本文關(guān)鍵詞：飛秒激光輻照金屬的超快電子行為研究

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【摘要】：超短脈沖激光與固體表面相互作用一直以來(lái)都是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題,隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展,激光與物質(zhì)相互作用已經(jīng)逐步走出實(shí)驗(yàn)室,越來(lái)越多的應(yīng)用到生物、醫(yī)療、國(guó)防、考古、生產(chǎn)制造等諸多領(lǐng)域當(dāng)中。面對(duì)實(shí)際應(yīng)用中不斷提高的技術(shù)要求,更全面透徹的理解激光與物質(zhì)表面相互作用的相關(guān)過(guò)程是研究者們面臨的重要課題。在激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程中,涉及到的能量轉(zhuǎn)移是極為復(fù)雜的,整個(gè)作用過(guò)程中存在著電子發(fā)射、電離、熔化、汽化、相爆炸、庫(kù)侖爆炸等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象更是根據(jù)不同的入射激光參數(shù)和樣品的物理特性有著不同的表現(xiàn)。因此,深入研究激光與物質(zhì)相互作用,解釋物理過(guò)程及物理機(jī)制,可以更好的為實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本文對(duì)激光與固體物質(zhì)相互作用的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題進(jìn)行了回顧,研究對(duì)象包括了金屬材料、半導(dǎo)體材料及電介質(zhì)材料,激光的脈寬范圍也囊括了納秒、皮秒和飛秒量級(jí)。在前人研究的基礎(chǔ)上,我們通過(guò)理論方法和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)飛秒激光脈沖輻照金屬材料進(jìn)行了一系列的研究。主要工作和創(chuàng)新結(jié)果包括以下幾個(gè)方面：1.對(duì)飛秒激光脈沖輻照金屬材料誘導(dǎo)產(chǎn)生的電子發(fā)射進(jìn)行了理論研究。通過(guò)構(gòu)建理想的雙層結(jié)構(gòu),研究襯底材料的熱物理參量對(duì)上層材料表面電子發(fā)射的影響；對(duì)金屬銅和以銅作為上層、金或鉻作為襯底的雙層金屬結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射進(jìn)行模擬計(jì)算并對(duì)比分析,計(jì)算得到的結(jié)果顯示雙層結(jié)構(gòu)對(duì)銅表面的電子發(fā)射有非常大的影響。相比于單層金屬的電子發(fā)射,在相同的飛秒激光能量輻照下,雙層結(jié)構(gòu)可以很好地縮短上層電子溫度的弛豫時(shí)間,進(jìn)而減小熱電子發(fā)射的拖尾現(xiàn)象來(lái)優(yōu)化電子發(fā)射,隨著入射激光能量的增大,雙層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果更顯著。為優(yōu)化電子發(fā)射提供了理論方法,并擴(kuò)充了飛秒激光誘導(dǎo)超快電子束源的理論基礎(chǔ)。2.利用數(shù)學(xué)模型模擬了在外加電場(chǎng)的條件下,飛秒激光輻照金膜引起的熱電子發(fā)射。通過(guò)在描述熱電子發(fā)射的Richardson方程中增加空間電荷效應(yīng)及外加電場(chǎng)的影響,得到電場(chǎng)增強(qiáng)的熱電子發(fā)射。計(jì)算結(jié)果表明,外加電場(chǎng)相當(dāng)于降低了金屬表面勢(shì)壘來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面熱電子發(fā)射的影響。在相同的飛秒激光能量密度下,外加電場(chǎng)條件下的熱電子發(fā)射效率顯著提高。研究結(jié)果有助于了解激光誘導(dǎo)電子發(fā)射的機(jī)制,為提高超快電子發(fā)射提供方案。3.利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算了飛秒脈沖激光輻照金屬樣品時(shí)發(fā)生的燒蝕過(guò)程。得到飛秒激光燒蝕金屬材料時(shí)存在庫(kù)侖爆炸的結(jié)論。分別研究了熱燒蝕和庫(kù)侖爆炸對(duì)燒蝕深度的影響,通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)只考慮熱燒蝕的理論模型僅在高入射激光能量密度時(shí)才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好；而考慮了庫(kù)侖爆炸參與的理論模型可以在低入射激光能量密度時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。因此庫(kù)侖爆炸更恰當(dāng)?shù)亟忉屃嗽诘腿肷浼す饽芰棵芏葧r(shí)燒蝕的物理機(jī)制。4.采用飛秒激光脈沖在不同預(yù)加熱溫度條件下對(duì)銅進(jìn)行輻照,得到飛秒激光誘導(dǎo)銅等離子體光譜強(qiáng)度隨預(yù)加熱溫度的變化。同時(shí),利用雙溫模型對(duì)飛秒激光輻照銅的過(guò)程進(jìn)行了理論模擬。發(fā)現(xiàn)樣品的預(yù)加熱溫度從室溫295K升高到393 K時(shí),實(shí)驗(yàn)得到的等離子體溫度與模型計(jì)算得到的晶格溫度都相應(yīng)的增加了約100 K。得出對(duì)燒蝕樣品進(jìn)行預(yù)加熱可以使樣品的燒蝕閾值降低,從而使等離子體的光譜強(qiáng)度增強(qiáng)的結(jié)論。為飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)探測(cè)技術(shù)靈敏度的提高與探測(cè)極限的降低提供了方法及理論指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG111.1;TN24

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