利用啁啾飞秒激光脉冲调控金薄膜中传输表面等离激元的群延迟色散

准确评估与灵活调控表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPP)的传输特性对基于等离激元效应设计的高速-小型化器件具有重要意义.本文从理论上推导了SPP在不同厚度金膜表面传播的群速度色散.当金膜厚度小于40 nm时,随着膜厚度的增大,SPP的群速度色散显著减小;金膜厚度为40-60 nm时,SPP的群速度色散下降趋势变缓,并在厚度大于60 nm后保持恒定.利用时域有限差分方法,数值模拟了不同传播距离下SPP的电场时间演化.通过比较不同传输距离下SPP近场强度与入射光色散量的关系确定SPP的群速度色散,并得到接近理论推导的结果,进而提出利用负啁啾脉冲激发SPP来补偿传输中产生的群延迟色散,实现不同传输距离SPP场振幅、脉宽的调控.此外,利用定制的SPP激发金属纳米天线,通过调控入射脉冲色散量与SPP在金膜中传播产生群延迟色散的传播特性相结合的手段,实现在纳米信号接收器中热点位置的fs时间灵活时空相干控制.这对于利用等离激元效应设计和控制微型片上集成系统具有重要意义.

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。

关于将飞秒脉冲激光用于纳米金属薄膜传导系统的研究

本文是利用渐近方法求解一类飞秒脉冲激光纳米金属薄膜传导非线性扰动系统,并讨论该非线性系统对应解的渐近性态.首先,求出了退化问题的解.其次,构造一个泛函,计算它的广义变分,令其变分为零.从而得到了Lagrange乘子.然后利用变分原理,构造出一个广义变分迭代式.因此,可依次求出相应系统解任意次精度的渐近展开式.同时,利用泛函分析变分原理,论述了相应展开式的一致收敛性.并举出了相应的例子,得到了它的渐近解并通过模拟方法给出了其解的曲而图形.通过本文的研究,证实了对纳米金属薄膜传导这类非线性扰动系统的求解方法简单有效,并具有一般意义和广泛的应用前景.

太瓦飞秒脉冲激光峰值功率测量装置及测量不确定度分析

超短超强脉冲激光(飞秒强激光)具有极高的峰值功率,在激光惯性约束聚变、高能物理、激光微加工等领域具有广阔的应用前景。飞秒脉冲激光峰值功率是评价超短超强脉冲激光系统性能的重要参数。介绍了基于光谱相位相干直接电场重构法的太瓦量级飞秒脉冲激光峰值功率测量方法、测量装置组成和工作原理,搭建了一套太瓦量级的飞秒脉冲激光峰值功率测量装置,分析和讨论了影响太瓦激光峰值功率测量结果的测量不确定度分量来源和主要因素。测量峰值功率的重复性为2.9%,测量不确定度达到17.6%(k=2),有效解决了太瓦量级飞秒激光峰值功率测量问题。

飞秒脉冲激光沉积Si基α轴择优取向的钛酸铋铁电薄膜及Ⅰ-Ⅴ特性研究

采用飞秒脉冲激光沉积系统,在Si(111)衬底上制备了a轴和c轴择优取向的Bi4Ti3O12薄膜．X射线衍射(XRD)表明:室温(20℃)下沉积的Bi4Ti3O12／Si(111)薄膜呈c轴择优取向,晶粒的平均直径为20nm．在500℃沉积的Bi4Ti3O12／Si(111)薄膜呈a轴择优取向．测量了薄膜的电滞回线和Ⅰ-Ⅴ特性曲线,并用分布参数电路研究了Bi4Ti3O12薄膜的,Ⅰ-Ⅴ特性曲线和铁电性的关联性．a轴择优取向Bi4Ti3O12薄膜的剩余极化强度Pr=15μC／cm2,矫顽力Ec=48kV／cm．

单脉冲和多脉冲飞秒激光对单层光学薄膜的损伤

利用掺钛的蓝宝石飞秒激光系统输出的单脉冲和多脉冲飞秒激光(中心波长800 nm,脉宽50fs,靶面聚焦直径40μm),分别对BK7玻璃基底上厚约500 nm的单层HfO2和单层ZrO2薄膜进行辐照,得到了这两种薄膜在1-on-1和1 000-on-1测试方法下的激光损伤阈值。实验发现,两种方法下HfO2单层膜的阈值均比ZrO2单层膜的阈值高。从简化的Keldysh多光子离化理论出发,认为HfO2薄膜材料的带比ZrO2的宽是导致上述结果的主要原因。同时,同一种薄膜的多脉冲下的阈值比单脉冲下的低,原因是多脉冲下,飞秒激光对光学薄膜的损伤存在累积效应。

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×10^(17) W/m^2的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。

