飛秒激光燒蝕固體材料的過(guò)程及表面形貌研究.pdf

1、飛秒激光脈沖由于快、微、強(qiáng)等特點(diǎn)，在細(xì)微加工領(lǐng)域表現(xiàn)出了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，飛秒激光與材料的相互作用過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于不同材料，不同的激光能量，飛秒激光與材料作用的機(jī)理不同。本文對(duì)飛秒激光與材料的相互作用過(guò)程進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，我們做的具體工作如下：
　　首先探討了飛秒激光與材料相互作用的過(guò)程與機(jī)理，對(duì)雙溫方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用 fortran軟件進(jìn)行有限元差分計(jì)算，模擬得出了不同入射激光功率密度下金屬銅和鈦的電子和晶

2、格溫度隨時(shí)間的演化規(guī)律，并總結(jié)得出了金屬銅和鈦電子晶格能量耦合時(shí)間隨入射激光功率密度的變化規(guī)律。
　　其次研究了飛秒激光誘導(dǎo)金屬表面的周期性結(jié)構(gòu)隨入射激光能量的演變情況，當(dāng)入射激光能量較低，在材料的燒蝕閾值附近時(shí)，我們?cè)跓g中心區(qū)域清楚的看到了垂直于入射激光極化方向的周期性表面結(jié)構(gòu)。隨著入射激光能量不斷增加，位于燒蝕區(qū)域中心位置處的周期性條紋結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，在燒蝕區(qū)域的外圍區(qū)域周期性條紋結(jié)構(gòu)仍清晰可見(jiàn)，并用周期性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的閾值理論

3、解釋了周期性結(jié)構(gòu)外移出現(xiàn)的原因。在高能量激光入射下，燒蝕區(qū)域周期性表面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞，不再清晰可見(jiàn)，在外圍區(qū)域出現(xiàn)了納米顆粒，但條紋結(jié)構(gòu)的周期并未發(fā)生變化。我們通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同入射激光能量下金屬銅和鈦的周期性條紋結(jié)構(gòu)的周期與用公式計(jì)算出的周期比較，理論與實(shí)驗(yàn)符合較好，得出結(jié)論：飛秒激光誘導(dǎo)周期性條紋結(jié)構(gòu)的周期與入射激光能量無(wú)關(guān)，與金屬種類有關(guān)。另外，我們還對(duì)半導(dǎo)體硅材料進(jìn)行了燒蝕分析，發(fā)現(xiàn)了不同于金屬材料的波紋狀周期性結(jié)構(gòu)。我們

4、以鈦為靶材，通過(guò)建立入射激光功率與燒蝕孔徑之間的關(guān)系間接計(jì)算得到鈦的單脈沖燒蝕閾值為0.20 J/cm2。同時(shí)我們對(duì)飛秒激光燒蝕硅靶后不同燒蝕區(qū)域進(jìn)行元素成分分析，得出隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加，燒蝕區(qū)域的氧含量也隨之增加，對(duì)于相同脈沖個(gè)數(shù)，不同燒蝕區(qū)域的氧含量也不盡相同，燒蝕中心區(qū)域的氧含量要明顯高于邊緣區(qū)域，這對(duì)于以后的飛秒激光精細(xì)加工有著很好的指導(dǎo)作用。
　　最后我們固定入射激光能量，對(duì)不同入射激光脈沖個(gè)數(shù)下飛秒激光燒蝕金屬銅和鈦的