飞秒激光辐照下金属薄膜材料的热力响应

考虑到金属材料热导率、弛豫时间、电子-晶格耦合系数等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,数值求解了飞秒激光辐照金属薄膜的超快热弹性模型,分析了飞秒激光辐照200nm铜膜时温度场和应力场的变化规律。结果表明：电子热导率和电子-晶格耦合系数对温度场变化有较大影响;在超快加热早期,热电子崩力在金属薄膜表面附近迅速达到峰值,后期急剧减小的热电子崩力和逐渐增大的晶格温度梯度共同决定了薄膜体系中应力场的变化。     

双曲两步模型下金属薄膜的热行为

从双曲两步热传导模型出发,运用数值差分法求解了微尺度条件下热传递问题。利用特征值法对耦合的能量方程解耦,得到一组控制薄膜中的热波传播的特征方程,对特征方程组运用Godunov格式进行离散得到特征方程组的解。通过特征方程和原控制方程之间的关系,得到薄膜的温度响应并运用这种方法求解了薄膜的激光加热问题,揭示了在短脉冲激光加热条件下薄膜中热传递的波特性以及金属薄膜中电子气和晶格温度的非平衡态特征。     

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。     

微尺度热传导理论及金属薄膜的短脉冲激光加热

概述了微尺度热传导理论的几种模型及其求解方法。以金属薄膜的短脉冲激光加热为例,分析了固体材料在微尺度条件下的热响应特征,主要包括短脉冲激光加热条件下金属薄膜中的热平衡时间、薄膜中热传递的波动性特征和微尺度条件下热传递的尺寸效应;同时讨论了对流热损失对金属薄膜热行为的影响。     

飞秒激光作用下薄膜的热力学研究

为了描述飞秒激光与金属薄膜相互作用过程中的非平衡传热现象,采用有限差分的方法对金属薄膜内的温度场进行了1维数值模拟。对双温模型中电子-晶格耦合系数G、激光脉宽和电子的弹道运动等因素对金属薄膜表层电子和晶格温度的影响进行了理论分析。结果表明,G影响材料表面电子的温升,电子和晶格温度平衡时的延迟时间随着G的增大而减小,二者呈指数变化关系。这一结果对改善半导体元件中薄膜的温升是有帮助的。     

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。     

超短脉冲激光烧蚀金属薄膜材料的热效应分析

基于双曲双温两步热传导模型,利用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对超短脉冲激光辐照金膜时的温度场进行了一维数值模拟计算.讨论了不同能量密度和脉冲宽度条件下金膜表面温度场的分布情况;分析了电子-晶格耦合系数对薄膜体内温度场的变化规律及电子-品格耦合至热平衡所需时间的影响.结果表明,激光脉冲的能量密度和脉冲宽度对电子温度的峰值有重大影响;电子-晶格的耦合系数决定了二者的温升速率和耦合时间;电子温度及电子温度的梯度在接近表面区域迅速达到最大值,与之相应的热电子崩力是造成金属薄膜早期力学损伤的主要原因.     

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。     

飞秒激光作用下硅材料的热力响应

为描述飞秒激光辐照半导体材料的热力响应过程,扩展了热电子崩力和自恰场两种模型,得到了完全耦合的非线性热弹方程组。在单轴应力条件下,利用有限差分法,计算了500fs脉冲激光作用下硅膜内载流子温度、晶格温度、热应力和热电子崩力的变化情况,同时考虑了能量密度和薄膜厚度两个因素的影响。数值结果表明：能量密度越高达到热平衡所需的时间就越长;对于比较薄的硅膜,随着激光作用时间的增加,热应力的双峰逐渐增加并由前后表面同时向薄膜的中间移动。     

飞秒脉冲激光驱动的薄膜中的非平衡态电子弛豫

在飞秒脉冲激光的驱动下 ,使用泵浦 -探测技术测量了复合薄膜 Au- Ba- O的瞬态光学透过率随延迟时间的变化曲线 ,观察到了薄膜对光的吸收迅速增大并在皮秒时间内恢复原状的现象。该现象是薄膜中 Au超微粒子内费米能级附近电子被飞秒激光脉冲激发 ,产生非平衡态电子而经历瞬态弛豫造成的。从理论上给出了复合薄膜中 Au超微粒子的电子声子相互作用常数 g的数值     

飞秒激光制备CdS薄膜滤波器的研究

采用脉冲飞秒激光沉积方法,在石英衬底上制备了CdS薄膜滤波器.研究显示衬底温度在100～600℃范围内变化对CdS薄膜衬底的结构及光学特性有重要影响,在450℃的衬底温度下所生长的CdS薄膜具有较好的结构质量,该薄膜在500nm附近具有较陡的吸收带边及良好的光学滤波性能.     

