飞秒激光偏振角及入射角对金属表面周期结构的影响

飞秒激光对金属Cu、Ag材料表面的烧蚀作用源于飞秒激光超高强的脉冲功率密度,基于表面散射波模型的理论,在实验上探究P偏振飞秒激光偏振角和入射角对金属表面周期性微纳光栅结构的影响.首次通过偏振角及入射角的双重改变,得到入射角阈值规律,并且得到斜入射时光栅周期随入射角增大的事实.     

脉冲CO2激光高精度烧蚀熔石英玻璃

激光抛光是一种能获得超光滑表面新颖的光学元件加工方法,但抛光后表面存在残余波纹和面形畸变.激光高精度烧蚀可用于对元件表面残余波纹和面形进行修正,是一种极具潜力的修形技术.本文开展了激光高精度烧蚀熔石英玻璃的实验,验证了脉冲CO2激光通过控制重叠率可以实现高精度的局部区域均匀烧蚀,并可通过控制激光功率密度获得不同纳米量级的烧蚀深度.但实验发现激光局部区域烧蚀过程存在热累积和过烧蚀的现象.为此建立三维数值模型模拟脉冲CO2激光扫描熔石英表面的过程,对不同重叠率及不同脉冲重复频率作用下熔石英表面温度分布及演变进行分析.数值计算结果表明,重叠率过高将导致熔石英过烧蚀;在合适的重叠率下,高脉冲重复频率会导致明显的热累积.     

多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究

为了提高飞秒激光微加工的精度,研究了多脉冲飞秒激光烧蚀积累效应形成的机理。以铜靶为例,利用时域有限差分法(FDTD)对双温方程进行求解,得到了电子、离子亚系统温度及激光烧蚀阈值随反射率变化的规律。结果表明:在多脉冲激光烧蚀中前一个脉冲激光破坏了靶材表面的结构,使激光的反射率下降,导致后一脉冲激光烧蚀阈值大幅度下降。这解释了多脉冲飞秒激光烧蚀中烧蚀阈值不断变化的现象。同时,它表明在多脉冲飞秒激光加工过程中,我们必须考虑反射率的变化对激光烧蚀的影响才能实现高精微加工。     

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。     

利用双温模型理论分析飞秒激光烧蚀金过程

为了了解飞秒激光脉冲烧蚀金过程中的电子温度和晶格温度变化。利用显式有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金的过程中电子和晶格的温度场进行一维数值计算。理论研究了不同激光脉宽和电声耦合系数对金属表层电子和晶格温度的影响,同时还研究了双脉冲激光烧蚀金过程中电子和晶格温度的变化。得出激光脉冲越短,加工热效应越小,多脉冲具有热累积效应。因此,为了实现飞秒激光冷加工,应该采用单个超短脉冲降低热效应。     

飞秒激光作用下单晶硅的吸收系数和烧蚀阈值

理论计算飞秒脉冲激光作用下,单晶硅的吸收系数和烧蚀阈值.当激光强度范围在1013~1014W/cm2之间时,详细分析了2个光子的吸收在等离子体形成过程中产生的重要作用,发现当等离子体数密度超过传统意义上的临界密度时,须采用薄膜光学的几何矩阵方法来计算单晶硅表面的吸收系数.在此基础上,依照材料的静电烧蚀机制计算单晶硅的烧蚀阈值,结果和实验数据符合的较好.     

飞秒激光与金属作用机理

对脉冲激光沉积过程中激光和金属作用的微观机制进行了深入分析.通过双温方程模拟得到飞秒激光作用金靶材温度随时间变化的图像.该图像反应出激光和金属表面及内部晶格作用特点.进一步分析得知,当晶格温度大于金属沸点时将会产生高能的等离子体.通过数值模拟找出了产生等离子体所需激光的能量阈值,这样能够帮助纳米材料的制备者选择激光,制备出优质的纳米薄膜.     

激光烧蚀制备纳米Si晶粒的激光能量密度阈值

在10 Pa的Ar环境气氛下,采用脉冲激光烧蚀方法在玻璃或单晶Si(111)衬底上制备了纳米Si晶薄膜. 为了确定能够形成纳米Si晶粒的激光能量密度阈值,在0.40～1.05 J/cm2内实验研究了激光能量密度对纳米Si晶粒形成的影响. 扫描电子显微镜(SEM)测量证实,随着激光能量密度的减小,所形成的纳米Si晶粒数目逐渐减少. 当激光能量密度低于0.43 J/cm2时,衬底表面不再有纳米Si晶粒形成. 从激光烧蚀动力学角度出发,对实验结果进行了定性分析.     

