超短脉冲激光辐射MEMS器件材料的烧蚀机理与数值模拟研究

摘要

激光作为一种非常特殊的光源，实现了将能量在时间和空间上相对高度集中地传播，自20世纪80年代飞秒激光器在美国问世以来，激光器的性能得到不断的改善；随着新型激光装置的不断开发和光束性能的不断提高，激光与物质相互作用的研究已引起人们的高度重视，激光加工技术也取得了巨大进展。近年来，激光技术中最引人注目的成就是飞秒激光技术迅速发展，一方面，飞秒激光技术的发展开拓了超快现象的新领域；另一方面，超短脉冲激光对材料加工的特点是精度高，即使对于那些传统激光无法加工的材料，间接破坏也基本不存在。在超短脉冲激光加工高精度的特性发现以后，微加工等技术得到了长足的发展。
　　 飞秒脉冲激光具有脉冲时间短、能量密度高等优点，其加工是一个超强、超快的过程。飞秒激光的高脉冲功率密度，在激光微细加工中具有独特的优越性，使得超短超强脉冲激光在微细加工、MEMS器件制造、加工信息存储材料、显微生物医学等领域有广阔的应用前景。同时激光损伤限制了人们从高功率激光系统希望得到的最大激光功率，它也限制了能够透过窗口、透镜和其他光学元件的激光功率。用理论分析方法来确定材料的烧蚀阈值，从而可以提高材料的加工精度，促进激光加工技术的实用化。因此建立理论模型分析超短超强激光烧蚀材料过程具有重要的现实意义。在烧蚀机理方面，超短脉冲激光与长脉冲激光有本质的不同，对于长脉冲激光由于其脉宽时间远大于电子与声子的耦合时间，电子有足够的时间通过电子与声子的散射将能量传递给声子从而加热晶格，其加热过程是一个热平衡加热过程，此时电子、声子处于热平衡态，并通过晶格的热扩散使激光聚焦点周围的区域被熔化、汽化以实现烧蚀。而对于超短脉冲激光，由于脉冲时间与电子一声子的散射时间处于同一量级甚至更短，故其加热过程是一个非平衡过程。为了研究超短脉冲激光加工MEMS器件材料的烧蚀机理，我们分别从宏观与微观角度对自由电子的非平衡加热过程进行了研究，在宏观层次上，采用自由电子数密度守恒方程描述自由电子的输运过程，而在微观层次上，将自由电子的非平衡输运过程视为在等离子体形成的屏蔽Coulomb势作用下的散射过程，并考虑了等离子体吸收效应对自由电子非平衡态的影响，并采用Rosenbluth势函数表示的非线性Fokker-Planck方程来描述上述过程，该方程摒弃了驰豫时间近似的假设，所描述的物理过程符合飞秒激光辐射材料时自由电子的输运状态，在此基础上计算飞秒激光的烧蚀阈值的计算模型，并通过数值模拟计算深入讨论分析飞秒激光辐射MEMS器件材料的烧蚀机理以及激光参数对加工MEMS器件材料性能的影响。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 飞秒脉冲激光技术发展史

1.1.2 飞秒脉冲激光技术的应用

1.2 研究现状

1.3本章小结

第二章 超短脉冲激光烧蚀的机理

2.1 激光产生的原理

2.2 超短脉冲激光的加热与烧蚀机理

2.2.1 超短脉冲激光加热机理

2.2.2 长脉冲激光的烧蚀机理

2.2.3 超短脉冲激光的烧蚀机理

2.2.4 国内外研究进展

2.3 本章小结

第三章飞秒激光加工 MEMS器件材料的烧蚀微观理论模型

3.1 Fokker-Planck方程

3.1.1 自由电子弛豫过程的理论描述

3.1.2 福克尔--普朗克方程

3.1.3 Fokker-Planck方程的推导过程

3.1.4 带有Rosenbluth势函数的Fokker—Planck碰撞项的推导过程

3.1.5 Rosenbluth势函数表示的Fokker--Planck碰撞算子简化形式推导过程

3.1.6 等离子体吸收效应对飞秒激光加工MEMS器件材料的影响

3.2 由Fokker—Planck方程表达的耦合理论模型

3.2.1 自由电子分布的动理论方程模型

3.2.2 自由电子分布的动理论方程模型的无量纲化

3.3 耦合理论模型的数值解法

3.3.1 偏微分方程及有限差分法

3.3.2 Runge—Kutta方法

3.3.3 超松弛迭代法

3.3.4 无量纲非线性Fokker—Planck方程的离散化

3.4 本章小结

第四章 理论模型的模拟结果与实验结果的比较及结论

4.1 超短脉冲激光烧蚀二氧化硅材料的数值模拟结果

4.2 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

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