高功率飞秒激光与透明介质的相互作用及其应用

随着飞秒(fs.10-15s)激光近些年来得到迅速发展,飞秒激光已广泛应用于物理、化学反应的动力学过程分析.利用飞秒激光的热效应可以忽略的特点进行超精细加工.利用飞秒激光与透明材料的非线性相互作用,可以实现材料内部有空间选择性的三维光功能微结构.文章重点介绍了飞秒激光与透明介质相互作用的原理,以及在三维超高密度光存储、三锥光功能微结构等方面及应用,国内外相关领域的最新进展,并展望了应用前景.     

飞秒激光诱导金属功能微结构的机理与应用

介绍了飞秒激光与金属相互作用的机理以及飞秒激光在金属超加工方面的一些最新应用。基于一维双温扩散模型分析了飞秒激光与金属相互作用的超快机制;介绍了飞秒激光加工光电倍增管电极,修复光刻掩膜．诱导白炽灯丝阵列微孔等一些工业应用。     

激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展,飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件,使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴,催生了大量新原理、新现象,推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理,该技术的加速梯度可达100 GV/m,相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上,可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束,极大地降低了加速器的成本,为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展,并对未来进行了展望。     

飞秒激光驱动的阿秒X射线脉冲光源

超短X射线脉冲光源可以用于超快动力学过程的测量,在物理、材料、生物、医学等领域都有重要的科学意义和应用价值．目前,亚飞秒和阿秒物理学已经成为物理学中短时间尺度的前沿．对超强飞秒激光与高能电子、原子及分子相互作用产生超短X射线脉冲的新机制进行了研究,提出了     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

飞秒激光液相烧蚀的超快观测展望（特邀）

飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点,在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而,飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度,多物理化学现象耦合的复杂过程,现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程,并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题,并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。     

飞秒激光与透明硬质材料的相互作用：从相变机理到永久光存储

随着大数据时代的来临,利用飞秒激光在透明硬质材料中写入数据形成永久光存储的技术成为高容量、长寿命冷数据的一种理想存储方案,具有广阔的应用前景。本文从飞秒激光永久光存储发展存在的问题出发,梳理了近20年来超快激光与透明硬质材料相互作用的机制,总结了飞秒激光诱导相变的类型和过程,展示了其在光存储方面的应用;同时,从写入速度和容量角度出发,介绍了最新的脉宽调制效应和热调制高重复频率直写技术,阐述了五维永久光存储目前面临的挑战以及可行的解决办法。     

飞秒激光加工机理及仿真研究进展

目前,微加工和精加工技术的迅速发展对微型化加工技术提出了更高的要求:将加工尺度提高到微米甚至纳米级,并且能够在材料内部实现三维立体微加工.飞秒激光可以突破衍射极限的限制,打破了加工极限,是当前先进制造技术的热点.本文综述了飞秒激光加工的发展历程和机理,并从库仑爆炸模型、微爆炸模型、色心模型以及双光子电离模型等方面对激光加工机理进行了阐述.对于飞秒激光的超快作用过程,仿真是分析加工机理、研究激光与材料作用过程的主要手段.分析了飞秒激光仿真所采用的双温模型、分子动力学模型及复合模型的特点及其适用范围,为飞秒激光加工的理论研究提供依据.最后指出了目前飞秒激光加工技术存在的问题,并对该技术的发展进行了展望.     

飞秒激光技术与相关学科

本文阐述了超快激光发展的四个阶段及其内容、特点。对当前超快激光的研究特点、发展方向进行了综述。对与飞秒激光技术相关的几个新兴学科, 如飞秒激光物理学、飞秒激光化学、飞秒光孤子通讯和飞秒电子学给予概括评述。     

飞秒激光作用下透明介质材料的反射率演化

利用800 nm抽运和400 nm探针技术,测量了CaF2和MgO的时间分辨反射率,研究了材料的电子激发和弛豫超快动力学过程。采用耦合动力学模型,探讨了飞秒激光对透明介质材料的激发,以及材料的激发对抽运激光在材料中的传输、分布和反射特性的影响。根据这个理论模型计算了时间分辨反射率的演化,计算结果和实验结果相吻合。研究表明,多光子电离(MPI)和碰撞电离(II)在介质材料的导带电子激发中起着重要的作用。     

飞秒激光微加工中诱导空气等离子体的超快观测研究EI北大核心CSCD

通过搭建飞秒时间分辨的泵浦探测阴影成像系统,研究了聚焦的飞秒激光脉冲产生空气等离子体的瞬态演化特性,并对不同聚焦条件下空气等离子体的时间特性进行了数值模拟。实验结果表明:聚焦的飞秒激光电离空气等离子体的电子瞬态密度峰值先升高后缓慢下降;同时得到了高时间分辨下的电离速度变化与电子数密度的空间分布。计算结果显示:更高的单脉冲能量对应更高的饱和电子数密度,高数值孔径聚焦条件下隧穿电离也更早出现,表明飞秒时间分辨的泵浦探测阴影成像可为超快激光微加工的瞬态过程提供观测手段,同时可对超快激光微加工过程中的等离子屏蔽效应提供机理解释与加工工艺的优化参考。     

