超短超強(qiáng)激光對透明介質(zhì)的燒蝕特性研究.pdf

1、自從上世紀(jì)60年代成功研制第一臺激光器之后不久，人們就開始進(jìn)行激光與材料相互作用的研究。隨著對激光領(lǐng)域的深入研究，激光脈沖的時域?qū)挾缺粔嚎s得越來越短，納秒(10-9s)量級到了皮秒(10-12s)量級直至飛秒(10-15s)量級。由于飛秒激光的高脈沖功率密度，在激光微細(xì)加工中具有獨(dú)特的優(yōu)越性，使得超短超強(qiáng)脈沖激光燒蝕材料有廣闊的應(yīng)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，它也限制了能夠透過窗口、透鏡和其他光學(xué)

2、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(jìn)激光加工技術(shù)的實(shí)用化。因此建立理論模型分析超短超強(qiáng)激光燒蝕材料過程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文的研究內(nèi)容分為四部分。第一部分介紹了超短超強(qiáng)脈沖激光器的發(fā)展?fàn)顩r及其廣泛應(yīng)用。第二部分以飛秒脈沖激光為例，闡述了超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理及其燒蝕特性。指出了長脈沖燒蝕與短脈沖燒蝕機(jī)理的不同，同時指出短脈沖激光燒蝕獨(dú)特的優(yōu)越性。第三部分修正了電子數(shù)

3、密度速率方程模型。在理論分析基礎(chǔ)上，考慮了通過Keldysh的光電離和Thornber的雪崩電離兩種非線性電離機(jī)制來產(chǎn)生電子，同時通過電子擴(kuò)散到激光聚焦區(qū)以外以及電子與離子的復(fù)合使電子數(shù)減少，建立研究電子數(shù)密度隨時間變化的新的速率方程模型。當(dāng)產(chǎn)生的電子數(shù)密度超過臨界密度(criticaldensity)時，材料即被破壞，從而可以確定材料的燒蝕閾值。第四部分通過數(shù)值分析方法求解速率方程，研究不同脈沖寬度的激光作用到熔石英(FusedSil

4、ica)晶體上所得結(jié)果，確定出不同脈沖寬度作用下，熔石英(FusedSilica)晶體確定的燒蝕閾值。指出對于較短脈沖寬度的激光，光電離將產(chǎn)生大部分的自由電子；而對于長脈沖激光，雪崩電離將占主導(dǎo)地位。 將此模型所得結(jié)果與Stuart等人結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)用此模型研究超短脈沖激光對材料的燒蝕過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。最后，討論了該模型的不確定性因素。從而，此研究為建立更精確，更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論模型提供較為系統(tǒng)的理論依據(jù)，加快了激光加工