脉宽对飞秒激光辐照产生温度场的数值模拟

为了研究脉冲宽度对飞秒激光辐照金属后产生的电子和晶格温度场以及平衡时间的影响,基于双温耦合理论,采用有限元方法,考虑激光的空间和时间分布,数值模拟高斯分布的飞秒激光辐照金属表面产生的温度场.给出了双温方程及数值模型,得到金属材料中电子和晶格的温度场.结果表明飞秒激光的脉冲宽度不仅影响某一点处电子和晶格温度的上升速度和最...     

暂态强热流作用下钨烧蚀过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法, 对金属钨在由离子辐照引起的暂态热流下的烧蚀现象进行研究。建立一维热传模型, 通过施加不同能量的热脉冲, 研究钨靶材的热响应。计算烧蚀阈值并与理论值进行比较, 统计分析烧蚀深度与热脉冲能量的关系。研究热脉冲作用过程中能量的转移分配状况, 并对低于和高于烧蚀阈值下的不同能量分布状况进行讨论。从模拟的角度, 建立一个对钨在离子辐照下烧蚀过程的初步的物理图像。     

暂态强热流作用下钨烧蚀过程的分子动力学模拟（英文）

采用分子动力学方法,对金属钨在由离子辐照引起的暂态热流下的烧蚀现象进行研究。建立一维热传模型,通过施加不同能量的热脉冲,研究钨靶材的热响应。计算烧蚀阈值并与理论值进行比较,统计分析烧蚀深度与热脉冲能量的关系。研究热脉冲作用过程中能量的转移分配状况,并对低于和高于烧蚀阈值下的不同能量分布状况进行讨论。从模拟的角度,建立一个对钨在离子辐照下烧蚀过程的初步的物理图像。     

PZT压电厚膜的飞秒激光烧蚀及图形化研究

利用飞秒激光实现了对PZT厚膜(十几至上百微米)材料的精确烧蚀和图形化研究.飞秒激光脉宽为130fs,重复频率为1kHz.首先利用飞秒激光脉冲能量与烧蚀点大小的关系,得到飞秒激光烧蚀PZT厚膜的能量阈值为100J/cm2,然后利用功率为50～300mW的飞秒激光对PZT压电厚膜进行烧蚀和图形化研究.结合飞秒激光加工的无热影响和无掩膜等特性,在一定的扫描控制下,可以实现对PZT厚膜高精度和高效率的加工.最后,在功率为300mW、扫描速率为5mm/s条件下实现了对PZT厚膜驱动器的图形化.经测试表明,图形化以后,PZT驱动器驱动性能有明显(30%)地提高.     

飞秒脉冲通过体全息光栅弱耦合衍射特性分析

由Kogelnik单色衍射效率公式推导出了飞秒激光脉冲光在弱耦合情况下的衍射效率频谱,分析了飞秒激光脉冲通过体全息光栅弱耦合衍射特性。衍射光的频谱分布与读出飞秒脉冲的宽度Δτ、体全息光栅的周期Λ,厚度d以及晶体折射率调制度Δn0有密切关系。通过控制光栅的写入和读出过程,选择适当的参量数值,可以得到不同衍射强度和不同频率成分的衍射光。对于研究飞秒脉冲光通过光折变光栅传播特性以及飞秒超短脉冲用于光学信息处理有应用意义。     

飞秒激光烧蚀炸药的冲击压力数值模拟

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,飞秒激光烧蚀炸药技术可用于精密加工炸药元件和安全处理废旧弹药.为深入探讨飞秒激光烧蚀炸药作用规律,采用非线性有限元计算方法,建立了飞秒激光烧蚀炸药过程的起爆计算模型,对飞秒激光烧蚀LX-17和LX-10两种炸药过程进行了数值模拟计算,获得了不同飞秒激光能量作用下等离子体和炸药中的压力分布规律.计算结果表明,在飞秒激光烧蚀炸药的过程中,烧蚀产物等离子体和激光作用区外附近炸药的初始压力较高,但是由于激光烧蚀区域极小,炸药内冲击波压力迅速衰减,没有发生起爆现象.      

