Silicon micro-hemispheres with periodic nanoscale rings produced by the laser ablation of single crystalline silicon

We describe the fabrication of silicon micro-hemispheres by adopting the conventional laser ablation of single crystalline silicon in the vacuum condition without using any catalysts or additives. The highly oriented structures of silicon micro-hemispheres exhibit many periodic nanoscale rings along their outer surfaces. We consider that the self-organized growth of silicon micro-structures is highly dependent on the laser intensity and background air medium. The difference between these surface modifications is attributed to the amount of laser energy deposited in the silicon material and the consequent cooling velocity.     

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     

激光烧蚀Cu靶产生等离子体紫外段发射光谱的研究

利用波长532nm,脉宽15ns的Nd:YAG 激光器作用于Cu靶上,研究了产生等离子体的紫外段（180 nm～300 nm）发射光谱。在局部热力学平衡条件下,采用Boltzmann图表法估算了等离子体的电子温度,得到了电子温度随时间和空间的变化,以及电子温度随激光能量密度的变化。结果显示,随着激光能量的变化,电子温度有一个极大值。随着时间的发展,电子温度先减小,而后增大,接着缓慢减小。随着距靶面距离的增加,电子温度呈下降趋势。     

气压对激光诱导Al等离子体特征的影响

使用Nd :YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体 ,利用光谱时 -空分辨技术 ,在 10 0～ 1× 10 5Pa气压范围内 ,关于环境气体压强对激光诱导的等离子体辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气 ,单脉冲激光能量 145mJ。结果发现 ,气压升高 ,特征谱线强度增加 ,连续谱强度也增加 ;但气压过高 ,在接近大气压时 ,特征谱和连续谱都下降 ;最大特征辐射强度在 10kPa、靶前 0 .1mm处、延时 180ns获得 ;同一条件下获得最强背景连续谱 ,而信号 -背景比是在10 0 0Pa、靶前 1.0mm处、延时 2 50 0ns达到最大值。基于Al等离子体不同气压下的时间 -空间分辨谱 ,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信号 -背景比的条件 ;以及最佳信号采集区。     

整形飞秒激光金属材料精细加工

实验通过二极管记录透射光信号随脉冲个数变化关系以及观测样品烧蚀形貌来研究不同实验条件对激光烧蚀的影响。使用的样品是厚度为50 m铝箔。实验中通过研究不同变量:激光焦点与样品的相对位置、激光的能量、背景气体压强以及脉冲形状对烧蚀加工过程和结果的影响,从而获得较好烧蚀效果的条件,达到控制烧蚀加工过程的目的。特别是通过使用不同形状的脉冲和具有一定规律的脉冲序列对样品进行烧蚀,发现某些形状的整形脉冲烧蚀结果明显优于变换极限脉冲。说明脉冲整形作为一种新的技术可以在激光精细钻孔领域得到更深入的研究和应用。     

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.     

激光烧蚀Cu靶产生等离子体紫外段发射光谱的研究

利用波长532nm,脉宽15ns的Nd:YAG 激光器作用于Cu靶上,研究了产生等离子体的紫外段（180 nm～300 nm）发射光谱。在局部热力学平衡条件下,采用Boltzmann图表法估算了等离子体的电子温度,得到了电子温度随时间和空间的变化,以及电子温度随激光能量密度的变化。结果显示,随着激光能量的变化,电子温度有一个极大值。随着时间的发展,电子温度先减小,而后增大,接着缓慢减小。随着距靶面距离的增加,电子温度呈下降趋势。     

1 053 nm脉冲激光对铝合金/水结构辐照效应

 使用1 053 nm脉冲激光分别辐照铝合金单板和铝合金/水结构,通过表面形貌观察、温度场分析、熔穿时间测量等手段,分析了水的存在对铝合金壳体烧蚀的影响。运用有限元软件ANSYS,建立了脉冲激光辐照下单板及结构温度变化的数值模型,计算了铝合金表面熔凝区域的尺寸,并与实验结果进行了对比。结果表明：在相同的实验条件下,辐照8个激光脉冲时,铝合金单板即被熔穿,而辐照10个脉冲后铝合金/水结构仍未发生熔穿,且结构中铝合金表面的熔凝区域要小于单板情形中的熔凝区域,这表明水的存在对延缓铝合金板的烧蚀有较大的作用。对于单板情形,计算结果与实验结果符合较好,而对于铝合金/水结构情形,数值模拟放大了铝合金壳体的温升,这主要是因为数值模拟程序未考虑水的对流及沸腾换热对计算结果的影响。     

飞秒激光烧蚀典型金属表面产生冲击波膨胀研究

利用时间分辨阴影成像技术进行飞秒激光烧蚀金属表面研究可以直观获取飞秒激光烧蚀金属表面产生冲击波膨胀过程的图像。通过对比飞秒激光烧蚀金属铝、铜、铁靶表面的冲击波膨胀形式发现:金属铜、铁表面的冲击波均以球面波形式传播;由于受到烧蚀物质喷溅的影响,铝靶表面竖直方向的冲击波传播形式由球面波转化为柱面波。     

蒸气压对激光辐照靶材烧蚀速率的影响

研究了强激光辐照碳/碳复合材料靶材引起的烧蚀现象及蒸气压对烧蚀速率的影响。基于傅里叶定律,建立了强激光辐照靶材的热传导模型,模拟了忽略蒸气压影响时烧蚀速率随功率的变化;通过Mott-smith近似方法描述了Knudsen层间断区域,分析了间断两侧表面粒子状态参数;结合质量连续方程和蒸气压与温度关系方程,并由气体状态方程描述蒸气流状态,对蒸气压条件下激光烧蚀碳/碳复合材料靶材的速率随功率变化的关系进行了数值模拟。结果表明,在高能激光对靶材的烧蚀过程中,蒸气压力变化会导致靶材的饱和蒸气温度发生变化,进而影响烧蚀速率且使其随功率呈非线性变化,与忽略蒸气压作用时的线性变化规律相差较大,从理论上解释了忽略蒸气压导致的实验数据与理论结果的差异。