飞秒激光辐照金属的超快电子行为研究

发布时间：2017-12-07 05:06

  本文关键词：飞秒激光辐照金属的超快电子行为研究

  更多相关文章： 飞秒激光 电子发射 库仑爆炸 激光诱导等离子体等离子体温度和电子密度

【摘要】：超短脉冲激光与固体表面相互作用一直以来都是人们关注的热点问题,随着激光技术的迅猛发展,激光与物质相互作用已经逐步走出实验室,越来越多的应用到生物、医疗、国防、考古、生产制造等诸多领域当中。面对实际应用中不断提高的技术要求,更全面透彻的理解激光与物质表面相互作用的相关过程是研究者们面临的重要课题。在激光与物质相互作用过程中,涉及到的能量转移是极为复杂的,整个作用过程中存在着电子发射、电离、熔化、汽化、相爆炸、库仑爆炸等现象。这些现象更是根据不同的入射激光参数和样品的物理特性有着不同的表现。因此,深入研究激光与物质相互作用,解释物理过程及物理机制,可以更好的为实际应用提供理论基础。本文对激光与固体物质相互作用的国内外研究现状及存在问题进行了回顾,研究对象包括了金属材料、半导体材料及电介质材料,激光的脉宽范围也囊括了纳秒、皮秒和飞秒量级。在前人研究的基础上,我们通过理论方法和实验手段对飞秒激光脉冲辐照金属材料进行了一系列的研究。主要工作和创新结果包括以下几个方面：1.对飞秒激光脉冲辐照金属材料诱导产生的电子发射进行了理论研究。通过构建理想的双层结构,研究衬底材料的热物理参量对上层材料表面电子发射的影响；对金属铜和以铜作为上层、金或铬作为衬底的双层金属结构的电子发射进行模拟计算并对比分析,计算得到的结果显示双层结构对铜表面的电子发射有非常大的影响。相比于单层金属的电子发射,在相同的飞秒激光能量辐照下,双层结构可以很好地缩短上层电子温度的弛豫时间,进而减小热电子发射的拖尾现象来优化电子发射,随着入射激光能量的增大,双层结构的优化效果更显著。为优化电子发射提供了理论方法,并扩充了飞秒激光诱导超快电子束源的理论基础。2.利用数学模型模拟了在外加电场的条件下,飞秒激光辐照金膜引起的热电子发射。通过在描述热电子发射的Richardson方程中增加空间电荷效应及外加电场的影响,得到电场增强的热电子发射。计算结果表明,外加电场相当于降低了金属表面势垒来实现对金属表面热电子发射的影响。在相同的飞秒激光能量密度下,外加电场条件下的热电子发射效率显著提高。研究结果有助于了解激光诱导电子发射的机制,为提高超快电子发射提供方案。3.利用数学模型计算了飞秒脉冲激光辐照金属样品时发生的烧蚀过程。得到飞秒激光烧蚀金属材料时存在库仑爆炸的结论。分别研究了热烧蚀和库仑爆炸对烧蚀深度的影响,通过对比理论计算和实验得到的结果,发现只考虑热烧蚀的理论模型仅在高入射激光能量密度时才与实验结果符合的很好；而考虑了库仑爆炸参与的理论模型可以在低入射激光能量密度时与实验结果有很好的一致性。因此库仑爆炸更恰当地解释了在低入射激光能量密度时烧蚀的物理机制。4.采用飞秒激光脉冲在不同预加热温度条件下对铜进行辐照,得到飞秒激光诱导铜等离子体光谱强度随预加热温度的变化。同时,利用双温模型对飞秒激光辐照铜的过程进行了理论模拟。发现样品的预加热温度从室温295K升高到393 K时,实验得到的等离子体温度与模型计算得到的晶格温度都相应的增加了约100 K。得出对烧蚀样品进行预加热可以使样品的烧蚀阈值降低,从而使等离子体的光谱强度增强的结论。为飞秒激光诱导击穿光谱(LIBS)探测技术灵敏度的提高与探测极限的降低提供了方法及理论指导。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG111.1;TN24

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