飞秒、皮秒激光烧蚀金属表面的有限差分热分析

为描述飞秒激光烧蚀金属表面过程，对双温方程进行了约化。用有限差分法对飞秒、皮秒脉冲激光在金属表面烧蚀过程的温度场进行了一维数值模拟。分析了在飞秒领域对双温方程约化的合理性。计算模型对电子与光子耦合系数的大小对金属表层电子温度的影响进行了分析。同时考虑不同脉宽、不同能流及功率密度大小的因素。发现电子与晶格耦合系数影响材料表面电子的温升及电子与晶格温度耦合时间；与皮秒激光比较。脉冲功率密度是影响电子最终温度的主要因素；飞秒激光烧蚀金属材料的厚度可达到表层厚度(吸收系数的倒数)量级。     

飞秒激光烧蚀镍的数值模拟

为了研究金属镍的飞秒脉冲激光烧蚀特性,利用三维双温模型和采用有限差分法,对飞秒激光烧蚀镍的三维温度场进行数值模拟,计算得到了单脉冲烧蚀阈值、单脉冲烧蚀半径及烧蚀深度等。通过改变激光能量,研究了电子品格耦合时间随脉冲能量变化的规律以及脉冲能量对烧蚀半径、烧蚀深度、烧蚀速率的影响。模拟结果表明,随着飞秒脉冲激光能量的增加,材料烧蚀引起的喷射出现的越早,完成烧蚀所用时间越长,烧蚀速率越大,同时材料烧蚀孔半径、深度增加,最终趋于饱和。     

高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

多脉冲飞秒激光烧蚀金属箔的热电子发射数值分析

通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素,部分改写了飞秒激光光源项,从而实现了多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射和温度场的动态数值模拟。数值模拟发现,随着脉冲个数的增加和脉冲间隔的减小,铜箔表面的反射率和表面吸收系数将明显减小,表面吸收率将明显增大,这一变化对铜箔的电子发射以及多脉冲飞秒激光照射下铜箔的温度场具有重要影响;而随着距铜箔表面深度的增加,这些影响将逐渐减小。     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

飞秒激光对半导体材料及器件烧蚀效应研究进展

简要评述了国内外关于飞秒激光烧蚀半导体材料的理论研究、数值模拟和实验研究进展,报道了飞秒激光对几类光电探测器件损伤阈值的研究结果.     

飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验

为研究飞秒激光脉冲对涡轮叶片材料的冲击打孔特性，使用双脉冲改写方程的激光光源项，并对涡轮叶片材料进行数值模拟，得到了镍基高温合金在飞秒激光双脉冲冲击打孔下的晶格和电子温度。通过对比单脉冲的模拟结果发现:双脉冲烧蚀情况下，材料电子和晶格出现2个峰值温度，且电子和晶格的平衡温度相比单脉冲提高345ｋ，平衡时间延长了5ps，用 美国Ray Crop生产的飞秒脉冲激光器，对镍基高温合金材料在不同的激光参数下:激光脉冲宽度、激光能量、激光频率、脉冲间隔对材料的烧蚀进行双脉冲打孔，得到孔的形貌特征，并与单脉冲打孔对比发现双脉冲打孔的质量和效率优于单脉冲。     

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

三束飞秒激光辐照下铜膜内电子非平衡热输运

首先采用有限元法数值计算了铜膜内的电子温度和晶格温度分布变化,揭示了铜膜内电子非平衡热输运时间随飞秒激光光束参量的变化情况。仿真结果表明,铜膜内的电子非平衡热输运时间会随着泵浦光束数量及脉冲能量密度的增加而增加,并且使用三束飞秒泵浦激光作用时,电子非平衡热输运时间比单脉冲作用时的电子非平衡热输运时间增加了3倍。其次使用三束飞秒激光泵浦的泵浦-探测实验系统进行验证。实验结果表明:通过用具有一定延时的三束飞秒泵浦激光作用铜膜时,铜膜表面的瞬态反射率出现三次突变,使电子非平衡热输运时间得到极大延长,从而大幅度消除激光加工热障,并提高加工的质量、精度和效率。     

超短激光脉冲序列烧蚀镍薄膜的研究

超短(飞秒)激光脉冲序列技术能有效地提高激光加工金属的加工精度,它在微/纳制造中具有重要的理论意义和生产价值。为了研究脉冲间隔对激光烧蚀金属加工精度的影响,以过渡金属镍为研究对象,采用双温模型和分子动力学模拟相结合的方法,对飞秒激光脉冲序列(脉冲间隔不同)烧蚀金属镍的过程、现象进行了研究,取得了脉冲序列烧蚀镍薄膜的动态表层电子温度和晶格温度随时间演化的数据和烧蚀区域在不同时刻的快照。结果表明,一定范围内,随着脉冲间隔的增加,脉冲序列烧蚀镍薄膜所产生的纳米粒子更加均匀,烧蚀平面更加平整,初始熔化速度、烧蚀率呈降低趋势,有利于提高加工的精度。     

