基于光學傳感測量的飛秒激光燒蝕過程的動力學特性研究.pdf

1、由于飛秒激光與物質(zhì)相互作用的多樣性和復雜性，并且飛秒激光在微納米加工、激光推進、沖擊強化處理、生物醫(yī)療等領域具有重要的應用價值，因此，飛秒激光燒蝕機理成為飛秒激光應用領域的熱點研究內(nèi)容。
　　本文針對飛秒激光燒蝕過程產(chǎn)生微等離子體及微等離子體沖擊波進展的復雜性，提出運用光學傳感測量技術從理論和實驗兩方面研究了飛秒激光燒蝕過程的動力學特性。探索了飛秒激光燒蝕過程中影響動力學特性的參量變化情況，包括電子密度、沖擊壓強等。設計了一種運用

2、抽運探測技術探測飛秒激光燒蝕晶體材料產(chǎn)生微等離子體的膨脹過程的實驗系統(tǒng)；建立了一種利用ICCD拍攝微等離子體動態(tài)過程的高速攝影實驗系統(tǒng)；設計了一套基于全光纖無膠微結構探針型光纖F-P聲發(fā)射傳感器的在線監(jiān)測系統(tǒng)；獲得了一種利用光纖F-P聲發(fā)射傳感探針在線監(jiān)測飛秒激光燒蝕晶體材料產(chǎn)生微等離子體沖擊波的動力學過程的新原理、新技術；初步探索了一種晶體材料成分檢測的新方法。主要研究工作如下：
　?。?）針對飛秒激光燒蝕過程產(chǎn)生微等離子體的復

3、雜性，運用抽運探測技術，建立了飛秒激光燒蝕晶體材料的時間分辨抽運探測系統(tǒng)。將不同飛秒激光能量、不同晶體材料的實驗條件下產(chǎn)生微等離子體的動態(tài)過程用時間分辨陰影圖進行描述和分析。研究了不同能量、不同晶體材料的微等離子體沖擊波的法線方向、切線方向傳播速度、傳播距離等的變化規(guī)律，揭示了不同能量、不同晶體材料的微等離子體沖擊波的沖擊波速、沖擊壓強的變化規(guī)律。初步確定了影響飛秒激光微等離子體動力學過程的基本因素。
　　（2）運用高速攝影法在不

4、同激光能量下對飛秒激光燒蝕不同晶體材料產(chǎn)生微等離子體動態(tài)過程進行了研究。高速攝影法直觀地顯示了激光微等離子體的發(fā)展變化過程。研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光燒蝕晶體材料產(chǎn)生微等離子體在空間上呈液滴狀，微等離子體閃光的縱向尺寸比水平方向的尺寸大。隨著飛秒激光能量的增大微等離子體在空間上的尺寸也隨著增加，在縱向微等離子體的尺寸產(chǎn)生明顯的變化趨勢，而在水平方向的變化較為緩慢。這些結論對以后更深入地研究高強度飛秒激光應用以及飛秒激光與物質(zhì)相互作用具有重要的指導

5、意義。
　?。?）根據(jù)F-P光纖傳感原理和激光等離子體沖擊波聲學理論，設計與制作了能夠監(jiān)測相應頻率的高靈敏度、全光纖無膠微結構探針型F-P聲發(fā)射傳感器，設計了用于飛秒激光微等離子體在線監(jiān)測的光纖傳感信號解調(diào)系統(tǒng)，設計了基于光纖傳感技術的飛秒激光微等離子體沖擊波的測量系統(tǒng)。實驗結果表明，該傳感測量系統(tǒng)可測量飛秒激光等離子體沖擊波面微弱聲發(fā)射高頻信號。使不同飛秒激光脈沖內(nèi)的微等離子體聲發(fā)射信號的非接觸式探測變成現(xiàn)實，減小了由于接觸式探

6、測信號以及重復測量帶來的誤差，保證了實驗的準確性。
　?。?）首次采用光纖F-P聲發(fā)射探針在線監(jiān)測飛秒激光微等離子體沖擊波的時空進程，通過在線監(jiān)測飛秒激光微等離子體沖擊波的聲學信號，分析飛秒激光微等離子體沖擊波的時空歷程，建立一種新型的激光微等離子體沖擊波動力學過程監(jiān)測的傳感理論和方法。實驗研究了光纖F-P聲發(fā)射傳感探針在線監(jiān)測飛秒激光燒蝕過程所產(chǎn)生的微等離子體沖擊波的時空變化規(guī)律及聲發(fā)射信號的時頻特性。研究發(fā)現(xiàn)：該飛秒激光燒蝕晶

7、體材料產(chǎn)生的微等離子體聲發(fā)射信號強度隨激光能量的增大而增大；頻率范圍在0~100KHz；頻率范圍和峰值位置基本不隨作用激光能量的改變而改變。不同晶體材料的頻率峰值有細微的差異，同一晶體材料的頻率峰值保持不變。
　　（5）初步探索了一種晶體材料成分檢測的新方法。提出了一種新穎的基于時頻分析的飛秒激光微等離子體沖擊波聲發(fā)射信號的處理和分析方法，研究了飛秒激光微等離子體沖擊波聲發(fā)射信號的頻率特征及能量分布；通過對探測到的信號的特征分析，