超快激光加工的多尺度建模及实验研究

发布时间：2018-04-17 23:16

本文选题：超快激光 + 微纳制造　；参考：《北京理工大学》2016年博士论文

【摘要】：超快激光微纳制造是一个前沿的研究领域。不同于传统激光加工,超快激光加工是一个从飞秒到纳秒、从纳米到微米的多尺度过程,引发出多种全新的物理现象,如多光子电离、隧道电离等多种电离机制,库仑爆炸、相爆炸等多种相变机制。为了描述和理解此过程发生的现象,需要多个尺度的模型来解释。飞秒激光的脉宽,大大短于电子-晶格弛豫时间,激光的能量吸收在晶格变化前已完成,电子与晶格处于非平衡状态,激光与材料相互作用过程(包括相变和加工结果),决定于激光与电子相互作用过程;也就是说,飞秒脉宽时间内的光子与电子的相互作用,已决定了后续毫秒甚至秒时间尺度的所有过程。因此,对飞秒激光加工的调控必须通过飞秒激光辐照过程中对电子动态的调控来实现。为了解释电子激发的非线性效应,引入了量子力学来求解电子激发过程;为了和实验值相对比,引入了等离子体模型计算加工深度;为了解释相变现象,引入流体动力学模型来求解离子的运动过程。首先使用了来源于薛定谔方程的密度泛函理论来计算原子、分子和各种周期性材料的电子激发和能量吸收过程,主要的研究工作和成果为:1)使用密度泛函理论计算铁原子-石墨烯系统的性质。首先计算了铁原子吸附在石墨烯单层上的位置,经过定量分析发现铁原子吸附在碳原子构成的六边形中心最稳定;其次用两种不同的方法计算了铁原子-石墨烯系统的态密度和磁矩,发现两种方法的结果吻合得非常好;而后计算了铁原子-石墨烯系统在激光辐照下离化电子的特性,发现随着激光电场角度的增加,激发的自旋电子数减小,而自旋极化率先减小后增加,随着脉冲通量增加,无论自旋下还是自旋上的离化电子数目都增加,但是自旋极化率下降。因此,选择特定的激光参数,可以控制铁原子-石墨烯系统的电子离化数或者自旋极化率,预测铁原子-石墨烯系统可以用作自旋极化源。2)使用密度泛函理论首次计算了alpha-石英的多光子电离吸收横截面。在超快激光作用介质材料时,多光子电离是电子激发的重要来源之一,其为后续的雪崩电离提供了种子电子。但是多光子吸收横截面的大小一直缺乏理论计算,也难以与实验结果直接对比。因此采用了含时密度泛函理论作为工具,计算了alpha-石英的多光子吸收横截面,这对材料光吸收的研究有重要意义。在计算多光子电离吸收横截面时,计算alpha-石英的禁带宽度是关键因素,决定着后面计算的准确性。因此,采用了MBJLDA交换势和LDA关联势,计算的alpha-石英的禁带宽度非常接近实验值,说明了计算的准确性。在此基础上,用含时密度泛函理论计算了alpha-石英在不同激光强度下的激发电子数。随后,在双对数坐标下用直线拟合了计算结果,发现直线的斜率为6,对应着波长800nm激光激发禁带宽度9.3eV的alpha-石英需要6个光子。而后,我们用电子激发数计算了alpha-石英的多光子电离吸收横截面。为了验证密度泛函计算的结果,采用等离子体模型计算了加工深度随激光强度的变化,和加工阈值随脉冲宽度的变化,发现和实验结果吻合得很好。这一方法开创了密度泛函理论和等离子体模型的一个结合点,为以后更深度的融合打下了基础。3)使用流体动力学模型,计算了金薄膜的吸收性质和加工阈值。首先,可以发现激光能量较高时,流体动力学模型计算的金的吸收率随激光能量的变化与实验值相吻合,但是激光能量较低时,两者相差较大。经过分析,我们认为电子-离子碰撞频率的基础模型并不适用于金的情况,因为此模型的基础是自由电子气,在计算与自由电子气态密度近似的金属铝时有很好的效果,但是金的态密度和自由电子气有加大差异,所以我们对原碰撞频率进行了改进。用改进后的模型计算了金的加工阈值随脉冲宽度的变化,与实验值相吻合。传统结论认为当脉冲宽度短于200ps时,金薄膜的加工阈值不随脉冲宽度变化,我们的结论修正了这一结果,首次发现了金薄膜的加工在短脉冲时的变化规律。上述模型很好地解决了一些问题,能够指导实验设计,推进人们对超快激光加工机理的认知深度。虽然上述模型取得了一些成功,但是依然存在一些问题,各个模型的耦合度较低,只能够把一些模型的结果用作另一些模型的参数,而不能够直接融合多种模型,发挥出整体的优势。本论文研究内容主要在科技部973计划项目(激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究,项目编号:2011CB013000)、国家自然科学基金项目(纳米尺度电子动态调控的超快激光微纳米加工新方法,项目编号:91323301)等科研项目支持下完成,发表SCI论文五篇(其中第一作者两篇)和国际特邀报告两篇。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665

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