超快激光制造技术实验教学平台的建设与探索

加强实践训练与创新意识培育是高等工程教育不可或缺的组分,在培育创新思维意识的过程中需借助实验教学。考虑到光电信息科学与工程专业在理论技术性方面和实践性方面都有较高的要求,加之理论知识更新速度快,文中设计了超快光纤激光制造技术实验教学平台,深入研究了以硫化铅量子点为基础的可饱和吸收体对超快光纤激光器的核心性能参数产生的影响。该综合实验涵盖了材料制备及表征、可饱和吸收体研制、超快激光系统搭建及测试等环节,实验内容层次递进、全面丰富,促使学习者灵活掌握各项知识点,同时可以提升学习者的工程实践与创新能力。

电子动态调控超快激光微纳制造

超快激光是指脉宽短于10 ps的激光,在制造过程中其作用时间、功率密度等趋于极端,具有超强(也就是非线性)、超快(也就是非平衡态)的独特优势。本研究提出了电子动态调控的核心思想。电子动态决定了材料的所有特性,包括它的光学、热力学、磁学、化学、电学特性等。超快激光的加工决定于光子与电子相互作用过程。超快激光脉冲可以激发、电离电子,从而改变辐照过程中的局部瞬时电子动态。在超快激光辐照过程中,电子密度的变化可以达到几个甚至上十个数量级,如此巨大的电子密度的变化使材料的瞬时局部特性也发生了巨大的变化。在超快激光辐照非金属过程中,辐照区域的非金属可呈很强的金属态,它的反射率从原来的接近于零变成了零点九几。这样强烈的材料瞬时局部特性的变化对激光光场进行了显著重整:激光在达到自由电子临界密度之前是高斯分布;当自由电子密度达到临界密度之后,多数光都被反射了。所以,我们通过设计激光光场时空分布以调节光子与电子的相互作用过程。当我们将一个超快激光脉冲分成两束来调节子脉冲间的延迟,就可以调节电子电离过程,从而改变瞬时局部状态。此时仅仅调节一个简单的参数——子脉冲间的延迟,就可以使自由电子的密度分布产生巨大变化。在不同延迟下,峰值自由电子密度变化非常的剧烈。相应的,在不同延迟下材料的瞬时局部特性变化也非常大。同样的,通过调整延迟,激光能量的吸收情况分布变化也非常大。所以,通过改变脉冲延迟,可使自由电子密度、材料的瞬时局部特性、激光透射能量分布等产生巨大变化。通过超快脉冲时空整形,调控电子-电子相互作用过程,进而局部调控电子瞬时状态(密度温度激发态分布等),从而调控材料瞬时局部特性,进而调控材料相变过程,实现全新的目标制造方法。我们建立了超快激光与材料相互作用的多尺度量子理论模型,提出了电子动态调控超快激光微纳制造新方法,通过设计超快激光能量时域及空域分布,调控加工过程中的能量吸收、传递及材料相变过程,进而提高加工质量、精度。此外,搭建了多时间尺度电子动态实时观测系统,观测超快激光微纳加工过程中的材料瞬时局部折射率、等离子体强度等,优化加工参数,实现了对局部瞬时电子动态的主动调控,并应用于国家重大需求关键核心构件的加工工艺中,开启了电子层面调控的新机理和新方法研究。