時間整形飛秒雷射微納加工中的超快熱動力學研究

《時間整形飛秒雷射微納加工中的超快熱動力學研究》是依託西安交通大學，由杜廣慶擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：時間整形飛秒雷射微納加工中的超快熱動力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：杜廣慶
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

飛秒雷射三維微納加工作為一種新型極端光場微納製造方法，在高精密元器件的微納製備方面有著重要的套用前景。本項目針對硬質材料飛秒雷射微加工中熱累積效應導致的加工精度、解析度和表面質量問題，提出了一種基於時間脈衝整形的飛秒雷射微加工新思路，擬採用第一性原理分子動力學的方法，深入研究時間整形飛秒雷射微加工中的超快熱動力學過程，澄清雷射作用微區的能量弛豫和分子拋離機制，探索飛秒雷射整形脈衝鏈精確調控激發區材料熱弛豫和熱擴散，最佳化時間整形脈衝鏈的參數配置，實現材料熱擴散的有效抑制和加工區材料的高精度拋離，為提高硬質功能材料飛秒雷射微納加工的精度和質量，和發展基於時間脈衝整形的飛秒雷射微加工的新原理、新方法提供重要的理論和實踐基礎。

結題摘要

飛秒雷射微納加工是一種極端光場製造方法。飛秒雷射脈衝具有超高的峰值功率密度,飛秒脈衝與物質作用表現出超強的非線性和準熱絕緣特性，飛秒雷射加工過程具有低閾值、高解析度的特點，在航天、國防、能源、環境、醫療、安全等領域高精密元器件的高精度製備方面有著極其重要的潛在套用。本項目開展了飛秒雷射微納加工中的超快熱動力學調控機理的研究，探索基於時間整形飛秒雷射的高效率、高質量的微納加工方法。通過對時間整形飛秒雷射與固體材料作用的超快熱弛豫過程進行物理建模，發現雙溫熱弛豫過程是最終導致能量沉積的局域化的基本物理機制，系統研究了飛秒雷射整形脈衝參數（脈衝間隔、脈衝數、能量比、偏振態等）對於超快熱弛豫過程的影響，研究表明：通過最佳化脈衝間隔和偏振態以及均分能量比和脈衝間隔比能夠有效提高聲子溫度，從而可以獲得最高的雷射加工效率。研究了時間整形飛秒雷射激發雙層金屬膜的超快熱動力學過程，並對雙層金屬膜系的溫度場分布特點進行了細緻的研究，這些研究為提高超快雷射金屬反射膜的損傷閾值提供了理論依據。構建了時間整形飛秒雷射誘導周期性納米條紋結構的超快熱動力學模型，研究獲得了整形脈衝參數（脈衝數、脈衝間隔和能量比等）和材料參數（電子熱導係數和電聲耦合強度）對於納米條紋結構特徵的影響規律，這為提高飛秒雷射加工微納條紋結構質量提供了理論依據。基於飛秒雷射與材料相互作用的非線性特性，通過調控時間整形飛秒雷射脈衝參數構建了不同形貌的微透鏡以及微透鏡陣列結構。該研究為提高硬質功能材料飛秒雷射微納加工的精度和質量、發展基於時間脈衝整形的飛秒雷射微加工的新原理、新方法提供重要的理論和實踐基礎。