Si 3 N 4 陶瓷纳皮秒双脉冲激光复合加工技术研究

发布时间：2022-12-23 19:13

　　氮化硅陶瓷可以用于增强半导体等器件性能,常用脉冲激光的加工方式进行材料表面微结构的制备,但激光的实际加工效果和效率的限制了其应用。随着激光微纳加工领域的发展,复合多种类型激光进行加工正在形成一种新的技术研究方向,将纳秒和皮秒激光耦合进行加工作为一种新型加工技术,结合纳秒与皮秒激光的加工优势,具有广泛的应用前景。本文针对相应的激光特性,分析了纳皮秒激光的双脉冲能量耦合模型及其与材料的相互作用过程,研究了纳皮秒双脉冲激光蚀除材料的行为。首先,本文研究了纳秒和皮秒单脉冲激光与氮化硅陶瓷的能量传递过程,建立了相应的理论模型并进行了数值仿真,揭示了纳秒和皮秒单脉冲激光辐照下氮化硅陶瓷物理性质的演变规律,分析不同类型激光的加工特点。随后提出了纳秒和皮秒激光的耦合方法并建立了相应的双脉冲激光能量耦合模型,通过仿真探究了纳皮秒双脉冲激光耦合作用下的材料光学热学性质的演变规律,对比仿真结果中纳秒和皮秒单脉冲激光蚀除材料过程中的材料物理性质的变化,分析了皮秒脉冲的作用对氮化硅陶瓷的物理性质的调控机制,并进行了相关的蚀除实验,对比分析仿真模型的与实验结果的差异。最后,在理论和仿真的研究基础上,对理论模型进行... 

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题的来源
    1.2 课题背景及研究的目的和意义
    1.3 国内外在该方向的研究现状及分析
        1.3.1 脉冲激光蚀除机理
        1.3.2 激光与材料的能量传递模型
        1.3.3 单脉冲激光刻蚀加工
        1.3.4 双脉冲激光耦合加工
    1.4 国内外研究现状综述
    1.5 课题主要研究内容
第2章 纳秒/皮秒单脉冲激光辐照Si_3N_4陶瓷的基础理论与仿真分析
    2.1 引言
    2.2 纳秒激光的能量传递模型
    2.3 皮秒激光的能量传递模型
        2.3.1 皮秒激光功率密度的高斯分布模型
        2.3.2 自由电子浓度的演变模型
        2.3.3 材料光学性质的演变模型
        2.3.4 电子/晶格温度的双温模型
    2.4 纳秒/皮秒单脉冲激光数值仿真的建立
    2.5 纳秒激光与Si_3N_4陶瓷的能量传递过程分析
    2.6 皮秒激光与Si_3N_4陶瓷的能量传递过程分析
        2.6.1 皮秒激光的功率密度
        2.6.2 等离子体的演变过程
        2.6.3 电子/晶格的温度变化
        2.6.4 Si_3N_4陶瓷的蚀除形貌
    2.7 本章小结
第3章 纳皮秒双脉冲激光辐照Si_3N_4陶瓷的仿真分析与实验验证
    3.1 引言
    3.2 纳皮秒双脉冲激光的能量耦合模型
        3.2.1 纳皮秒双脉冲激光的能量耦合机制
        3.2.2 纳皮秒双脉冲激光数值仿真的建立
    3.3 纳皮秒双脉冲激光作用Si_3N_4硅陶瓷的仿真分析
        3.3.1 皮秒单脉冲作用与纳皮秒双脉冲耦合作用对比分析
        3.3.2 纳秒单脉冲作用与纳皮秒双脉冲耦合作用对比分析
        3.3.3 纳皮秒双脉冲耦合作用的蚀除过程分析
    3.4 仿真模型的实验验证
        3.4.1 仿真和实验的验证方法
        3.4.2 仿真模型的准确性验证
        3.4.3 仿真模型的可靠性验证
    3.5 本章小结
第4章 纳皮秒双脉冲激光加工的参数优化分析
    4.1 引言
    4.2 纳皮秒双脉冲激光的仿真优化
    4.3 纳皮秒双脉冲激光的不同延时参数仿真分析
        4.3.1 不同延时参数作用下Si_3N_4陶瓷的吸收率
        4.3.2 不同延时参数作用下Si_3N_4陶瓷吸收纳秒激光的温度变化
        4.3.3 不同延时参数作用下Si_3N_4陶瓷的蚀除形貌
    4.4 纳皮秒双脉冲激光的单脉冲能量仿真分析
        4.4.1 皮秒激光单脉冲能量的数值仿真
        4.4.2 纳秒激光单脉冲能量的数值仿真
    4.5 纳皮秒双脉冲激光的能量配比仿真分析
    4.6 纳秒激光耦合皮秒脉冲序列仿真分析
        4.6.1 自由电子的浓度变化
        4.6.2 Si_3N_4陶瓷吸收纳秒/皮秒激光的温升
        4.6.3 Si_3N_4陶瓷的总温升与蚀除形貌
    4.7 纳皮秒双脉冲激光的扫描速度仿真分析
    4.8 本章小结
结论
参考文献
致谢


【参考文献】：
期刊论文
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[3]355nm纳秒和1064nm皮秒激光加工蓝宝石研究[J]. 边晓微,陈檬,李港.  激光与光电子学进展. 2016(05)
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博士论文
[1]皮秒激光刻蚀冷作模具钢工艺、机理及质量调控研究[D]. 吴宝业.华中科技大学 2018
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硕士论文
[1]基于纳飞秒双束激光的蓝宝石微细加工技术研究[D]. 张帅.哈尔滨工业大学 2018
[2]组合脉冲激光致单晶硅热力作用的数值计算[D]. 钟发成.南京理工大学 2017
[3]长脉冲与短脉冲激光联合作用铝合金靶材损伤特性研究[D]. 王耀德.长春理工大学 2017
[4]SiO2和Si3N4薄膜的PECVD沉积及在半导体光电子器件中的应用研究[D]. 张檀威.北京邮电大学 2010
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本文编号：3725274