超短脉冲激光加工MEMS器件材料的烧蚀机理研究

摘要

自上个世纪八十年代以来,飞秒激光技术得到了迅猛的发展,由于飞秒脉冲激光具有脉冲时间短、能量密度高等优点,使得这门技术在微细加工、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。 由于飞秒脉冲激光加工是一个超强、超快的过程,并且对超短脉冲激光与物质相互作用机理的探索研究,将涉及到固体物理学、半导体物理学、光学、电动力学、等离子体物理学以及非平衡统计物理学等学科内容,具有很强的交叉性,因此给研究它与物质相互作用的机理带来了很大的困难,但是所获得的研究成果将使人们能够更深刻的认识微观时间尺度下激光与物质相互作用的物理规律,其本身具有一定的科学价值。 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,其加热过程是一个平衡过程,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,由于脉宽时间与电子-声子的散射时间处于同一量级,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T.MEMS器件材料的烧蚀机理,我们采用了更能符合实际情况的Fokker-Planck方程模型,并且摒弃了弛豫时间近似这一假设,同时采用库仑碰撞机制描述电子的散射,根据试探粒子法的思想,将电子的弛豫过程视为试探粒子与处于非热力学平衡态场粒子的相互作用过程,并结合Fokker-Planck方程建立自由电子弛豫时间与其分布函数相耦合的超短脉冲激光加工MEMS器件材料的烧蚀理论模型,以能量守恒原理为基础导出了烧蚀深度与激光能量密度的关系,并应用数值计算方法计算出了烧蚀临界阀值与烧蚀深度。在此基础上深入讨论和分析超短脉冲激光加工MEMS器件材料的机理以及激光参数对烧蚀的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 超短脉冲激光技术发展史

1.1.2 超短脉冲激光技术的应用

1.2 研究现状

1.3 本文主要研究内容

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 超短脉冲激光加F 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 福克尔—普朗克方程的推导过程

3.2 超短脉冲激光烧蚀的耦合理论模型

3.2.1 自由电子分布的动理论方程

3.2.2 自由电子弛豫时间与能量的关系

3.3 超短脉冲激光烧蚀的耦合理论模型的数值求解方法

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 超短脉冲激光烧蚀的耦合理论模型的数值求解

3.4 模拟计算结果及讨论

3.4.1 超短脉冲激光烧蚀二氧化硅材料的数值模拟结果

3.4.2 超短脉冲激光烧蚀氟化钙材料的数值模拟结果

3.5 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

致谢

参考文献

作者简介