脈沖激光燒蝕及靶材光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)是近年來一種發(fā)展極為迅速的薄膜制備技術(shù)。這項技術(shù)較其他薄膜制備技術(shù)有激光能量高、薄膜的化學(xué)成分比與靶材一致、沉積速率高、基片溫度要求低等多種優(yōu)點(diǎn)。PLD技術(shù)制備薄膜的過程可劃分為三個階段：激光燒蝕、等離子體膨脹、薄膜沉積。我們課題組在制備出高質(zhì)量的KTN 薄膜材料的同時，以極大的精力將重點(diǎn)放在PLD機(jī)理的研究。建立了能夠統(tǒng)一描述三個階段的自洽的動力學(xué)模型Zhang-Li模型。并且，對PLD技術(shù)的每個階段的物理機(jī)

2、制和物理圖象都進(jìn)行了深入的研究。本文的研究主要集中在激光燒蝕階段的材料固體光學(xué)性質(zhì)的變化，及其對靶材燒蝕的影響。在充分考慮靶材吸收率和吸收系數(shù)隨溫度的演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對超短脈沖激光(皮秒級和飛秒級)所帶來的熱傳導(dǎo)的新的物理圖象和多脈沖的累積效應(yīng)，深入地探討了激光燒蝕新的熱傳導(dǎo)規(guī)律和特點(diǎn)，建立了新的物理模型，理論預(yù)言和相關(guān)實驗符合很好，并且為今后的理論發(fā)展提供了良好的物理平臺。主要做了以下三方面的工作：
　　 ⑴研究了脈

3、沖激光與物質(zhì)相互作用過程中靶材的燒蝕特點(diǎn)，分別從能量守恒和經(jīng)典的電磁理論兩個角度出發(fā)，給出了靶材吸收率和吸收系數(shù)隨靶材溫度動態(tài)變化的理論公式，結(jié)合恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，用有限差分法和分析法兩種方法討論了吸收系數(shù)和吸收率隨時間的演化規(guī)律對靶材溫度和融化深度的影響。
　　 ⑵分析了皮秒級脈沖激光與材料發(fā)生燒蝕的物理圖象，在考慮熱傳導(dǎo)的非傅立葉效應(yīng)(即靶材中熱傳導(dǎo)速度的有限性)的基礎(chǔ)上，建立了帶有熱源項的非傅立葉導(dǎo)熱模型，研究了在高頻脈沖激

4、光燒蝕制備薄膜時，靶材溫度分布的演化規(guī)律。
　　 ⑶針對飛秒級多脈沖激光的燒蝕特點(diǎn)，提出了描述多脈沖飛秒激光燒蝕的一個新的物理模型。模型特點(diǎn)是：考慮了靶材吸收率的變化和蒸發(fā)效應(yīng)對靶材溫度的影響，尤為重要的是首次將多脈沖激光看作以脈沖持續(xù)時間和兩脈沖間隔時間為周期的連續(xù)過程，并將每個周期的激光燒蝕分為三個不同的階段：脈沖作用階段(離子溫度和電子溫度之差增大)、雙溫持續(xù)階段和傅立葉熱傳導(dǎo)階段。利用此模型研究了靶材溫度隨脈沖個數(shù)的演化

5、關(guān)系，并且著重研究了多脈沖激光燒蝕過程中的能量剩余現(xiàn)象。
　　 本研究發(fā)現(xiàn)：
　　 ①當(dāng)靶材在脈沖激光輻照下發(fā)生燒蝕時，靶材吸收率和吸收系數(shù)隨靶材溫度呈現(xiàn)動態(tài)變化。當(dāng)入射激光輸入能量密度為高斯分布時，在脈沖開始和結(jié)尾階段，系統(tǒng)狀態(tài)主要取決于脈沖激光的能量輸入，考慮吸收率和不考慮吸收率兩種情況下的理論結(jié)果與實驗結(jié)果偏差不大；在脈沖激光較長的中間階段，忽略靶材吸收率的變化對于最終的模擬結(jié)果有重要影響，導(dǎo)致結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)有較大

6、差異。
　　 ②當(dāng)靶材在皮秒級脈沖激光的輻照下發(fā)生燒蝕時：非傅立葉熱傳導(dǎo)的影響表現(xiàn)在熱傳導(dǎo)有一個滯后時間(熱傳導(dǎo)弛豫時間)，越深的位置，滯后時間越長。從靶材溫度隨時間的演化趨勢來看，在小于一個脈沖的時間區(qū)間，非傅立葉模型下靶材熔融前的溫度上升速度明顯高于通常的傅立葉熱傳導(dǎo)情況。 并且，隨著弛豫時間的增加，靶材的非傅立葉效應(yīng)越來越明顯；在激光輻射10-11秒后，熱源項對靶材表面溫度的影響越來越顯著。比較無源項模型的結(jié)果，靶材表面的