飞秒激光制备CdS薄膜滤波器的研究

采用脉冲飞秒激光沉积方法,在石英衬底上制备了CdS薄膜滤波器.研究显示衬底温度在100～600℃范围内变化对CdS薄膜衬底的结构及光学特性有重要影响,在450℃的衬底温度下所生长的CdS薄膜具有较好的结构质量,该薄膜在500nm附近具有较陡的吸收带边及良好的光学滤波性能.     

飞秒激光在金属纳米材料制备和材料微结构加工中的应用

介绍了飞秒激光在高纯度金属纳米颗粒的制备及纳米颗粒的尺寸和形状的改变,玻璃内部形成基于金属纳米粒子的“三维空间选择性”析出的彩色图案的制备,有机聚合物微光子器件的制备以及光存储、光波导和光开关器件的制备等方面的应用。     

飞秒激光辐照纳米金膜的导热机制研究

从金属薄膜材料的光热参数的热物性出发,利用具有人工黏滞的、自适应时间步长的前向差分算法,求解了电子和声子双温双曲两步热传导模型下的能量耦合方程,讨论了在100fs脉冲激光辐照下50nm金膜传热过程的微观机制.结果表明:电子热导率在传热过程中变化相对较大,采用常温下的值会高估其作用.热流迟滞项的引入使得电子热流出现双峰.在不同的激光强度下,电子热流的能量分布出现不同,但在电子温度梯度急剧增大的很短时间内热流变化不大.     

飞秒激光作用下金属箔材的温度场研究

为分析飞秒激光作用下金属材料的温度场及其影响因素,基于一维双温模型对飞秒激光作用下铜箔的温度场进行数值求解。采用脉宽100～800 fs,能量密度509.30～2 546.48 J/m2的激光参数进行计算,研究电子和晶格温度随时间和深度的变化规律。结果表明,电子温度在10-13 s时间尺度达到峰值,在此期间晶格温度保持不变,此后通过耦合作用二者在几ps时间尺度达到热平衡;脉宽越短,电子温升越快、峰值温度越高、耦合时间越短;而能量密度越大,电子温升越快、峰值温度越高、耦合时间越长。     

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。     

飞秒激光烧蚀玻璃基质金属薄膜直写衍射光栅

提出了一种新的制备光栅的方法,利用800 nm的飞秒激光扫描蒸镀在石英玻璃衬底表面的金薄膜,通过烧蚀金薄膜在衬底表面形成衍射光栅。用波长为532 nm的激光照射光栅,测量其一级衍射效率,测得的衍射效率最高为6.98%。通过改变激光扫描速度、激光功率、光栅周期等实验参数研究其对制备的光栅的一级衍射效率的影响,结果表明,降低激光扫描速度,减小光栅周期,或增加激光功率都能提高制备光栅的一级衍射效率。     

飞秒激光蚀除金属的分子动力学模拟

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法，从连续及原子级的角度详尽描述了飞秒激光与金属的相互作用过程。建模时不仅考虑了激光能量的吸收方式、电子热传输及电子一晶格间的能量交换，而且对底部边界进行了特殊处理，采用简单而有效的速度减幅技术，既能防止靶材底部断裂，又能保证有效蚀除。分析了靶材内部温度、压力的分布特征及应力约束条件下的蚀除机制。模拟结果表明，靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生断裂；较高脉冲能量密度下蚀除产物由多个大团簇组成，而较低能量密度下只包含单个团簇，这是应力约束条件下金属蚀除的主要特征。同时，深入探讨了激光诱导压力波的成因及其传播规律，预测了压力波的波速。确定了蚀除阈值，同实验数据完全吻合，并证明了有过热现象的存在。