基于电子动态调控的飞秒激光脉冲序列诱导的材料改性研究

发布时间：2017-09-30 08:28

  本文关键词：基于电子动态调控的飞秒激光脉冲序列诱导的材料改性研究

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【摘要】：飞秒激光因其极高的峰值强度和极短的脉宽,在材料的精细加工方面具有难以比拟的优势。通过改变飞秒激光脉冲能量的时间分布,可以得到包含多个子脉冲的飞秒激光脉冲序列。通过调整飞秒激光脉冲序列的子脉冲个数、子脉冲间隔时间、脉冲能量密度以及各子脉冲之间的能量分配比,可以实现对材料内部的瞬时局部自由电子动态的调控,从而改变材料的物理化学性质。本文的主要研究工作和创新点总结如下:(1)利用飞秒激光脉冲序列辐照及后续化学酸蚀的方法,实现了在熔融石英样品表面高效率、高质量的凹形微阵列结构加工。研究发现,在其他实验条件均相同的情况下,相比于传统的飞秒激光单脉冲,飞秒激光脉冲序列可以将后续酸蚀效率提高37倍。(2)通过改变上述加工方法中飞秒激光脉冲序列的子脉冲间隔时间、脉冲能量密度以及各子脉冲之间的能量分配比等加工参数,可以控制凹形微阵列结构的形貌,提高了加工的灵活性和可控性。实验结果表明,对于上述飞秒激光脉冲序列诱导的酸蚀增强的加工方法,获得最大酸蚀速率的最优脉冲间隔时间为350 fs,最优子脉冲能量分配比为1:1。(3)利用显微拉曼测量绘制出了原始材料以及不同参数飞秒激光脉冲辐照区域的显微拉曼谱,对经飞秒激光脉冲改性后材料内部的结构进行了表征。通过对熔融石英内部不同环数Si O键对应的拉曼峰的峰面积统计计算,发现相比于传统的飞秒激光单脉冲,飞秒激光脉冲序列辐照后的区域内部Si O三环结构所占比例明显增大。由于这种三环结构更容易在化学反应中被HF酸破坏,所以验证了飞秒激光脉冲序列对后续酸蚀的强烈增强作用。(4)利用等离子体模型对实验结果进行了计算,从理论角度阐释了飞秒激光脉冲序列辐照后造成化学酸蚀增强的原因:由于飞秒激光脉冲序列对材料内部自由电子密度的调控,改变了材料瞬时局部的物理性质,使得熔融石英的反射率瞬时增大,对激光光场造成了重整,并对光电子的相互作用产生了强烈的影响,光子吸收效率因此大大增强,造成了熔融石英内部Si O化学键的明显变化。最终使得改性区域的材料与HF酸的化学反应显著增强。(5)利用上述飞秒激光脉冲序列辐照及后续化学酸蚀的方法实现了熔融石英表面大面积、高质量的微透镜阵列的制备。
【关键词】：飞秒激光脉冲序列 电子动态调控 化学酸蚀 熔融石英 显微拉曼
【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5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 飞秒激光的发展及应用11-12
• 1.1.2 飞秒激光与物质相互作用机理12-14
• 1.2 研究的意义及国内外研究现状14-20
• 1.2.1 研究的意义14-15
• 1.2.2 国内外研究现状15-20
• 1.3 研究的主要内容20-22
• 第二章 飞秒激光实验系统22-31
• 2.1 飞秒激光加工平台22-25
• 2.2 飞秒激光脉冲序列的产生和测量25-30
• 2.2.1 产生飞秒激光脉冲序列的常用方法25-27
• 2.2.2 飞秒激光脉冲整形器的脉冲整形原理27-28
• 2.2.3 飞秒激光脉冲序列的参数设置及测量28-30
• 2.3 加工后微结构形貌的表征30-31
• 第三章 飞秒激光脉冲序列诱导的化学酸蚀增强的实验研究31-40
• 3.1 子脉冲个数对后续化学酸蚀增强的影响31-34
• 3.2 脉冲间隔时间对后续化学酸蚀增强的影响34-37
• 3.3 激光通量对后续化学酸蚀增强的影响37
• 3.4 脉冲能量分配比对后续化学酸蚀增强的影响37-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 基于电子动态调控的材料内部改性的机理研究40-60
• 4.1 熔融石英内部化学结构的变化及酸蚀反应机理40-43
• 4.1.1 熔融石英原本内部化学结构的特点40-41
• 4.1.2 飞秒激光诱导的内部结构变化41-42
• 4.1.3 熔融石英化学结构变化对酸蚀反应的影响42-43
• 4.2 材料内部化学结构的表征43-49
• 4.3 电子动态调控理论49-51
• 4.4 飞秒激光与电介质相互作用的多尺度模型51-53
• 4.5 基于等离子体模型的理论计算53-58
• 4.6 本章小结58-60
• 第五章 飞秒激光脉冲序列诱导的材料改性的应用60-65
• 5.1 高质量微透镜阵列的快速制造60-61
• 5.2 微透镜阵列的主要参数测试61-64
• 5.3 本章小结64-65
• 结论与展望65-67
• 参考文献67-80
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单80-81
• 致谢81

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