飞秒多脉冲激光烧蚀金属过程中的能量剩余现象

提出了描述整个飞秒多脉冲激光烧蚀过程的物理模型,模型考虑了多脉冲烧蚀的新的特点,考虑靶材吸收率随温度的变化和蒸发效应,建立了激光烧蚀不同阶段的热传导方程,给出了相应的定解条件。以金靶材为例,利用有限差分法,求解了热传导动力学方程,分别给出单脉冲和多脉冲作用下相应的靶材电子和离子亚系统的温度演化图像,及多脉冲激光作用下能量剩余系数和脉冲个数的变化规律,发现理论曲线与相应的实验数据吻合较好。研究结果充分证明多脉冲激光烧蚀过程中剩余能量的存在。

飞秒激光脉冲作用熔石英的超快传热动力学研究

飞秒激光具有超短脉冲宽度、超高峰值功率的特点,飞秒激光与物质作用表现出的非线性吸收和低热扩散特性,使其在高精密微纳器件加工中有着重要的应用前景。建立了针对飞秒激光脉冲与熔石英作用的瞬态光电离以及非平衡传热的超快动力学模型。通过数值求解该模型获得了飞秒激光单脉冲作用熔石英的载流子密度和非平衡电子与声子温度的时空演化;得到了在非平衡态条件下,电声耦合时间随激光能量密度、脉冲宽度的近线性调控规律。进一步研究得到了瞬态电子热导、热容、电声耦合系数的变化规律,并对上述模拟现象进行了分析和探讨。

飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对合金的定量分析

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术几乎不受聚变环境中的强磁场影响,是一种最有希望实现托卡马克装置中面向等离子体材料(Plasma facing materials,PFMs)原位在线诊断的技术,已被用于多个托卡马克PFMs壁诊断。然而,LIBS技术对PFMs表面元素的探测限、定量分析以及PFMs的服役状态判定依旧面临很大挑战。采用同轴飞秒-纳秒激光协同技术,建立了飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(fs-ns-DP-LIBS)技术,通过高峰值功率、低激光能量的飞秒激光诱导等离子体,再用纳秒激光增强常规单脉冲LIBS技术信号发射强度,进而提升常规单脉冲LIBS的探测灵敏度,同时结合6种合金标准样品,采用fs-ns-DP-LIBS技术对样品中的主要元素进行了定量分析,并进一步结合机器学习方法对6种合金进行种类判别。结果显示:在纳秒单脉冲和飞秒单脉冲LIBS检测中,Ni、Fe和Mo在400~800 nm波段没有观察到明显特征峰,仅观察到Cr的特征峰;在飞秒-纳秒脉冲间2μs延时,NiⅠ498.02 nm、FeⅠ517.16 nm、FeⅠ523.85 nm、MoⅠ588.83 nm和MoⅠ603.07 nm均被激发,且Cr的特征峰强度增强明显;并且相比对纳秒单脉冲LIBS技术,Cr的信号强度提高约7倍。定量分析结果显示,fs-ns-DP-LIBS技术绘制的定标曲线拟合度(R ^(2))更高,且Cr的探测限提高约3.5倍。进一步采用决策树、最近邻、线性判别和支持向量机等算法对6种合金进行了分类研究,线性判别和支持向量机的分类预测准确率大于99%。研究有望为原位LIBS技术诊断PFMs壁表面元素、定量分析及其服役状态判定提供检测方法。

飞秒激光加热多层金属薄膜的热响应

采用微观双曲两步热传导模型,研究了飞秒脉冲激光加热过程中多层金属薄膜的热响应。利用界面连续条件,推得三层金属薄膜各层薄膜内电子温度和晶格温度在拉普拉斯域内的解析表达式。通过拉普拉斯数值反变换,计算并绘制了100nm单层Au膜和34nmAu/33nmCr/33nmAu三层膜在飞秒脉冲激光加热过程中各层薄膜内电子温度和晶格温度沿薄膜厚度的分布曲线。数值结果表明,激光加热过程中不仅电子与晶格之间存在强烈的非平衡热行为,不同金属材料薄膜界面上金属晶格温度也具有急剧的非平衡行为。同时讨论了多层薄膜温度分布特点及其与薄膜材料参数的关系。

飞秒脉冲激光冲击强化中等离子体压力时空演化规律

为研究飞秒脉冲激光冲击强化中等离子体压力时空演化规律,利用考虑电子态密度(DOS)效应的模型计算了电子热容和电声耦合系数随电子温度的演化规律,并与采用QEOS(quotidian equation of state)模型计算结果进行了对比;提出DOS飞秒脉冲激光冲击强化模型,计算得到电子温度、晶格温度、等离子体羽位置时间演化规律和等离子体压力时空演化规律,并与QEOS飞秒脉冲激光冲击强化模型结果进行了对比。结果表明:DOS飞秒脉冲激光冲击强化模型计算得到的等离子体羽位置随时间的演化规律与实验结果吻合程度更好;增加激光能量或功率密度、考虑电子DOS效应会增加电子、晶格温度和等离子体压力。

