本文選題：超快激光 + 微納制造��； 參考：《北京理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：超快激光微納制造是一個前沿的研究領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)激光加工,超快激光加工是一個從飛秒到納秒、從納米到微米的多尺度過程,引發(fā)出多種全新的物理現(xiàn)象,如多光子電離、隧道電離等多種電離機制,庫侖爆炸、相爆炸等多種相變機制。為了描述和理解此過程發(fā)生的現(xiàn)象,需要多個尺度的模型來解釋。飛秒激光的脈寬,大大短于電子-晶格弛豫時間,激光的能量吸收在晶格變化前已完成,電子與晶格處于非平衡狀態(tài),激光與材料相互作用過程(包括相變和加工結(jié)果),決定于激光與電子相互作用過程;也就是說,飛秒脈寬時間內(nèi)的光子與電子的相互作用,已決定了后續(xù)毫秒甚至秒時間尺度的所有過程。因此,對飛秒激光加工的調(diào)控必須通過飛秒激光輻照過程中對電子動態(tài)的調(diào)控來實現(xiàn)。為了解釋電子激發(fā)的非線性效應(yīng),引入了量子力學(xué)來求解電子激發(fā)過程;為了和實驗值相對比,引入了等離子體模型計算加工深度;為了解釋相變現(xiàn)象,引入流體動力學(xué)模型來求解離子的運動過程。首先使用了來源于薛定諤方程的密度泛函理論來計算原子、分子和各種周期性材料的電子激發(fā)和能量吸收過程,主要的研究工作和成果為:1)使用密度泛函理論計算鐵原子-石墨烯系統(tǒng)的性質(zhì)。首先計算了鐵原子吸附在石墨烯單層上的位置,經(jīng)過定量分析發(fā)現(xiàn)鐵原子吸附在碳原子構(gòu)成的六邊形中心最穩(wěn)定;其次用兩種不同的方法計算了鐵原子-石墨烯系統(tǒng)的態(tài)密度和磁矩,發(fā)現(xiàn)兩種方法的結(jié)果吻合得非常好;而后計算了鐵原子-石墨烯系統(tǒng)在激光輻照下離化電子的特性,發(fā)現(xiàn)隨著激光電場角度的增加,激發(fā)的自旋電子數(shù)減小,而自旋極化率先減小后增加,隨著脈沖通量增加,無論自旋下還是自旋上的離化電子數(shù)目都增加,但是自旋極化率下降。因此,選擇特定的激光參數(shù),可以控制鐵原子-石墨烯系統(tǒng)的電子離化數(shù)或者自旋極化率,預(yù)測鐵原子-石墨烯系統(tǒng)可以用作自旋極化源。2)使用密度泛函理論首次計算了alpha-石英的多光子電離吸收橫截面。在超快激光作用介質(zhì)材料時,多光子電離是電子激發(fā)的重要來源之一,其為后續(xù)的雪崩電離提供了種子電子。但是多光子吸收橫截面的大小一直缺乏理論計算,也難以與實驗結(jié)果直接對比。因此采用了含時密度泛函理論作為工具,計算了alpha-石英的多光子吸收橫截面,這對材料光吸收的研究有重要意義。在計算多光子電離吸收橫截面時,計算alpha-石英的禁帶寬度是關(guān)鍵因素,決定著后面計算的準確性。因此,采用了MBJLDA交換勢和LDA關(guān)聯(lián)勢,計算的alpha-石英的禁帶寬度非常接近實驗值,說明了計算的準確性。在此基礎(chǔ)上,用含時密度泛函理論計算了alpha-石英在不同激光強度下的激發(fā)電子數(shù)。隨后,在雙對數(shù)坐標下用直線擬合了計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)直線的斜率為6,對應(yīng)著波長800nm激光激發(fā)禁帶寬度9.3eV的alpha-石英需要6個光子。而后,我們用電子激發(fā)數(shù)計算了alpha-石英的多光子電離吸收橫截面。為了驗證密度泛函計算的結(jié)果,采用等離子體模型計算了加工深度隨激光強度的變化,和加工閾值隨脈沖寬度的變化,發(fā)現(xiàn)和實驗結(jié)果吻合得很好。這一方法開創(chuàng)了密度泛函理論和等離子體模型的一個結(jié)合點,為以后更深度的融合打下了基礎(chǔ)。3)使用流體動力學(xué)模型,計算了金薄膜的吸收性質(zhì)和加工閾值。首先,可以發(fā)現(xiàn)激光能量較高時,流體動力學(xué)模型計算的金的吸收率隨激光能量的變化與實驗值相吻合,但是激光能量較低時,兩者相差較大。經(jīng)過分析,我們認為電子-離子碰撞頻率的基礎(chǔ)模型并不適用于金的情況,因為此模型的基礎(chǔ)是自由電子氣,在計算與自由電子氣態(tài)密度近似的金屬鋁時有很好的效果,但是金的態(tài)密度和自由電子氣有加大差異,所以我們對原碰撞頻率進行了改進。用改進后的模型計算了金的加工閾值隨脈沖寬度的變化,與實驗值相吻合。傳統(tǒng)結(jié)論認為當(dāng)脈沖寬度短于200ps時,金薄膜的加工閾值不隨脈沖寬度變化,我們的結(jié)論修正了這一結(jié)果,首次發(fā)現(xiàn)了金薄膜的加工在短脈沖時的變化規(guī)律。上述模型很好地解決了一些問題,能夠指導(dǎo)實驗設(shè)計,推進人們對超快激光加工機理的認知深度。雖然上述模型取得了一些成功,但是依然存在一些問題,各個模型的耦合度較低,只能夠把一些模型的結(jié)果用作另一些模型的參數(shù),而不能夠直接融合多種模型,發(fā)揮出整體的優(yōu)勢。本論文研究內(nèi)容主要在科技部973計劃項目(激光微納制造新方法和尺度極限基礎(chǔ)研究,項目編號:2011CB013000)、國家自然科學(xué)基金項目(納米尺度電子動態(tài)調(diào)控的超快激光微納米加工新方法,項目編號:91323301)等科研項目支持下完成,發(fā)表SCI論文五篇(其中第一作者兩篇)和國際特邀報告兩篇。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG665

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本文編號：1765740