基于光學(xué)傳感測量的飛秒激光燒蝕過程的動力學(xué)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(fù)雜性，并且飛秒激光在微納米加工、激光推進(jìn)、沖擊強化處理、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，因此，飛秒激光燒蝕機理成為飛秒激光應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)展的復(fù)雜性，提出運用光學(xué)傳感測量技術(shù)從理論和實驗兩方面研究了飛秒激光燒蝕過程的動力學(xué)特性。探索了飛秒激光燒蝕過程中影響動力學(xué)特性的參量變化情況，包括電子密度、沖擊壓強等。設(shè)計了一種運用

2、抽運探測技術(shù)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(shè)計了一套基于全光纖無膠微結(jié)構(gòu)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(xué)過程的新原理、新技術(shù)；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(fù)

3、雜性，運用抽運探測技術(shù)，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(jìn)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(xué)過程的基本因素。
　?。?）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(jìn)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(jié)論對以后更深入地研究高強度飛秒激光應(yīng)用以及飛秒激光與物質(zhì)相互作用具有重要的指導(dǎo)

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(xué)理論，設(shè)計與制作了能夠監(jiān)測相應(yīng)頻率的高靈敏度、全光纖無膠微結(jié)構(gòu)探針型F-P聲發(fā)射傳感器，設(shè)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(shè)計了基于光纖傳感技術(shù)的飛秒激光微等離子體沖擊波的測量系統(tǒng)。實驗結(jié)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(fù)測量帶來的誤差，保證了實驗的準(zhǔn)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(jìn)程，通過在線監(jiān)測飛秒激光微等離子體沖擊波的聲學(xué)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(xué)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(xì)微的差異，同一晶體材料的頻率峰值保持不變。
　?。?）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，