本文選題：飛秒激光　切入點(diǎn)：鈦　出處：《山東師范大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：飛秒激光具有脈沖時(shí)間短、瞬時(shí)功率高、加工精度好(閾值精確)、聚焦能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),幾乎可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何材料的非熱熔性精細(xì)加工。因此飛秒激光與物質(zhì)相互作用具有巨大的應(yīng)用潛力,吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們爭(zhēng)相研究,并取得了很好的結(jié)果。在各種工業(yè)加工以及生物治療等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。鈦?zhàn)鳛橐环N應(yīng)用非常廣泛的過渡金屬,具有耐高溫、密度小、強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、合金性能優(yōu)、生物親和性好等優(yōu)點(diǎn),并且在地殼中分布廣泛,是一種在航空航天、船舶制造、生物醫(yī)療以及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值的材料。當(dāng)功率密度足夠大的飛秒激光作用于鈦表面時(shí),會(huì)在鈦表面造成損傷,改變表面形貌。靶材表面會(huì)產(chǎn)生高溫高壓等離子體。研究飛秒激光燒蝕鈦表面的過程和燒蝕形貌,可以指導(dǎo)飛秒激光對(duì)鈦及其合金材料進(jìn)行微加工,預(yù)測(cè)和控制加工形貌,提高加工工藝。研究燒蝕過程中形成的等離子體特性可以進(jìn)一步理解鈦表面在飛秒激光作用后的激發(fā)、電離及膨脹的動(dòng)力學(xué)過程;同時(shí)對(duì)飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。本文進(jìn)行了飛秒激光燒蝕鈦表面的實(shí)驗(yàn),并建立了模擬燒蝕過程和形貌的理論模型,對(duì)飛秒激光與鈦靶的相互作用過程和機(jī)制進(jìn)行了深入分析。同時(shí),研究了鈦表面形貌以及表面周期性結(jié)構(gòu)的特征和演化規(guī)律,并探討了表面周期性結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理,對(duì)全面優(yōu)化飛秒激光對(duì)鈦靶的加工工藝有很好的借鑒意義。另外,利用飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù),對(duì)飛秒激光燒蝕鈦表面產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行了光譜診斷。研究了鈦等離子體的光譜性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)過程,以及等離子體電子溫度和密度的演化,討論了等離子體特性與環(huán)境空氣壓強(qiáng)的關(guān)系。總結(jié)起來,本文主要對(duì)飛秒激光燒蝕鈦的過程和等離子體特性進(jìn)行了全面深入的研究。本文主要內(nèi)容包括:(1)首先研究了激光作用下空氣的擊穿過程。分別進(jìn)行了納秒激光和飛秒激光擊穿空氣的實(shí)驗(yàn),測(cè)量了擊穿閾值。根據(jù)納秒激光與氣體的非線性相互作用理論,建立了兩步擊穿模型:把納秒激光擊穿空氣分為多光子電離主導(dǎo)階段和級(jí)聯(lián)電離主導(dǎo)階段。計(jì)算得到了納秒激光擊穿空氣閾值并給出了兩個(gè)階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn),得到了其隨空氣氣壓的變化規(guī)律。并將理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了的對(duì)比與討論。通過飛秒脈沖激光與空氣作用時(shí)發(fā)生的光電離、電子加熱和碰撞電離過程,研究了飛秒脈沖擊穿空氣的過程,計(jì)算了擊穿閾值。并與納秒脈沖的情況進(jìn)行了對(duì)比與討論。(2)在實(shí)驗(yàn)上研究了飛秒激光燒蝕鈦表面的形貌。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出:脈沖飛秒激光作用過后,鈦靶表面除了出現(xiàn)中心燒蝕坑外,在外圍也出現(xiàn)了熱影響區(qū)。研究了燒蝕坑的半徑和深度隨著激光能量密度和脈沖個(gè)數(shù)的演化。(3)為了模擬飛秒激光燒蝕鈦表面的形貌,建立了柱坐標(biāo)系下三維雙溫模型,并利用電子態(tài)密度理論對(duì)鈦的熱力學(xué)物性參數(shù)進(jìn)行了修正。通過模擬詳細(xì)描述了飛秒激光與鈦表面的相互作用過程,分別給出了燒蝕坑的半徑、深度、二維和三維燒蝕形貌,并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡的對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過參數(shù)修正的三維雙溫模型可以很好的描述燒蝕半徑和深度隨激光能量密度的變化,也能清晰的描繪鈦表面的二維和三維燒蝕形貌。(4)在實(shí)驗(yàn)和理論上系統(tǒng)地研究了飛秒激光誘導(dǎo)鈦表面周期性微納結(jié)構(gòu)。對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的三種結(jié)構(gòu)的特征及其隨著激光能量密度和脈沖次數(shù)的演化規(guī)律進(jìn)行了詳盡的研究。發(fā)現(xiàn)三種結(jié)構(gòu)隨著激光能量增大和脈沖次數(shù)積累相互競(jìng)爭(zhēng),此消彼長(zhǎng);每一種結(jié)構(gòu)的表面特征也發(fā)生著變化。通過總結(jié)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,給出三種條紋分別對(duì)應(yīng)的激光參數(shù)加工窗口。在理論上,對(duì)三種結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的探討。利用表面等離子體波理論成功地解釋了納米波紋結(jié)構(gòu)的形成,波紋的表面周期、分布及其隨激光參數(shù)的演化過程;用入射激光散射波和表面波的干涉理論解釋了微米條紋的形成和空間周期;通過建立光學(xué)干涉模型定性地解釋了圓環(huán)結(jié)構(gòu)的形成和演化。(5)在實(shí)驗(yàn)上,通過采集鈦等離子體的時(shí)間分辨譜,探究了等離子體內(nèi)部各種成分的光譜隨著延遲時(shí)間的演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)鈦的離子譜線的時(shí)間演化比原子譜線快;通過等離子體時(shí)間-飛行譜,確定了等離子體羽沿各個(gè)方向的膨脹速度,發(fā)現(xiàn)等離子體光譜強(qiáng)度和膨脹速度隨與燒蝕中心距離的增大迅速減小。同時(shí),討論了壓強(qiáng)對(duì)飛秒激光等離子體光譜特性和膨脹行為的影響。發(fā)現(xiàn)隨著壓強(qiáng)升高到大氣壓:等離子體內(nèi)的離子譜線增強(qiáng)而原子譜線減弱,但原子和離子譜線隨時(shí)間的衰減速度均減緩,等離子體羽的膨脹速度也迅速減小。(6)通過等離子體光譜診斷方法,測(cè)量了飛秒激光誘導(dǎo)鈦等離子體的電子溫度和密度及其演化。在激光功率密度為2.17×1016w/cm2的情況下,兩個(gè)參數(shù)均在104k和1017cm-3的數(shù)量級(jí)。電子溫度和密度隨延遲時(shí)間都快速下降,但先快后慢。討論了空氣氣壓對(duì)等離子體參數(shù)的影響:電子溫度和電子密度都隨著空氣氣壓的增大而升高,并在高氣壓下衰減速度都小于低氣壓的衰減速度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O53;TN249

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