远场激光烧蚀钛靶表面的冲击波压强分布特性

基于高功率激光正支共焦非稳定谐振腔的特点,利用快速傅里叶变换,得到空心光束激光光场的远场分布,分析了远距离输送激光能量产生的激光烧蚀力学行为的演化过程.利用有限元法,数值仿真了烧蚀冲击波压强的时空演化过程,得到了烧蚀冲击波在ns激光脉冲照射下的空间压强分布随时间的变化关系.当激光谐振腔初始输出单脉冲激光能量为500 J,脉冲宽度为10 ns,脉冲关闭后延迟时间分别为80 ns,160 ns和240ns时,烧蚀表面产生的最大压强分别达到2.10 GPa,1.75 GPa和1.36 GPa.     

激光烧蚀过程中密度交叠区振荡稳定时间与晶粒尺寸均匀性的关系

在不同环境气体中,对脉冲激光烧蚀产生的Si粒子的输运过程进行了Monte Carlo动力学模拟,并实验研究了脉冲激光烧蚀制备纳米Si薄膜的晶粒尺寸分布. 在理论分析和实验研究的基础上,讨论了纳米Si晶粒尺寸分布和烧蚀过程中出现的交叠区振荡稳定时间的对应关系. 结果表明,Si蒸气/环境气体高密度交叠区振荡稳定时间越短,所制备的纳米Si晶粒尺寸分布越均匀.     

飞秒激光诱导Al_2O_3陶瓷表面微纳结构及润湿特性研究

飞秒激光以其极短脉宽和极高的峰值功率几乎可以胜任任何材料的加工.利用飞秒激光微加工平台,通过单点烧蚀和线扫描微加工的方式,在工业级氧化铝陶瓷材料表面诱导出随机分布的纳米结构和条纹结构,条纹结构的周期约为314 nm.文章研究了激光脉冲个数、扫描速度和偏振方向等参数对氧化铝陶瓷表面微纳结构形成的影响.结合激光直写技术,在陶瓷表面诱导出大面积的微纳结构分布,分析了加工前后陶瓷表面润湿特性的变化,实现了陶瓷表面改性.     

脉冲数字全息装置及控制系统设计

脉冲激光束具有良好的指向性和较强的峰值功率。针对数字全息的特点及应用,设计一种以脉冲激光器为光源,电荷耦合器件(Charge-coupled Device,CCD)为记录介质的数字全息实验装置,利用同步数据采集卡,采用软件外控的方式实现了激光器和相机二者的同步控制,记录并再现了全息图像。实验结果表明装置充分利用了脉冲激光的物理特性,结合高性能数字相机精准的曝光时间,提高了单幅全息图的成像质量。高精度同步时序控制系统的研发,使得实验装置能够以微纳秒量级的速度进行单幅或多幅全息图像的采集,为在瞬时动态条件下进行微观高速测量提供了技术条件。伴随数字全息与超短脉冲技术相融合,脉冲数字全息术将成为记录和再现超快动态过程的有力工具。     

飞秒激光在银膜表面诱导亚波长周期条纹的超快成像研究

采用440 nm空间分辨、亚皮秒时间分辨的泵浦探测成像技术,本文研究了800 nm飞秒激光脉冲照射银膜表面后亚波长周期条纹的形成动力学.分析了1~6个飞秒脉冲照射下银膜表面条纹结构的演化过程.第一个激光脉冲在薄膜表面诱导凹槽等缺陷结构;第二个激光脉冲以后表面开始出现亚波长周期条纹,并且在更多脉冲照射时进行纵向和横向生长.条纹在50~70 ps以后开始出现,随延迟时间增加不断加深变长,在演化过程中条纹位置保持不变;形成过程在1 000 ps内基本结束.研究结果表明,飞秒激光在薄膜表面诱导凹槽等缺陷结构在后面的激光脉冲照射表面过程中激发了表面等离激元,进而导致的周期性能量沉积在亚波长周期条纹形成过程中起了关键作用,材料表面的熔化导致了之前形成的条纹变浅以及部分消失.     

高质量外延VO_2薄膜制备及其金属-绝缘体相变特性研究

采用脉冲激光沉积法,在c面蓝宝石衬底上,以VO_2陶瓷作为烧蚀靶材,高纯氧气作为反应气体,固定衬底温度600℃,通过改变生长氧压制备VO_2薄膜.利用X线衍射仪、原子力显微镜、四探针测试仪测试,系统研究生长氧压对VO_2薄膜晶体结构、表面形貌、金属-绝缘体相变(MIT)特性的影响.实验结果表明:生长氧压1.2 Pa时,薄膜(020)晶面摇摆曲线半高宽低至0.061°,结晶质量高;薄膜表面平整光滑;薄膜相变温度接近68℃,金属-绝缘体转变特性显著,电阻率有4个数量级变化.