飞秒激光烧蚀高定向热解石墨的超快过程研究

脉冲激光烧蚀高定向热解石墨(HOPG)是制备富勒烯、碳纳米管等碳纳米材料的重要方法之一。研究和认识飞秒脉冲激光烧蚀高定向热解石墨的超快物理过程,可以为探索飞秒激光烧蚀制备各种碳纳米材料提供重要的实验和理论基础。利用抽运-探测技术记录了0.33～20J/cm2不同激光能流下50fs激光脉冲烧蚀高定向热解石墨在0～9ns时间窗口内的超快动态过程,并且比较分析了烧蚀高定向热解石墨和烧蚀铝靶的差别。实验发现,随着入射到高定向热解石墨表面的激光能流从20J/cm2下降到0.33J/cm2,光热机制导致的物质去除逐渐减少,光机械机制的应力释放导致的大颗粒物质喷射逐渐成为主要的物质去除过程。分析表明,靶材的吸收系数是导致高定向热解石墨和铝靶烧蚀动态过程不同的主要因素。     

飞秒强激光超快烧蚀动力学过程的时间分辨研究

利用抽运-探测超快时间分辨阴影图方法研究了高强度飞秒激光脉;中烧蚀固体靶的动态物理过程.首次实验证实了40 J/cm2.50 fs激光脉冲烧蚀固体靶是一个同时涉及超快加热与超快光机械作用的复杂物理过程.该结果为深入揭示和理解超短脉冲激光烧蚀固体物质特别是金属材料的动态物理过程提供了新的关键性启示.     

飞秒激光烧蚀石英微孔的时间分辨阴影成像

建立了基于飞秒激光抽运-探测原理的时间分辨阴影成像平台,直接获取了飞秒激光烧蚀石英微孔的超快过程图像。在不同能量密度、时间延迟、脉冲数量条件下,观察到随时间延迟变化的等离子体通道衰退、冲击波膨胀和微孔伸长现象。实验结果表明,所提系统有助于飞秒激光烧蚀诱导透明介质内部微纳结构的原位观察。     

等离子体冲击波效应对飞秒激光烧蚀面齿轮形貌的影响研究

利用烧蚀阈值理论，研究飞秒激光对面齿轮的烧蚀特征，得到了面齿轮的烧蚀阈值。建立烧蚀模型，计算仿真了飞秒激光在单脉冲与多脉冲烧蚀过程中的理论宽度与深度。利用等离子体冲击波传播半径随时间变化的规律，耦合飞秒激光多脉冲烧蚀时的表面残余温度变化，得到等离子体冲击波的动态反冲压力机理图，并得到飞秒激光加工过程中，等离子体冲击波动态反冲压力对烧蚀的凹坑形貌以及扫描隧道与烧蚀平面形貌变化的影响。通过试验验证飞秒激光对面齿轮进行隧道扫描时，随着扫描速度的增加，隧道的直线度降低。高功率条件下，增加相邻扫描道扫描间距，烧蚀后的齿面精度更高。     

飞秒激光诱导Si表面周期条纹结构形成的超快成像研究

正飞秒脉冲激光出现以后,飞秒激光与物质相互作用得到了广泛的研究,出现了许多新现象、利用飞秒激光照射半导体材料表面,形成了周期远小于激光波长的纳米周期结构。建立了飞秒激光超快成像系统,直接观察到了飞秒激光诱导Si表面周期条纹在3 ns时间范围内的演化过程。将一束800 nm、50fs的线偏振飞秒激光分成两束,其中一束照射Si表面诱导产生周期条纹结构;另一束光经透镜会聚至水中产生脉宽约为1 ps的白光,利用此白光作为光源对周期条纹结构成像。改变两光束间的延迟时间,可得到飞秒激光诱导周期条纹结构在不同时间尺度的图像。通过观察发现,当激光脉冲能量大于材料单脉冲烧蚀阈值时,经3个飞秒脉冲照射后,能够产生规则的周期条纹结构,条纹垂直于激光偏振方向,周期约为500 nm。在时间尺度上,800 nm飞秒脉冲照射后,材料表面反射率增强,说明由于飞秒脉冲照射激发了材料表面等离子体的产生。约20 ps后,条纹开始出现;之后随着条纹长度、深度的增加,约70 ps后,能够观察到较清晰的周期条纹;经比较,在飞秒脉冲照射后约600 ps时,周期条纹形状与材料表面凝固后所产生的条纹结构基本相同。这一研究对飞秒激光诱导表面周期结构的形成机理具有重要的意义。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

