷射物的成分和结构.此外,对石英玻璃内部的现象进行了时间分辨阴影图记录,从阴影图中观察到了石英玻璃内部的两个应力波的演化过程.这两个应力波与目标靶外部的两次物质喷射相关. 关键词： 脉冲数字全息 飞秒激光烧蚀 超快时间分辨 应力波     

飞秒激光的波长对SiC材料烧蚀的影响

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面,研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明,可见光区随波长增加,烧蚀阈值从0.29J/cm2增加到0.67J/cm2;而在近红外区,SiC的烧蚀阈值为0.70J/cm2左右,基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果,可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中,在近红外区,光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区,光致电离的作用相对大一些。     

激光烧蚀金属表面产生的发射光谱分析

用观测时间和空间分辨发射光谱的方法研究了脉冲激光烧蚀金属铝靶过程中产生的等离子体羽的特性，计算了其膨胀速度，讨论了大气中等离子体点燃的机制。     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中,炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型,考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下,炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明：TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应,峰值温度高于TNT炸药的点火温度,但由于炸药内热效应区域极小,高温持续时间极短,因此炸药内温度迅速下降,没有发生点火现象。     

两个冲击波相互碰撞的演化过程

利用阴影成像诊断技术，对激光约束烧蚀所产生的两个冲击波相互碰撞的演化过程进行了研究.通过分析冲击波相互碰撞在时间上和空间上的演化过程发现，当冲击波相互碰撞的时候，两个冲击波本身并不发生相互作用，而是冲击波与烧蚀等离子体之间发生相互作用.     

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.     

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。     

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     

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。     

不同烧蚀条件下飞秒激光脉冲诱导ZnO纳米结构研究

烧蚀条件对飞秒激光脉冲诱导氧化锌纳米结构有重要影响.研究了800 nm,150 fs,250 kHz的飞秒激光脉冲分别在空气中,去离子水中以及无水乙醇中垂直聚焦于氧化锌晶体表面,诱导形成不同形态的纳米结构.实验结果表明,在空气中利用飞秒激光脉冲辐照样品表面,形成了周期为180 nm的纳米线;在去离子水中辐照诱导形成了由氧化锌纳米线聚集而成的"纳米球";在无水乙醇中形成出现分叉结构的纳米线.拉曼光谱分析辐照前后晶体晶相结果表明,形成的纳米结构相对于辐照前特征峰437 cm-1强度有所下降,在570 cm-1处的峰值则显著增强.分析了在各种烧蚀条件下诱导形成纳米结构的演化过程以及物理机理.     

飞秒物理、飞秒化学和飞秒生物学

飞秒激光技术因其极高的时间分辨特性而被广泛应用于研究多种材料的超快过程,文章从几个侧面就飞秒技术在物理学,化学及生物学等方面的应用作了介绍,在飞秒物理方面,介绍了飞秒技术在研究半导体量子阱材料,纳米材料的性质及高次谐波产生等方面的研究进展,飞秒化学则主要介绍了飞秒技术在研究光化学反应,光解离过程、键的断裂及结合以及相关的动力学过程的应用;在生物方面,则介绍利用飞秒技术研究光合作用中的能量传递过程,视觉系统中的光致异构化过程以及DNA中的电荷传递及质子传递等过程的研究现状。     

纳秒激光烧蚀下液态金属表面微结构的形成

首次发现了在不同保护气体及多脉冲uV—IR激光的照射下,液态金属的微型突起和微结构的形成。测量表明,针对不同的金属和保护气,这种结构的单脉冲生成速率可达（5—20）μm／pulse,形成了长度为1～2mm,直径约为焦点两倍的单个微型突起。最后,介绍了控制微结构形状的可能性,并讨论了它们的应用潜力。     

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5 kHz时,厚度为160 m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。