飞秒激光加工SiC模型参数优化设计研究

开展飞秒激光与SiC相互作用机理研究,探索飞秒激光加工SiC材料的作用机理与激光功率密度阈值、脉冲宽度、频率、重叠率等参数的相互影响,这其中增加了在激光脉冲宽度范围内由于多种因素的影响,导致自由电子密度减少的因素;考虑了飞秒激光光束在被加工材料传输过程中由于被加工材料表面反射而造成的损失量,以及由于激光束电离后光电子与晶格发生碰撞而“反射、散射”造成的能量损失,从而对现有作用机理进行理论模型优化,通过比较研究和实验验证自由电子密度,为飞秒加工过程中激光与材料相互作用研究提供分析和参考。     

高反Al2O3/SiO2膜内超快激光预损伤动力学过程

利用紫外飞秒激光光谱技术研究了Al2O3/SiO2高反射膜内的超快载流子动力学。通过实验,发现该反射膜Al2O3层的载流子动力学在紫外反射膜的激光诱导损伤中起着至关重要的作用。通过泵浦-探测实验,发现紫外飞秒激光与光学薄膜作用后,光学薄膜反射率有所下降,且探测光反射率变化的峰值在约2.3 ps的时间内从417 nm左右转移到402 nm左右。为了更好的解释激光诱导载流子动力学,一个具体的理论模型被提出来,该模型指出导带自由电子弛豫过程中与晶格相互作用,产生距导带一个光子能量的中间缺陷态,其初始电子密度影响了材料损伤阈值高低。通过该理论模型得出的激光损伤阈值数据和实验数据吻合得很好。     

飞秒激光作用下啁啾镜膜层内损伤相关动力学

光学元器件的激光损伤问题,一直以来都困扰着超强超短激光系统的进一步发展。飞秒激光领域,激光脉冲引起的光学器件损伤主要由材料的本征特性决定。光学材料内的多光子电离、雪崩电离、导带电子弛豫等一系列非线性过程,与材料的激光损伤过程密切相关。利用泵浦探测技术,采用中心波长为800 nm,重复频率1 kHz的飞秒激光脉冲,对Nb2O5/SiO2啁啾镜介质膜的内部与飞秒激光损伤相关的超快动力学进行了研究。发现强的泵浦光脉冲辐照结束后飞秒乃至几十皮秒的范围内,啁啾镜对探测光的反射率有一定程度的下降。反射率降低的主要原因是泵浦光在介质膜的Nb2O5层内激发的大量的自由电子对探测光吸收所致,且该过程对激光诱导损伤过程起主导作用。通过反射率的变化,对其介质膜内导带电子弛豫过程进行探究,测定得到其衰减寿命,分别为1.31、6.88、22.34 ps。     

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。     

我国首例飞秒时间分辨近场光学系统

近年来，随着飞秒脉冲激光技术的发展．飞秒时间分辨光谱技术在纳米材料的载流子弛豫动力学、化学反应动力学、光合作用超快过程等研究领域得到了广泛应用。其中很多研究对象的超快动力学性质具有高度空间依赖性，如纳米材料、量子线、量子点以及光合系统捕光色素复合物等。由于普通的远场飞秒光谱技术受到衍射极限的限制．无法对纳米结构的非均一性所造成的精细结构加以分析．     

飞秒超快动力学过程及飞秒检测

首先分析了飞秒激光与物质的作用原理和载流子激发,载流子散射和晶格热化等超快动力学过程．接着简要阐述了飞秒波谱检测技术的基本原理和实验装置,并在此基础上分别介绍了瞬态吸收波谱技术、瞬态偏振旋转技术和光子回波技术,结合实例对这些技术进行了分析,最后展望了瞬态动力学研究和飞秒波谱检测技术的应用前景。     

飞秒激光及超快光谱技术

近年来随着钛蓝宝石光克尔锁模新技术的发展，桌面飞秒超强、超快钛蓝宝石激光光源已经商品化，为实验室研究工作提供了崭新的设备．本报告将首先介绍钛蓝宝石飞秒激光工作原理及飞秒激光啁啾放大过程．随后，将结合近年来利用北京大学已配备的两台钛蓝宝石飞秒激光光源（Mira900F，美国相干公司和Tsunami＋TSA10，美国光谱物理公司）所进行的研究工作介绍有关飞秒光谱内容．包括飞秒荧光上转换实验、飞秒光克尔实验以及飞秒超强光泵浦-探测实验等．阐述利用这些实验装置所进行的蛋白分子等生命超快过程的研究、化学动力学过程的研究、新…     

分子动力学模拟飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金的机理

采用结合双温方程的分子动力学方法,数值模拟脉宽为200 fs,能量密度为30~45 m J/cm2的超快激光与Cu Zr非晶合金的相互作用过程。模拟结果表明:超快激光作用下Cu Zr非晶材料中原子加热速度比普通晶态金属慢得多;作用过程内部应力的演化表现为首先产生拉应力;并且随着温度与应力的演化,靶材内部产生空泡,空泡的平均大小和数目都与能量密度直接相关;靶材的烧蚀机制表现为机械破损,且烧蚀深度随着能量密度增大而增加。研究结果有助于更深入地理解飞秒激光与非晶合金相互作用机理。     

飞秒激光在超快过程中的应用研究

认识微观世界的超快过程是为了认识真实世界,超快激光技术是研究会眼快过程的必要条件,本文阐述了近年来飞秒激光在有代表性的超快过程中的应用目的、应用必要性,应用实现方法和结果以及应用进展等。