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。     

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。     

纳秒脉冲激光烧蚀铝靶引起的冲击波特性研究

当材料受到强脉冲激光辐照时, 由于能量沉积, 靶表面物质将气化形成靶蒸气或等离子。介绍了时间分辨阴影照相技术, 并利用该技术记录了脉冲激光与铝合金靶材相互作用后, 等离子体冲击波传播的瞬态物理过程, 分析了不同激光功率密度辐照下, 等离子体冲击波传播特性, 并利用冲击波Hugoniot关系得到了等离子冲击波状态随时间演化的规律。     

Ablation pressure of the shock wave generated by laser interaction with solid targets

The time evolution process of the plasma generated by laser pulse interaction with solid target in air is observed by optical shadowgraph imaging technique. The ablation pressure of the shock wave generated with the plasma is calculated analytically. It is found that plasma expansion in perpendicular and lateral directions are both proportional to t2/5 with t as delay time, and the ablation pressure reaches 10~8 Pa.     

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。     

飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究

为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。     

潮湿环境对不同金属样品激光烧蚀阈值的影响

用1064nm激光辐照金属样品,通过测量金属物质烧蚀阈值附近冲击波的渡越时间的突变,确定了Cu、黄Cu、Al3种样品在干燥空气中和潮湿空气巾的烧蚀阈值。干燥空气,Cu为1．0J／cm^2,黄Cu为．9J／cm^2,Al为0．68J／cm^2;潮湿空气中,Cu为1．0J／cm^2;黄Cu为0．7J／cm^2;Al为0．38J／cm^2。结果表明,潮湿空气中的黄Cu和Al样品烧蚀阈值降低了,而Cu样品的烧蚀阈值没有变化;黄Cu和Al样品烧蚀阈值降低的程度也不同,黄Cu为22％,Al为44％。     

A unified model in the pulsed laser ablation process

In this unified model, we introduce the electron-phonon coupling time （tie） and laser pulse width （tp）. For long pulses, it can substitute for the traditional thermal conduction model; while for ultrashort pulses, it can substitute for the standard two- temperature model. As an example of the gold target, we get the dependence of the electron and ion temperature evolvement on the time and position by solving the thermal conduction equation using the finite-difference time-domain （FDTD） method. It is in good agreement with experimental data. We obtain the critical temperature of the onset of ablation using the Saha equation and then obtain the theoretical value of the laser ablation threshold when the laser pulse width ranges from nanosecond to femtosecond timescale, which consists well with the experimental data.     

强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究

采用喷砂、磨砂、镀金表面处理工艺得到了铝靶的激光能量耦合系数。从经典傅里叶热传导方程出发,建立了强激光辐照铝靶下铝靶温度场分布数值模拟理论模型。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升。开展了铝靶强激光辐照验证实验,利用热电偶实际测量得到了辐照激光光斑中心对应的铝靶背表面最大温升,该实验结果与计算结果吻合较好。对铝靶前表面的烧蚀形貌进行了分析,与理论计算的温度场分布情况相符合,验证了数值模拟的有效性。     

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。     

纳秒和飞秒激光烧蚀单晶硅的超快诊断

为了研究强激光烧蚀单晶硅的超快动力学过程,采用超快时间分辨光学诊断技术,对比研究了纳秒和飞秒脉冲激光烧蚀单晶硅样品表面的动态过程,获得了冲击波、等离子体和物质喷发的产生与演化过程的时间分辨图像.对于纳秒激光,当延迟时间为200ns~300ns时,观察到物质喷发现象出现,此时喷发物为气液混合物,当延迟时间为1060ns时,喷发物为小液滴;对于飞秒激光,当延迟时间为1ns~2ns时,观察到物质喷发现象出现,喷发物为等离子体.结果表明,在样品表面,纳秒激光与飞秒激光烧蚀单晶硅的动态过程有显著的不同,特别是物质喷发时间、喷发物的状态与尺寸;纳秒和飞秒激光辐照单晶硅表面引起的物质喷发都是不连续的,在激光烧蚀单晶硅引起表面物质喷发的过程中,不同的作用时间由不同的烧蚀机制主导.该结果对深入研究激光与单晶硅相互作用机制及激光刻蚀单晶硅等应用有一定帮助.