紫外激光与半导体相互作用研究进展综述

紫外激光与半导体相互作用是当今国内外研究的热点。综述了紫外激光与半导体相互作用在光电子产业、激光加工、激光表面改性等方面的应用。介绍了紫外激光与半导体相互作用的基本原理,总结了紫外激光烧蚀半导体的理论模型,包括热传导模型、载流子耦合扩散模型、光化学模型、表面热蒸发模型、双温模型、表面充电模型等。总结了关于损伤形貌、烧蚀阈值和紫外激光损伤半导体机理的实验研究。提出了紫外激光与半导体相互作用可能的研究和新的应用方向。     

飞秒-纳秒脉冲激光烧蚀金属热效应分析

为了描述不同脉冲激光烧蚀金属表面作用过程,从双温模型出发,用有限元差分法对飞秒、皮秒和纳秒脉冲烧蚀金属表面的温度场进行了数值求解,将结果与不同的激光脉冲宽度内约化双温方程得到的解析解和简化方程进行了比较,并讨论了这些简化方程的适用范围和简化的合理性,还讨论了电子热流表达式与辐照激光光强的关系。计算结果表明,在不同脉冲宽度内的约化方程所得结果与双温模型数值求解符合得很好,证明了在飞秒领域,晶格温度可认为是常数,双温模型被简化为自由电子的温度变化方程;在皮秒激光领域,要用完整的双温方程描述;纳秒脉冲期间认为电子晶格温度相等,双温模型被简化为热传导方程。     

飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热的研究

飞秒激光与金属作用后,电子被瞬间加热,电子温度将远远高于声子温度,并逐渐将能量传递给声子,这种非平衡过程中电子和声子间传热能力由电子-声子耦合系数表征。而到目前为止电子-声子耦合系数是否存在尺度效应还存在争议。采用飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热过程进行了研究,利用抛物两步模型对实验数据进行拟合。通过对不同厚度的金纳米薄膜的电子-声子耦合系数的比较,研究表明,电子-声子耦合系数随着薄膜厚度的增加而减小。实验结果与已报道的基于电子自由程提出的理论模型所预测的变化趋势相一致。     

通过圆偏振光提高飞秒激光诱导击穿光谱的发射强度

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种快速、实时的元素成分分析技术。为了提高LIBS的灵敏度,人们已经提出多种方法来提高LIBS的光谱强度。本文采用飞秒脉冲激光烧蚀黄铜产生LIBS,对比了圆偏振和线偏振下LIBS光谱的强度,结果发现圆偏振下的光谱强度比线偏振下的强,光谱强度大约提高了15%。采用飞秒激光照射金属时,金属内部的自由电子吸收光子的能量。在线偏振飞秒激光场中,电子在脉冲的每个光学周期中经历交替的加速和减速;而圆偏振飞秒激光可以连续加速电子,因此电子可以获得更高的能量,这使得圆偏振飞秒激光产生的光谱强度不同于线偏振飞秒激光产生的光谱强度,圆偏振激光有助于改善飞秒LIBS信号的强度。     

多脉冲飞秒激光烧蚀铝靶动态特性研究

利用时间分辨阴影图研究了脉冲能量在200微焦的多脉冲飞 秒激光烧蚀铝靶的动态过程、并使用 扫描电镜研究了靶材表面烧蚀区域的形貌特征。时间分辨阴影图的记录结果表明,在不同时 间延迟条件 下,飞秒激光烧蚀铝靶形成的冲击波体积和喷射物的空间分布均随着脉冲个数的增加而发生 不同程度的变 化,尤其是单脉冲烧蚀情况下在1ns延时阴影图中观察到的近同心圆条纹会随着脉冲数目增 加逐渐变得模 糊乃至消失。烧蚀区的电子扫描显微镜图像清楚地揭示出烧蚀过程中伴随有液态铝的产生, 其溅射凝固后 在靶材表面形成小球和细丝状微纳结构。实验结果进一步证实了由前序脉冲烧蚀导致的铝靶 表面结构的改 变会对后继脉冲的烧蚀产生显著影响,从而使多脉冲烧蚀表现出明显不同于单脉冲烧蚀的特 性。这些结果 对飞秒激光脉冲沉积薄膜、直写生成表面微结构等应用的工艺参数优化具有很好的指导意义 。     

高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应

对硅材料飞秒激光损伤进行了数值模拟。首先,在飞秒激光与硅相互作用的双温模型中引入能带电子激发、双光子吸收,俄歇复合等一系列非线性项,通过每一个光场半周期中的麦克斯韦电磁场公式,得出材料中不同时间的光场强度,作为描述材料对光强的响应物质方程的输入项。通过麦克斯韦方程与物质方程间的迭代可以得到烧蚀的硅的一系列参数,如电子浓度、晶格温度等。在此基础上分析了皮秒、亚皮秒量级双脉冲和三脉冲飞秒激光作用下,激光能量密度和脉冲延迟时间对热积累效应的影响。