本文關(guān)鍵詞：基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光脈沖序列誘導(dǎo)的材料改性研究

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【摘要】：飛秒激光因其極高的峰值強(qiáng)度和極短的脈寬,在材料的精細(xì)加工方面具有難以比擬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)改變飛秒激光脈沖能量的時(shí)間分布,可以得到包含多個(gè)子脈沖的飛秒激光脈沖序列。通過(guò)調(diào)整飛秒激光脈沖序列的子脈沖個(gè)數(shù)、子脈沖間隔時(shí)間、脈沖能量密度以及各子脈沖之間的能量分配比,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部的瞬時(shí)局部自由電子動(dòng)態(tài)的調(diào)控,從而改變材料的物理化學(xué)性質(zhì)。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:(1)利用飛秒激光脈沖序列輻照及后續(xù)化學(xué)酸蝕的方法,實(shí)現(xiàn)了在熔融石英樣品表面高效率、高質(zhì)量的凹形微陣列結(jié)構(gòu)加工。研究發(fā)現(xiàn),在其他實(shí)驗(yàn)條件均相同的情況下,相比于傳統(tǒng)的飛秒激光單脈沖,飛秒激光脈沖序列可以將后續(xù)酸蝕效率提高37倍。(2)通過(guò)改變上述加工方法中飛秒激光脈沖序列的子脈沖間隔時(shí)間、脈沖能量密度以及各子脈沖之間的能量分配比等加工參數(shù),可以控制凹形微陣列結(jié)構(gòu)的形貌,提高了加工的靈活性和可控性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于上述飛秒激光脈沖序列誘導(dǎo)的酸蝕增強(qiáng)的加工方法,獲得最大酸蝕速率的最優(yōu)脈沖間隔時(shí)間為350 fs,最優(yōu)子脈沖能量分配比為1:1。(3)利用顯微拉曼測(cè)量繪制出了原始材料以及不同參數(shù)飛秒激光脈沖輻照區(qū)域的顯微拉曼譜,對(duì)經(jīng)飛秒激光脈沖改性后材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過(guò)對(duì)熔融石英內(nèi)部不同環(huán)數(shù)Si O鍵對(duì)應(yīng)的拉曼峰的峰面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的飛秒激光單脈沖,飛秒激光脈沖序列輻照后的區(qū)域內(nèi)部Si O三環(huán)結(jié)構(gòu)所占比例明顯增大。由于這種三環(huán)結(jié)構(gòu)更容易在化學(xué)反應(yīng)中被HF酸破壞,所以驗(yàn)證了飛秒激光脈沖序列對(duì)后續(xù)酸蝕的強(qiáng)烈增強(qiáng)作用。(4)利用等離子體模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算,從理論角度闡釋了飛秒激光脈沖序列輻照后造成化學(xué)酸蝕增強(qiáng)的原因:由于飛秒激光脈沖序列對(duì)材料內(nèi)部自由電子密度的調(diào)控,改變了材料瞬時(shí)局部的物理性質(zhì),使得熔融石英的反射率瞬時(shí)增大,對(duì)激光光場(chǎng)造成了重整,并對(duì)光電子的相互作用產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響,光子吸收效率因此大大增強(qiáng),造成了熔融石英內(nèi)部Si O化學(xué)鍵的明顯變化。最終使得改性區(qū)域的材料與HF酸的化學(xué)反應(yīng)顯著增強(qiáng)。(5)利用上述飛秒激光脈沖序列輻照及后續(xù)化學(xué)酸蝕的方法實(shí)現(xiàn)了熔融石英表面大面積、高質(zhì)量的微透鏡陣列的制備。
【關(guān)鍵詞】：飛秒激光脈沖序列 電子動(dòng)態(tài)調(diào)控 化學(xué)酸蝕 熔融石英 顯微拉曼
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG665
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 飛秒激光的發(fā)展及應(yīng)用11-12
• 1.1.2 飛秒激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理12-14
• 1.2 研究的意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 研究的意義14-15
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3 研究的主要內(nèi)容20-22
• 第二章 飛秒激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)22-31
• 2.1 飛秒激光加工平臺(tái)22-25
• 2.2 飛秒激光脈沖序列的產(chǎn)生和測(cè)量25-30
• 2.2.1 產(chǎn)生飛秒激光脈沖序列的常用方法25-27
• 2.2.2 飛秒激光脈沖整形器的脈沖整形原理27-28
• 2.2.3 飛秒激光脈沖序列的參數(shù)設(shè)置及測(cè)量28-30
• 2.3 加工后微結(jié)構(gòu)形貌的表征30-31
• 第三章 飛秒激光脈沖序列誘導(dǎo)的化學(xué)酸蝕增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)研究31-40
• 3.1 子脈沖個(gè)數(shù)對(duì)后續(xù)化學(xué)酸蝕增強(qiáng)的影響31-34
• 3.2 脈沖間隔時(shí)間對(duì)后續(xù)化學(xué)酸蝕增強(qiáng)的影響34-37
• 3.3 激光通量對(duì)后續(xù)化學(xué)酸蝕增強(qiáng)的影響37
• 3.4 脈沖能量分配比對(duì)后續(xù)化學(xué)酸蝕增強(qiáng)的影響37-38
• 3.5 本章小結(jié)38-40
• 第四章 基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的材料內(nèi)部改性的機(jī)理研究40-60
• 4.1 熔融石英內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化及酸蝕反應(yīng)機(jī)理40-43
• 4.1.1 熔融石英原本內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)40-41
• 4.1.2 飛秒激光誘導(dǎo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化41-42
• 4.1.3 熔融石英化學(xué)結(jié)構(gòu)變化對(duì)酸蝕反應(yīng)的影響42-43
• 4.2 材料內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征43-49
• 4.3 電子動(dòng)態(tài)調(diào)控理論49-51
• 4.4 飛秒激光與電介質(zhì)相互作用的多尺度模型51-53
• 4.5 基于等離子體模型的理論計(jì)算53-58
• 4.6 本章小結(jié)58-60
• 第五章 飛秒激光脈沖序列誘導(dǎo)的材料改性的應(yīng)用60-65
• 5.1 高質(zhì)量微透鏡陣列的快速制造60-61
• 5.2 微透鏡陣列的主要參數(shù)測(cè)試61-64
• 5.3 本章小結(jié)64-65
• 結(jié)論與展望65-67
• 參考文獻(xiàn)67-80
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文與研究成果清單80-81
• 致謝81

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