超短脉冲激光烧蚀熔融硅的理论模型

在Fokker_Planck方程的基础上,对超短脉冲激光烧蚀熔融硅的机理进行分析研究,建立了雪崩电离、多光子吸收电离导致的熔融硅烧蚀机理的数学模型。其计算得出的激光能量密度和临界烧蚀阀值与实验结果很好的吻合,定量解释了超短脉冲激光对熔融硅烧蚀损伤微观过程的影响。     

超快脉冲激光对钛合金的烧蚀特性与作用机理

为探究超快脉冲激光对难加工材料的烧蚀特性与损伤机制,利用皮秒脉冲激光研究钛合金的烧蚀阈值、烧蚀形貌和作用机理。依据烧蚀面积和激光能量密度的线性关系,确定了钛合金的烧蚀阈值,通过显微镜观察分析了不同激光参数下钛合金的表面烧蚀形貌,采用雪崩电离与多光子电离详细解释了超快脉冲激光对钛合金的作用机理,并从烧蚀形貌和阈值角度划分了烧蚀区域。结果表明:钛合金的烧蚀阈值约为0.109J/cm2;在1 064nm波长下的烧蚀质量要优于532nm波长下的质量,而低重复频率能获得高质量的微结构,烧蚀中央区域材料去除更为均匀,且烧蚀弹坑形状规则,表面平滑;随着脉冲数和能量的增加,光子能量累积增多,烧蚀尺度和形貌特征愈加明显,烧蚀边界愈加清晰,说明脉冲数和光子能量累积是表面微结构诱导的关键要素之一;烧蚀区域可划分为改性区、过渡区、再沉积区和烧蚀区,在烧蚀区以多光子电离为主,在改性区、过渡区和再沉积区以雪崩电离为主。该结果可为超快脉冲激光微结构精密加工提供参考。     

飞秒激光辐照CuZr非晶合金损伤动力学研究

采用考虑了电子压强梯度的双温分子动力学方法,研究了纳米CuZr非晶合金薄膜在脉宽为100 fs,能量密度为0.08～0.16 J/cm~2的飞秒激光辐照下的烧蚀动力学过程.结果表明,低能量密度下,电子压强梯度对靶材的结构损伤过程影响很小.高能量密度下,电子压强梯度对靶材内部的电子温度和晶格温度演化场产生了显著的影响,CuZr非晶合金薄膜的结构存在皮秒量级的由电子压强梯度诱导的非热烧蚀过程,并且随着能流密度的增大,这一超快的非热烧蚀过程在时间尺度上会得到提前.     

飞秒激光共振吸收对掺Pr-Nd硅玻璃烧蚀阈值的影响

为了进一步研究共振吸收在飞秒激光烧蚀加工中对靶材烧蚀阈值的影响,针对具有特定吸收光谱的掺Pr-Nd硅玻璃(Pr-Nd玻璃)和无特定吸收的石英玻璃,分别采用共振吸收波长585,807 nm和非共振吸收波长720,775 nm对2种靶材进行烧蚀加工,并基于烧蚀轮廓,提出一种靶材烧蚀阈值的计算方法。研究结果表明:在烧蚀阈值附近,靶材的初始种子电子产生方式主要为多光子电离;Pr-Nd玻璃在共振波长585 nm和807 nm的作用下,多光子电离较为剧烈,烧蚀轮廓长度较石英玻璃分别增长19.8%和6.8%,且对于加工波长807 nm,烧蚀阈值较石英玻璃降低12.3%;而对于非共振波长720 nm和775 nm的烧蚀加工,共振烧蚀效应消失,2种靶材的烧蚀轮廓长度和烧蚀阈值基本一致。     

飞秒激光烧蚀透明材料特性

飞秒激光的超短超强特性使它在烧蚀透明材料的机制上与长脉冲有着本质的区别,飞秒激光的烧蚀闽值由导带内的自由电子数确定,在多光子电离和雪崩电离的基础上,模拟计算出不同脉冲宽度下,融石英的烧蚀闽值。     

激发态钛和镍原子光电离研究

本文报道了在285-320纳米波长范围内钛和镍原子多光子电离研究结果。采用激光烧蚀和分子束相结合的技术制备金属原子,光离子产物由飞行时间质谱仪检测。根据光离子信号对探测激光强度依赖关系抽取出Ti和Ni原子激发态光电离截面。测量的光电离截面在0.2 Mb到6.0 Mb之间。在阈限电离区,Ti和Ni同位素原子激发态的光电离截面实验值是相同的。     

钴原子激发态光电离的实验研究

文章报道了在300-310nm波长范围内3d过渡金属Co原子共振增强多光子电离(REMPI)的实验研究结果.实验中采用激光烧蚀和高压脉冲超声分子束相结合的技术制备等离子体,获得的等离子体与探测激光作用形成光电离产物,由飞行时间质谱仪对光电离产物进行甄别.通过分析光电离产物产额随探测激光强度的变化关系,得到了Co原子激发态的绝对光电离截面.     

