【摘要】：飛秒激光微納制造技術已經成為微納制造領域的科研熱點之一。光電器件的快速發(fā)展催生了飛秒激光脈沖整形技術的誕生,并使其在激光微納制造領域得到快速的應用和發(fā)展。時域整形的飛秒激光脈沖由于能更靈活多樣地調控自由電子動態(tài)(包括電子激發(fā)/電離、電子復合以及電子的溫度和密度),從而能更好地調控由電子動態(tài)所支配的瞬時局部的光學與熱力學特性,進而更深刻影響材料相變等過程,這為實現(xiàn)材料加工中的高精度、高質量、高效率加工提供了更大便利。然而,時域整形的飛秒激光脈沖的引入對于理解激光與物質相互作用的過程和機理提出了更高的要求,許多充滿爭議或未知的作用機理尚待澄清或揭曉。通過機理研究前瞻性地探索更優(yōu)的可控性微納加工具有重要的科學和工程意義�；谶@些背景和基本科學思路,本文對于時域整形飛秒激光可控性微納加工的典型調控機制進行了深入的理論和實驗研究。本論文研究工作的創(chuàng)新點概括如下:(1)理論建模方面,有效地改進了飛秒激光與典型透明絕緣體材料相互作用過程中的電子激發(fā)描述和能量沉積描述。所提改進理論為其他課題的實驗結果所支持,也在本文開展的實驗研究中得到驗證和進一步擴展。該模型抓住了時域整形飛秒脈沖與熔融石英相互作用過程中的關鍵物理過程,能大大提高時域整形飛秒脈沖損傷閾值的預測精度,成功地解除了以往典型模型在預測脈沖序列閾值的困境。(2)揭示了時域整形飛秒激光脈沖加工閾值的決定機理,對于選擇性可控微納加工具有重要借鑒意義。研究發(fā)現(xiàn)熔融石英等絕緣體的損傷閾值和加工尺寸主要受初始化雪崩電離的三種互相競爭的種子電子源所支配。這三種互相競爭的種子電子源為:由前續(xù)脈沖誘導的、尚未轉變成自陷激子的殘余自由電子,后續(xù)脈沖光電離中性原子產生的自由電子,以及后續(xù)脈沖光電離自陷激子產生的自由電子。當光電離自陷激子產生的自由電子居于主導時,實驗現(xiàn)象表現(xiàn)為燒蝕面積和燒蝕閾值不受脈沖延時所支配,此時有利于加工出穩(wěn)定的、尺寸更小的結構。(3)首次發(fā)現(xiàn)并解揭示了時域整形飛秒激光加工典型金屬材料產生明顯加工反差的決定機制。在金屬鎳上發(fā)現(xiàn)的燒蝕增強的加工結果,打破了以往所普遍預期的一個現(xiàn)象,即把一個單脈沖整形成具有脈沖延遲的一系列子脈沖會發(fā)生加工面積減小的普遍觀點。理論計算表明,時域整形飛秒脈沖能通過調控金屬材料的電子激發(fā)溫度,促進或抑制瞬時局部的電子熱擴散效應以及電子-聲子能量耦合速率,進而實現(xiàn)提高加工效率或改善加工精度的目的。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN249;TN15


本文編號：2728924