本文關(guān)鍵詞：短脈沖激光燒蝕理論及楔條形陽極加工方法研究

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【摘要】：短脈沖激光有著脈沖寬度較窄、能量密度高、加工效率高、熱影響區(qū)小的特點,在微納加工、微電子學(xué)、測量系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)和航天科技等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是,短脈沖激光微加工技術(shù)的原理還未被完全認知。本文深入研究了短脈沖激光燒蝕理論,并研究了楔條形陽極的加工檢測方法,為提高楔條形陽極光子計數(shù)成像探測器性能提供了理論和實驗依據(jù)。具體的研究內(nèi)容和研究方法為:1、利用加權(quán)余量的迦遼金方法導(dǎo)出了雙溫熱傳導(dǎo)微分方程組的等效積分公式;使用格林公式,推導(dǎo)出雙溫熱傳導(dǎo)方程組的等效積分的“弱形式”;采用直接積分的方法,得到求解雙溫有限元模型所需時間步長、網(wǎng)格密度等參數(shù);根據(jù)短脈沖激光去除材料的基本理論,分析了飛秒激光燒蝕鋁膜的相變區(qū)域。2、將Drude理論加入到雙溫模型中,準確地描述了激光燒蝕材料過程中表面的反射率系數(shù)和熱吸收系數(shù)的變化;利用相變過程中材料內(nèi)部焓的變化,優(yōu)化了雙溫模型;研究了低能量密度皮秒激光輻照鋁膜的熱彈性力學(xué)模型;分析了鋁膜內(nèi)部的形變及熱應(yīng)力的變化,驗證了熱彈性波的存在及電子的熱爆發(fā)力對彈性波的推進作用。3、為研究鋁膜受短脈沖激光作用的能量傳輸過程,建立了一維半經(jīng)典雙溫熱傳導(dǎo)有限元模型,得到晶格溫度隨時間分布的規(guī)律;根據(jù)自由電子氣理論優(yōu)化了模型,得到鋁膜表面反射率和熱吸收系數(shù)隨時間分布圖;描繪了激光輻照所產(chǎn)生熱電場和電子漂移運動速度分布規(guī)律,證明激光作用產(chǎn)生的熱電場是電子漂移運動的主導(dǎo)因素;定義了過熱加熱區(qū),得到激光燒蝕深度隨時間變化關(guān)系,單脈沖激光燒蝕深度與實驗相符。4、對石英襯底上微米量級厚度的鋁膜進行了燒蝕,研究了光斑重疊率對燒蝕圖形以及重復(fù)加工次數(shù)對加工精度的影響;為提高加工精度和驗證所求燒蝕率的準確性,提出重復(fù)多次加工的方法;對比了高斯線性法與高斯線性修正法的求解燒蝕率的結(jié)果,證明了高斯線性修正法在掃描激光精細加工方面的優(yōu)越性。利用高斯線性修正法求得的燒蝕效率,模擬了激光在不同光斑重疊率下燒蝕微槽的三維輪廓圖。5、通過對激光旋轉(zhuǎn)參數(shù)以及平臺移動參數(shù)的理論分析,得到加工楔條形陽極絕緣溝槽所需參數(shù);使用離焦加工的方法,加工出高質(zhì)量的楔條形位敏陽極,進行了電荷直接收集法和感應(yīng)電荷讀出方式成像實驗;使用有限元計算的方法得到陽極的每個導(dǎo)電電極的感應(yīng)電荷量,計算了直徑為65 mm的楔條形陽極的在電荷云半徑為4 mm下的位置解碼公式和邊緣非線性效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN249

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