飞秒激光辐照下金属薄膜材料的热力响应

考虑到金属材料热导率、弛豫时间、电子-晶格耦合系数等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,数值求解了飞秒激光辐照金属薄膜的超快热弹性模型,分析了飞秒激光辐照200nm铜膜时温度场和应力场的变化规律。结果表明:电子热导率和电子-晶格耦合系数对温度场变化有较大影响;在超快加热早期,热电子崩力在金属薄膜表面附近迅速达到峰值,后期急剧减小的热电子崩力和逐渐增大的晶格温度梯度共同决定了薄膜体系中应力场的变化。

飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

目的揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果激光能量密度在0.62~10.48 J/cm^(2)时,Si富集区域形成凹陷结构,SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS),周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加,凹陷结构扩大加深,表面球形纳米颗粒增多,烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~1379,Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加,烧蚀槽深度显著加深,凹陷结构扩展成深坑结构,飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物,由Si、SiC和非晶态SiO_(2)构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒,有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生,进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景,同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源。介绍了国内外飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试方法,比较了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法的优缺点。自相关法具有脉宽测量范围广、结构简单等特点,但不具备脉冲波形测试能力。光谱相位相干直接电场重构法对待测激光光束质量要求较高,不适合大量程范围激光脉宽快速测量。为满足10fs～5ps大量程范围超短激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求,采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪,时间分辨率优于2fs。

飞秒激光脉冲诱导透明介质的非线性吸收和折射率改变轮廓研究

实验研究了飞秒激光脉冲诱导熔融石英的非线性吸收特性 ,利用激光诱导自由电子等离子体浓度取决于多光子吸收系数和入射光强的关系 ;数值模拟了激光诱导折射率变化区域的大小 ,结合非线性吸收机理和飞秒激光脉冲与介质的相互作用 ,解释了飞秒激光脉冲超精细加工不受衍射极限的约束 ,可实现纳米级加工的机理 结果表明 ,电介质的电离能越大 ,飞秒脉冲诱导的折射率变化区域就越小 ,但要求的激光脉冲能量也越大 ;

飞秒激光脉冲的高效率放大研究

介绍了采用多通放大的飞秒脉冲掺钛蓝宝石激光放大系统，分析讨论了提高放大效率及缩短脉冲宽度的技术方法。在仅用能量２９０ｍＪ的倍频Ｎｄ：ＹＡＧ激光泵浦下，得到了输出峰值功率大于１．４ＴＷ、脉宽２５ｆｓ、重复频率１０Ｈｚ的超短超强激光脉冲。

金铬薄膜的飞秒激光烧蚀加工

着重从实验角度对飞秒激光烧蚀金属薄膜所得直线微槽的形状尺寸与实验加工参数之间的控制规律进行了研究。对使用频率为1 kHz、波长为800 nm、脉宽为30 fs的超短脉冲激光在150 nm厚的金铬薄膜上直线扫描所得微结构进行观察,发现:改变聚焦物镜的数值孔径(NA)、激光功率、扫描速率以及重复扫描次数等实验参数,均会对加工所得微槽宽度造成影响。得到了减小聚焦物镜数值孔径、提高激光功率、降低激光扫描速率、增加扫描次数均能提高直线微槽的宽度的参数控制规律。此外,还对后向激光烧蚀方法进行了实验研究,并与前向刻蚀的实验结果进行比较,验证了前向加工方法在加工质量和加工效率方面均优于后向加工,并分析其原因。

飞秒激光切割与微细电阻滑焊组合制备三维金属微结构

提出了一种采用飞秒激光切割结合微细电阻滑焊制备3D金属微结构的工艺方法(微型化双工位金属箔叠层制造法,(Micro-DLOM)),并通过制备具有复杂形状的3D微型腔模具验证了该工艺方法的可行性。首先,以厚度为10μm的0Cr18Ni9不锈钢箔为基材,在110mW的飞秒激光功率、100μm/s的切割速度和0.75μm的切割补偿量下获得二维微结构,并分析了激光功率和切割速度对切割精度的影响;然后,利用微细电阻滑焊对多层二维微结构进行热扩散焊接,通过多层二维微结构的叠加拟合形成具有曲面特征的微型腔,并对焊接区进行了X射线衍射(XRD)分析。分析发现:微细电阻滑焊所产生的热量仅使焊接区主要物相的相对含量发生了变化,而没有使该区域产生新的物相。与UV-LIGA工艺相比,本工艺可以加工具有自由曲面特征的三维微结构,并且单层钢箔越薄,成形精度越高;与飞秒激光分层平面扫描烧蚀工艺相比,本工艺仅需切割每层二维结构的轮廓,提高了成形效率;与微细电火花加工工艺相比,虽然所成形的微型腔表面粗糙度相对较差,但却省去了制备微电极的工艺步骤,并且不存在微电极工作过程中的损耗问题,所以可以加工深宽比不受限制的微模具。