超短脈沖激光輻射MEMS器件材料的燒蝕機理與數(shù)值模擬研究.pdf

1、激光作為一種非常特殊的光源，實現(xiàn)了將能量在時間和空間上相對高度集中地傳播，自20世紀80年代飛秒激光器在美國問世以來，激光器的性能得到不斷的改善；隨著新型激光裝置的不斷開發(fā)和光束性能的不斷提高，激光與物質(zhì)相互作用的研究已引起人們的高度重視，激光加工技術也取得了巨大進展。近年來，激光技術中最引人注目的成就是飛秒激光技術迅速發(fā)展，一方面，飛秒激光技術的發(fā)展開拓了超快現(xiàn)象的新領域；另一方面，超短脈沖激光對材料加工的特點是精度高，即使對于那些傳

2、統(tǒng)激光無法加工的材料，間接破壞也基本不存在。在超短脈沖激光加工高精度的特性發(fā)現(xiàn)以后，微加工等技術得到了長足的發(fā)展。
　　 飛秒脈沖激光具有脈沖時間短、能量密度高等優(yōu)點，其加工是一個超強、超快的過程。飛秒激光的高脈沖功率密度，在激光微細加工中具有獨特的優(yōu)越性，使得超短超強脈沖激光在微細加工、MEMS器件制造、加工信息存儲材料、顯微生物醫(yī)學等領域有廣闊的應用前景。同時激光損傷限制了人們從高功率激光系統(tǒng)希望得到的最大激光功率，它也限制

3、了能夠透過窗口、透鏡和其他光學元件的激光功率。用理論分析方法來確定材料的燒蝕閾值，從而可以提高材料的加工精度，促進激光加工技術的實用化。因此建立理論模型分析超短超強激光燒蝕材料過程具有重要的現(xiàn)實意義。在燒蝕機理方面，超短脈沖激光與長脈沖激光有本質(zhì)的不同，對于長脈沖激光由于其脈寬時間遠大于電子與聲子的耦合時間，電子有足夠的時間通過電子與聲子的散射將能量傳遞給聲子從而加熱晶格，其加熱過程是一個熱平衡加熱過程，此時電子、聲子處于熱平衡態(tài)，并通

4、過晶格的熱擴散使激光聚焦點周圍的區(qū)域被熔化、汽化以實現(xiàn)燒蝕。而對于超短脈沖激光，由于脈沖時間與電子一聲子的散射時間處于同一量級甚至更短，故其加熱過程是一個非平衡過程。為了研究超短脈沖激光加工MEMS器件材料的燒蝕機理，我們分別從宏觀與微觀角度對自由電子的非平衡加熱過程進行了研究，在宏觀層次上，采用自由電子數(shù)密度守恒方程描述自由電子的輸運過程，而在微觀層次上，將自由電子的非平衡輸運過程視為在等離子體形成的屏蔽Coulomb勢作用下的散射過