【摘要】：飛秒激光微納制造技術(shù)已經(jīng)成為微納制造領(lǐng)域的科研熱點(diǎn)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(shù)的誕生,并使其在激光微納制造領(lǐng)域得到快速的應(yīng)用和發(fā)展。時(shí)域整形的飛秒激光脈沖由于能更靈活多樣地調(diào)控自由電子動(dòng)態(tài)(包括電子激發(fā)/電離、電子復(fù)合以及電子的溫度和密度),從而能更好地調(diào)控由電子動(dòng)態(tài)所支配的瞬時(shí)局部的光學(xué)與熱力學(xué)特性,進(jìn)而更深刻影響材料相變等過(guò)程,這為實(shí)現(xiàn)材料加工中的高精度、高質(zhì)量、高效率加工提供了更大便利。然而,時(shí)域整形的飛秒激光脈沖的引入對(duì)于理解激光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程和機(jī)理提出了更高的要求,許多充滿(mǎn)爭(zhēng)議或未知的作用機(jī)理尚待澄清或揭曉。通過(guò)機(jī)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(xué)和工程意義�；谶@些背景和基本科學(xué)思路,本文對(duì)于時(shí)域整形飛秒激光可控性微納加工的典型調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。本論文研究工作的創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:(1)理論建模方面,有效地改進(jìn)了飛秒激光與典型透明絕緣體材料相互作用過(guò)程中的電子激發(fā)描述和能量沉積描述。所提改進(jìn)理論為其他課題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所支持,也在本文開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究中得到驗(yàn)證和進(jìn)一步擴(kuò)展。該模型抓住了時(shí)域整形飛秒脈沖與熔融石英相互作用過(guò)程中的關(guān)鍵物理過(guò)程,能大大提高時(shí)域整形飛秒脈沖損傷閾值的預(yù)測(cè)精度,成功地解除了以往典型模型在預(yù)測(cè)脈沖序列閾值的困境。(2)揭示了時(shí)域整形飛秒激光脈沖加工閾值的決定機(jī)理,對(duì)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(jìng)爭(zhēng)的種子電子源所支配。這三種互相競(jìng)爭(zhēng)的種子電子源為:由前續(xù)脈沖誘導(dǎo)的、尚未轉(zhuǎn)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(chǎn)生的自由電子,以及后續(xù)脈沖光電離自陷激子產(chǎn)生的自由電子。當(dāng)光電離自陷激子產(chǎn)生的自由電子居于主導(dǎo)時(shí),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)為燒蝕面積和燒蝕閾值不受脈沖延時(shí)所支配,此時(shí)有利于加工出穩(wěn)定的、尺寸更小的結(jié)構(gòu)。(3)首次發(fā)現(xiàn)并解揭示了時(shí)域整形飛秒激光加工典型金屬材料產(chǎn)生明顯加工反差的決定機(jī)制。在金屬鎳上發(fā)現(xiàn)的燒蝕增強(qiáng)的加工結(jié)果,打破了以往所普遍預(yù)期的一個(gè)現(xiàn)象,即把一個(gè)單脈沖整形成具有脈沖延遲的一系列子脈沖會(huì)發(fā)生加工面積減小的普遍觀點(diǎn)。理論計(jì)算表明,時(shí)域整形飛秒脈沖能通過(guò)調(diào)控金屬材料的電子激發(fā)溫度,促進(jìn)或抑制瞬時(shí)局部的電子熱擴(kuò)散效應(yīng)以及電子-聲子能量耦合速率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高加工效率或改善加工精度的目的。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN249;TN15


本文編號(hào)：2728924