飞秒激光诱导材料微结构的研究

摘要

飞秒激光具有极短的脉冲宽度，这使它拥有极高的峰值功率，可以实现对任何材料的非热熔性加工。通过控制激光脉冲聚焦点在材料上的移动，可以实现材料的高精度三维微加工。目前利用飞秒激光直写技术在金属薄膜材料表面制备周期性微结构，已成为飞秒激光应用研究领域的热点之一。
　　 结合飞秒激光的高斯型空间分布特性，推导了横向和轴向加工分辨率的表达式，初步研究了飞秒激光与透明介质和金属材料之间的相互作用机制。自行设计并建立了一套由显微镜和微精密移动平台等构成的飞秒激光三维微细加工系统。
　　 利用飞秒激光三维微细加工系统，研究了K9玻璃表面加工线宽与飞秒激光脉冲参数之间的关系。优化选择加工参数，实现了微米甚至纳米量级的微加工精度，其最小加工精度为540nm。
　　 研究了飞秒激光脉冲与金膜的相互作用，通过改变显微物镜的数值孔径、激光单脉冲能量、脉冲个数等参数制备出不同的金膜表面微结构。研究表明，激光作用在金膜表面会诱导出微孔结构，作用时的激光参数对微孔形貌、尺寸大小都有很大影响。
　　 应用飞秒激光在金膜表面制备周期孔洞结构和周期方格结构，并采用宽带光纤光源和HR-i550光谱仪测量金膜表面周期孔洞结构和周期方格结构的光谱透射性能。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 飞秒激光脉冲技术的发展

1．2 飞秒激光加工特点和优势

1．3 激光微加工研究进展

1．3．1 飞秒激光诱导自组装

1．3．2 飞秒激光脉冲制备微纳结构

1．4 本课题研究目的和意义

第2章 飞秒激光与材料的作用机制

2．1 飞秒激光与介质的作用机制

2．1．1 高斯光束的线性和非线性传输

2．1．2 自聚焦

2．1．3 多光子电离和隧道电离

2．1．4 雪崩电离

2．1．5 库仑爆炸

2．1．6 双光子吸收理论

2．2 飞秒激光与金属材料作用机理

2．3．1 适用于飞秒激光加工过程的双温模型

2．3．2 有限时域差分算法简要介绍

2．4 本章小结

第3章 飞秒激光对K9玻璃加工线宽的影响

3．1 飞秒激光三维微加工实验系统

3．1．1 飞秒激光系统

3．1．2 显微镜系统

3．1．3 实时监测系统和三维扫描系统

3．1．4 计算机辅助控制程序

3．2 加工参量对K9玻璃相貌的影响

3．2．1 飞秒激光脉冲烧蚀点实验

3．3 飞秒激光烧蚀K9玻璃表面线宽的研究

3．3．1 加工线宽与数值孔径的关系

3．3．2 加工线宽与激光能量密度的关系

3．3．3 加工线宽与扫描速度的关系

3．4 实验结果数值分析

3．5 本章小结

第4章 金膜微纳孔的飞秒激光制备

4．1 飞秒激光透过基片与金膜的相互作用

4．1．1 实验装置

4．1．2 实验结果

4．1．3 机理分析

4．2 飞秒激光直接与金膜相互作用

4．2．1 实验结果

4．2．2 结果分析

4．3 激光脉冲数对金膜表面形貌的影响

4．3．1 数值孔径为0．45的显微物镜制备金膜孔洞的研究

4．3．2 结果分析

4．4 采用数值孔径为0．9显微物镜与金膜相互作用

4．4．1 数值孔径为0．9的显微物镜制备金膜孔洞的研究

4．4．2 结果分析

4．5 本章小结

第5章 金膜微米孔阵列的飞秒激光制备

5．1 金属微米孔洞阵列制备

5．2 金属微米孔洞阵列光谱特性检测

5．3 金属微米网格阵列制备

5．4 金属微米网格阵列光谱特性检测

5．5 本章小结

总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文

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