长持续时间雷电流分量作用下电极形状对金属烧蚀特性的影响

采用试验与数值仿真相结合的方法分析了长持续时间的雷电流分量作用下电极形状对金属烧蚀特性的影响,对比了采用3种形状且不同头部曲率的电极时Al3003金属板的烧蚀面积和烧蚀深度,并结合有限元电场仿真和二维流注发展模型分析了电极影响金属烧蚀特性的原因.结果表明,电极对雷电流金属烧蚀特性的影响很大.在末次回击后长持续时间雷电流分量的作用下,使用尖电极造成的金属烧蚀面积和烧蚀深度最大,半椭球形电极和半球形电极造成的金属烧蚀面积和烧蚀深度次之,这是由于电极形状影响了间隙的初始电离能力以及流注发展过程中的电子密度分布和电子能量密度分布的缘故.     

激光烧蚀靶材分析

该文研究了激光烧蚀过程中靶材的温度分布情况、物质反冲情况和运动变形情况,给出了靶材三维温度场分布的数学计算模型,用有限元方法对模型进行了分析,求得了模型简化后的计算结果。对烧蚀过程中喷溅物质反冲引起的冲量进行了描述,并对受到等离子体冲击波作用后靶材的运动与变形情况进行了分析,所得结果揭示了激光烧蚀过程中的一些规律和现象。     

强场和原子分子物理专题·编者按

<正>随着啁啾激光放大技术及其相关研究的进展,人们在实验室中可以获得场强达到或者大于1014W/cm2、脉冲宽度小于100fs的激光脉冲.经过适当的压缩和参量转换过程,人们甚至可以获得脉冲宽度小于100as的光脉冲.原子分子体系在这样的光场作用下,表现出众多新奇的物理现象,包括多光子阈上电离、强场隧穿电离、越垒电离、相干高次谐波辐射、相干太赫兹辐射、分子阈上解离、分子键软化和硬化、分子库仑爆炸、阿秒瞬态吸收等.因为这类光场的电场强度可以和氢原子基态中电子感受到的原子核电场强度相当或者更大,脉     

Intense laser induced field ionization of C<Subscript>2</Subscript>H<Subscript>2</Subscript>, C<Subscript>2</Subscript>H<Subscript>4</Subscript>, and C<Subscript>2</Subscript>H<Subscript>6</Subscript>

Using HOMO Field Ionization Model, the tunneling probabilities and the theoretical threshold intensities of the field ionizations of acetylene, ethylene, and ethane in intense laser field are calculated. C2H2, C2H4, and C2H6 were irradiated by 800 nm, 100 fs laser pulses with the intensity range of 10^13-10^14 W/cm^2. A TOF-mass spectrometer was coupled to the laser system and used to experimentally investigate the field ionization of these molecules. The experimental ionization threshold intensities are obtained. The calculating results of the three molecules agree well with the experimental results, indicating that HOMO Field Ionization Model is valid for the ionization of polyatomic molecules in intense laser field.     

Ionization and dissociation of acetonitrile by intense femtosecond laser pulse

Photoionization and photodissociation of CH3CN were studied by a linear time of flight mass spectrometer coupled with 800 nm, 50 fs laser pulses at intensities of 6.3×1013-1.2×1014 W/cm2. The laser power dependences for principal ions CH3CN+, CH2CN+, CHCN+ and CCN+ were measured, which are consistent with the numbers of photons required to produce the ions via multiphoton ionization and dissociation. The results show that eight-photon non-resonant multiphoton ionization is the main photoionization mechanism of the parent ion CH3CN+, while the fragment ions were produced through the dissociation of the molecules in the super-excited states.     

