超快激光调控材料电子动力学和状态特性的理论研究

发布时间：2017-03-22 02:12

  本文关键词：超快激光调控材料电子动力学和状态特性的理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞秒激光(151fs 10 s-?)具有脉冲时间很短、功率很高、能量很大的特点,因而可以在各种材料上实现精度高、速度快、热影响区域小的非热熔性加工。阿秒激光(181as 10 s-?)的持续时间比飞秒激光更短,其可以在电子运动的迟豫时间内实现对电子运动的直接调控。当激光强度达到12 210 W/cm时,非线性吸收在电子的电离机制中占主导地位,电子主要通过多光子电离、雪崩电离和隧道电离被激发。强场电离使得人们有机会通过调控超快超强激光的功率密度分布实现对电子的动态调控。超快超强激光加工是一个从飞秒到微秒、从纳米到微米的复杂的非线性多尺度的过程,对应于不同时间尺度的激光与物质的相互作用过程,需要选用不同的理论和模型进行描述。在探索飞秒量级的激光与物质的作用机制时,人们需要引进量子力学以对光子吸收过程进行研究。含时密度泛函理论由于其在计算精度和计算时间上的独特优势,目前已成为研究多电子系统中的非线性电子动力学的唯一有效的方法。本文利用含时密度泛函理论发展了使用超快超强激光调控电子动力学的理论研究,主要工作包括:(1)椭圆极化飞秒激光调控电子动力学研究椭圆极化飞秒激光作用下的铝块材的电子的电离机制和密度分布情况,提出了影响电子电离率的三个主要因素,并对比了这三个因素的影响力的大小程度。(2)飞秒激光与阿秒激光协同调控电介质的电导率研究复合激光调控电介质的电学性质的机理。使用阿秒激光与飞秒激光的协同作用作为“光开关”,在阿秒尺度内显著地提高了金刚石电导率,将目前实验室条件下的场效应管的最高响应频率提高了3个数量级。(3)双飞秒激光调控电介质的击穿过程研究双飞秒激光的协同作用下的金刚石的击穿过程的电子动力学。通过模拟金刚石击穿过程中的材料的极化率和诱导极化电流的演化,提出了两个判断材料是否被击穿的新标准。
【关键词】：超快超强激光 电子动态调控 第一性原理计算 含时密度泛函理论
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究的目的和意义10-11
• 1.2 超快超强激光调控电子动力学的作用机制11-13
• 1.2.1 飞秒激光与物质的相互作用机制11-13
• 1.2.2 阿秒激光与物质的相互作用机制13
• 1.3 超快超强激光调控电子动力学和材料性质的研究现状13-15
• 1.4 超快超强激光与材料的相互作用的多尺度模型15-17
• 1.5 主要研究内容17-19
• 第2章 理论方法19-36
• 2.1 电子计算理论的发展19-24
• 2.1.1 玻恩-奥本海默近似（Born-Oppenheimer Approximation）19-20
• 2.1.2 哈特利-福克近似（Hartree-Fork Approximation）20-21
• 2.1.3 组态相互作用（Configuration Interaction）21-24
• 2.2 密度泛函理论24-29
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理24-27
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn方程27-29
• 2.3 含时密度泛函理论的发展和挑战29-32
• 2.3.1 Runge-Gross定理29-30
• 2.3.2 含时Kohn-Sham(TDKS)方程30-32
• 2.4 含时密度泛函理论下的激光作用理论32-36
• 第3章 椭圆极化飞秒激光调控金属的电子动力学36-49
• 3.1 Al的晶格结构和椭圆极化飞秒激光的参数设定36-39
• 3.2 椭圆极化飞秒激光的长轴方向对电子激发和吸收能的影响39-41
• 3.3 椭圆极化飞秒激光的能量分布对电子激发和吸收能影响41-44
• 3.4 椭圆极化飞秒激光的长轴方向和能量分布对电子的激发率和吸收能的协同调控44-48
• 小结48-49
• 第4章 飞秒激光与阿秒激光协同调控电介质的电导率49-61
• 4.1 金刚石的晶格结构和激光的参数设定49-50
• 4.2 飞秒激光调控电介质的电导率50-51
• 4.3 阿秒激光调控电介质的电导率51-53
• 4.4 飞秒激光与阿秒激光协同调控电介质的电导率53-60
• 小结60-61
• 第5章 双飞秒激光调控电介质的击穿过程61-69
• 5.1 双飞秒激光的参数设定和击穿阈值的测定61-62
• 5.2 电介质击穿过程中的极化率的演化62-65
• 5.3 电介质击穿过程中的诱导电流的演化65-67
• 小结67-69
• 结论69-71
• 参考文献71-75
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单75-76
• 致谢76

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