【摘要】：飛秒激光作為一種新興的微/納加工方法和探測工具，，其與材料相互作用中的非線性、非平衡態(tài)過程逐漸被人所揭示。諸如脈沖持續(xù)時間，峰值功率，波長等激光參數(shù)已被證明對飛秒激光與物質(zhì)相互作用過程有巨大的影響。然而，直到最近幾年，激光偏振方向?qū)Σ牧蠐p傷的影響才逐漸被人關(guān)注。在本研究中，發(fā)現(xiàn)并深入研究了飛秒激光加工晶體材料過程中的特殊現(xiàn)象——燒蝕面積隨激光偏振方向與材料晶軸的夾角呈現(xiàn)周期性的振蕩。 本文的主要研究工作和創(chuàng)新點概括如下： (1)在飛秒激光加工晶體硒化鋅材料過程中，燒蝕面積隨激光偏振方向與材料晶軸夾角呈現(xiàn)周期性振蕩（簡稱偏振依賴性燒蝕），其振蕩周期為π/2；并在砷化鎵、氧化鎂和氟化鋰等晶體材料的加工過程中相似的實驗現(xiàn)象被觀察，說明了晶體材料中的偏振依賴燒蝕是普遍存在的現(xiàn)象。 (2)偏振依賴性燒蝕現(xiàn)象僅在特定的激光通量范圍內(nèi)出現(xiàn)，并隨激光通量的增加，晶體材料的偏振依賴性燒蝕現(xiàn)象會顯著降低，并趨向消失。此外，材料的禁帶寬度顯著調(diào)控著出現(xiàn)偏振依賴性燒蝕的能量范圍，即在寬禁帶材料上，材料的偏振依賴性燒蝕被抑制在較小的能量范圍內(nèi)，然而在窄禁帶材料上偏振依賴性燒蝕能夠在較寬的能量范圍內(nèi)出現(xiàn)。 (3)該晶體材料中的偏振依賴性燒蝕是由于約化電子質(zhì)量引起材料光電離過程的方向依賴性導(dǎo)致的，與碰撞電離過程無關(guān)。Keldysh光電離理論證明了微小的約化電子質(zhì)量的變化導(dǎo)致了巨大光電離率的差異，并且發(fā)現(xiàn)該偏振依賴性燒蝕現(xiàn)象發(fā)生在光電離和隧道電離的混合區(qū)域。激光通量對偏振依賴性燒蝕的作用被歸因于光電離和碰撞電離的競爭過程。 (3)伴隨著偏振依賴性燒蝕現(xiàn)象，硒化鋅材料出現(xiàn)一種有趣的交錯光柵結(jié)構(gòu)（上層：~700nm，//E；下層：~150nm，⊥E）。經(jīng)過一系列系統(tǒng)性的實驗研究，提出了多機理相互作用誘導(dǎo)交錯光柵結(jié)構(gòu)的可能形成機理，即：由于入射激光與表面散射波的作用率先誘導(dǎo)出上層大周期結(jié)構(gòu)，隨著初始表面結(jié)構(gòu)的形成，材料的二次諧波效應(yīng)增強并誘導(dǎo)出下層的亞波長結(jié)構(gòu)�；谒矔r電子密度的德魯特模型，發(fā)現(xiàn)在硒化鋅材料上其由于二次諧波效應(yīng)誘導(dǎo)的LIPSS結(jié)構(gòu)可以從~150nm變化到~400nm，并初步驗證了交錯光柵結(jié)構(gòu)形成機理的可能。
[Abstract]:Femtosecond laser is a new micro / nano processing method and detection tool. The nonlinear and nonequilibrium state process in the interaction between femtosecond laser and material is gradually revealed. Laser parameters such as pulse duration peak power wavelength and so on have been proved to have great influence on the interaction between femtosecond laser and matter. However, in recent years, the effect of laser polarization direction on material damage has been gradually concerned. In this study, a special phenomenon in femtosecond laser processing of crystal materials has been found and studied. The ablation area oscillates periodically with the direction of laser polarization and the angle between the crystal axis and the laser polarization. The main research work and innovations in this paper are summarized as follows: (1) in the process of femtosecond laser processing of crystal zinc selenide, The ablation area oscillates periodically with the polarization direction of the laser and the angle between the crystal axis of the material (polarization dependent ablation), and the oscillation period is 蟺 / 2. Similar experimental phenomena were observed during the processing of crystalline materials such as magnesium oxide and lithium fluoride. It is shown that polarization dependent ablation is a common phenomenon in crystal materials. (2) polarization dependent ablation occurs only in a specific range of laser flux and increases with the increase of laser flux. Polarization dependent ablation of crystal materials will decrease and tend to disappear. In addition, the band gap of the material significantly regulates the energy range in which polarization dependent ablation occurs, that is, in the wide band gap material, the polarization dependent ablation of the material is restrained in a smaller energy range. However, polarization dependent ablation on narrow gap material can occur in a wide range of energy. (3) polarization dependent ablation in the crystal material is due to the directional dependence of photoionization process caused by reduced electron mass. The Keldysh photoionization theory, which is independent of the collision ionization process, proves that the variation of the small reduced electron mass leads to the great difference in photoionization rate, and it is found that the polarization dependent ablation occurs in the mixed region of photoionization and tunneling ionization. The effect of stimulated luminous flux on polarization dependent ablation is attributed to the competitive process of photoionization and collision ionization. (3) accompanied by polarization dependent ablation, zinc selenide has an interesting staggered grating structure (upper layer: 700 nm / E); Lower level: 150nm, Karabakh E). Based on a series of systematic experimental studies, a possible mechanism for the formation of staggered grating structures induced by multi-mechanism interaction is proposed, that is, the superstructure of large period is first induced by the interaction of incident laser and surface scattering waves. With the formation of the initial surface structure, the second harmonic effect of the material is enhanced and the subwavelength structure of the lower layer is induced. Based on the Drut model of instantaneous electron density, it is found that the LIPSS structure induced by the second harmonic effect on zinc selenide can change from 150 nm to 400 nm, and the possibility of the formation mechanism of interleaved grating is preliminarily verified.
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN304;TN249

【共引文獻】

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本文編號：2177264