Decay dynamics of excited CS<Subscript>2</Subscript> and NH<Subscript>3</Subscript> investigated by femtosecond laser

By using the home-made femtosecond laser system and the time-of-flightmass spectrometer, the decay dynamics of excited carbon disulfide (CS2) and ammonia (NH3) are investigated in real time by pump-probe multiphoton ionization detection. The estimated lifetime constant of the NH3 state (514 fs) agreed quite well with the literature report. For the first time, the decay lifetime constants of the NH3 ′1A′1 state (93793 fs), the CS2 state (153 ± 10 fs), and the CS2 Rydberg state[2-3]6sσg(3Ⅱg)(948 ± 23 fs) are obtained.     

基于纳飞秒双脉冲激光的蓝宝石蚀除研究

蓝宝石作为一种典型的宽带隙半导体材料具有良好的理化特性,在机械电子、航空航天、微电子等领域具有广阔的应用前景.本文提出采用纳飞秒双束激光进行蓝宝石加工的方法,利用飞秒脉冲峰值功率高的特性,通过多光子电离与碰撞电离,激发蓝宝石表面自由电子从而提高了蓝宝石对纳秒激光的吸收率,同时利用纳秒激光能量相对较大,技术成熟的优势,实现对蓝宝石材料的高质高效加工.为了揭示纳飞秒双束激光与蓝宝石材料的能量耦合机制,采用Fokker-Plank方程、Drude模型、双温模型对飞秒激光诱发的自由电子的演化过程及自由电子与入射激光之间的相互作用进行研究,并通过有限元仿真模拟了纳飞秒双激光与蓝宝石材料相互作用的能量耦合过程与蚀除过程,分析了纳飞秒双脉冲激光作用下,不同脉冲延时下等离子浓度的时空演化规律及其对入射激光吸收系数及反射率等表面光学特性的影响规律,揭示了纳飞秒双激光高效高质加工蓝宝石材料的机理.该研究对实现蓝宝石等宽带隙半导体等脆硬材料的高质高效加工具有重要意义.     

脉冲激光烧蚀靶材产生的等离子体初始发展过程的诊断

用基于光偏转的光纤传感器研究了脉冲激光烧蚀铝靶产生的等离子体及冲击波的初始发展过程,实验结果表明,在距靶0.4mm内,冲击波与等离子体薄层未分离,一起离靶高速运动;在0.4mm处,等离子体薄层发生二次电离,电离使等离子体向电离中心的周围膨胀,造成等离子体中心密度低两侧密度高,同时使冲击波与等离子体分离;由于扩散作用,在0.4mm到0.7mm之间,等离子体由中心密度低两侧密度高过渡到中心密度高两侧密度低;0.7mm以后,等离子体传输速度减慢,信号波形展宽,幅度减小直至消失;冲击渡与等离子体分离后其传播速度随传输距离而衰减,在8mm处衰减成声波.     

飞秒激光在蓝宝石晶体表面加工微细结构的实验研究

由于蓝宝石晶体具有很高的硬度和耐磨蚀性,很难进行机械和化学腐蚀加工。笔者利用波长780 nm、频率1 kHz和脉冲宽度164 fs的飞秒脉冲激光在蓝宝石晶体表面进行了微细结构加工的实验研究。采用飞秒激光静态照射蓝宝石晶体表面,通过飞秒激光烧蚀孔的直径和脉冲能量的关系,计算了飞秒激光烧蚀蓝宝石晶体的两种烧蚀状态下的烧蚀阈值和有效烧蚀半径。通过直线扫描实验,在不同实验条件下在蓝宝石晶体表面加工微槽,获得微槽的宽度和深度与飞秒激光主要参数之间的关系。研究结果表明,微槽的加工表面可通过增加扫描次数而得到明显的提高,且扫描次数的增加对微槽的宽度和深度基本无影响。利用聚焦的飞秒激光束沿着轨迹扫描,在蓝宝石晶体表面加工出比较清洁的微小结构,可以为实现微结构的精密加工提供指导。     

光电子成像方法研究N2多光子电离过程

利用速度映像成像技术实验探测了N2在70 fs,410 nm,场强(1-3)×1014W/cm2范围内的光电子成像,获得了光电子的动能分布和角分布.研究表明分子强场电离有一些和原子相似的性质.电子产生于两步过程,中间态有真实布居.在低场强非共振布居转移起主要作用,在较高场强共振布居转移起主要作用.光电子角分布体现中间态的角量子数特征.