皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究.利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹.通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,...     

外加氩气流下脉冲激光烧蚀制备纳米硅晶粒成核生长动力学研究

为研究纳米硅晶粒成核生长动力学过程,采用脉冲激光烧蚀(PLA)技术,在室温,50～200 Pa的氩气氛围中,通过引入垂直于烧蚀羽辉轴线的外加气流,在水平放置的衬底上沉积了一系列纳米Si晶薄膜.扫描电子显微镜( SEM)、拉曼(Raman)散射和X射线衍射(XRD)检测结果表明,未引入气流时,衬底上相同位置处晶粒尺寸随气体压强的增大逐渐减小;在距靶1 ～2cm范围内引入气流后,尺寸变化规律与未引入气流时相反.通过分析晶粒尺寸及其在衬底上的位置分布特点,结合流体力学模型和热动力学方程,分析得出在激光能量密度一定的条件下,环境气体压强、烧蚀粒子温度和密度共同影响着纳米晶粒的成核生长.     

低压环境中外加氩气流对激光沉积纳米硅晶粒尺寸及分布的影响

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在烧蚀点正上方0.35 cm、距靶0.7 cm处引入Ar气流,保持环境气压0.3 Pa,烧蚀高阻抗单晶硅(Si)靶.在烧蚀点正下方0.35 cm,距靶0.5 cm、0.7 cm、1.4 cm、2.1 cm、2.8 cm、3.0 cm和3.5cm处水平放置衬底来收集纳米Si晶粒.利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、Raman散射对样品表面形貌和微观结构进行分析表征.结果表明:在引入气流前后,纳米Si晶粒的尺寸均随着与靶距离的增加而逐渐减小;在同一位置,引入气流比不引入气流晶粒尺寸小,面密度大;在3.0～3.5 cm处,不引入气流时的样品不再有纳米Si晶粒,而引入气流的还存在纳米Si晶粒.     

脉冲时间间隔对激光烧蚀Si粒子密度分布的影响

采用Monte Carlo方法,对脉冲激光烧蚀所产生的烧蚀粒子在环境气体中的输运过程进行了数值模拟.研究了不同脉冲时间间隔与交叠区位置振荡幅度之间的关系,结果表明脉冲时间间隔影响了交叠区的振荡强弱,随着脉冲时间间隔的增加,交叠区的振荡幅度减小,脉冲时间间隔为10 μs时达到最小值,而后开始增大.所得结果为进一步研究烧蚀粒子在环境气体中的输运动力学过程提供了理论依据.     

三维激光烧蚀瑞利-泰勒不稳定性并行计算

给出了用三维激光烧蚀不稳定性程序求解的物理方程组,简要介绍了所用的数值方法.根据所模拟问题的物理性质和数值模拟方法探索了在多处理机上实行并行计算的技术和方法,并行效率达75%,在此基础上进行了三维多模激光烧蚀不稳定性的数值模拟,深化了对有关物理规律的认识.     

激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型

利用激光清除空间碎片被认为是一种可行手段,冲量耦合系数是数值计算空间碎片清除效果的重要参数。建立了激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型,引入电离度参数,将气化机制与等离子体机制两种机制下的冲量耦合系数解析计算模型联系起来,建立统一的耦合系数解析模型。以空间碎片常见材料Al为例,计算得到冲量耦合系数、电离度、激光功率密度三者之间的变化关系。随着激光功率密度的增加,气化机制逐渐向等离子体机制过渡,电离度增加,直至完全电离,冲量耦合系数先增加后减少,并且在等离子机制占主导情况下达到最优冲量耦合。     

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。     

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。     

辐射驱动实验中预热对冲击波速度诊断的影响

使用主动式任意反射面速度干涉仪进行了平面靶预热膨胀量的观测,并对间接驱动下不同能量和靶型的预热膨胀量进行了计算。实验发现,在5 kJ单端驱动的激光能量作用下,平面样品后界面的膨胀量可达2.1 m左右。优化靶设计后,在冲击波速度测量实验中使用双端驱动方式,通过测量膨胀量修正台阶厚度,可以获得更加精确的动态台阶厚度值。结合精确获得的冲击波传输时间,在匀速传输的条件下可以获得高精度的冲击波传输速度值。该方法在辐射驱动超高压条件下具有很好的适用性,可以为状态方程实验提供高精度的冲击波速度数据。     

用于XeF蓝绿激光器的表面放电光泵浦源

基于Al2O3陶瓷、BN陶瓷和聚四氟乙烯三种基底建立了分段表面放电光泵浦源,对比研究了这三种表面放电光泵浦源的电学特性、辐射特性和烧蚀特性。利用放电波形计算了表面放电光泵浦源的等效电感、等效电阻和沉积效率,应用光谱法比较了它们的紫外辐射强度,并采用平均线烧蚀率评估了三种泵浦源的耐烧蚀性能。通过比较研究发现,在充电电压为13.5～26.8 kV、间隙长度为8 cm、放电室内混合气体气压为100 kPa条件下,三种泵浦源中 Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源的沉积效率最高,大于82%;辐射光谱具有紫外增强效应,紫外辐射最强;平均线烧蚀率最小(小于0.15 m/shot),耐烧蚀性能最好。研究结果表明采用Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源作为大功率重频XeF蓝绿激光器的泵浦源,可提高XeF蓝绿激光器的寿命。