超短脉冲激光烧蚀固体材料的物理机制及其在激光推进中的应用

摘要

超短脉冲激光技术在过去十几年中的快速发展，不仅使超短脉冲激光成为物理学、化学、生物学以及医学等基础科学研究领域中不可替代的重要研究手段，而且使其在微纳加工、非线性显微成像、烧蚀激光推进等一些关键技术领域内展现出了广阔的应用前景。超短、超强激光脉冲烧蚀固体材料是一种非常重要的基本物理过程。人们在对这一过程的认识和研究中，还存在许多未能解答的科学问题。对超短激光脉冲烧蚀机制的研究，不仅对激光技术的应用而且对物理科学本身都有极其重要的意义。本论文对高强度飞秒激光脉冲烧蚀固体材料的动态过程和物理机制进行了实验和理论研究，并在此基础上，对超短激光脉冲在烧蚀激光推进中的应用进行了比较深入的探索。论文主要内容和结果如下：
　　 1.利用飞秒时间分辨泵浦.探测阴影成像技术记录了脉冲宽度为50 fs、激光流量为40 J/cm2的飞秒激光脉冲烧蚀金属铝、半导体硅以及绝缘体玻璃这三种物质的超快(皮秒－纳秒)动态演变过程。首次在实验中观测到标志烧蚀喷射物处于瞬间透明状态的规则半圆形衍射条纹：在激光脉冲轰击靶材后10 ns的时间延迟内，在铝靶和硅靶的烧蚀时间分辨图像中观测到三次物质喷射现象，在玻璃靶的烧蚀时间分辨图像中观测到两次物质喷射现象。
　　 2.依据现有的超短脉冲激光烧蚀理论，通过对所记录的烧蚀过程的超快时间分辨图像的分析研究，提出了对飞秒激光脉冲烧蚀固体材料超快动态演变过程的新的理解，揭示了在40 J/cm2这一远高于实验所用靶材烧蚀阈值的激光流量下，50 fs激光脉冲烧蚀上述三种固体材料的过程是同时涉及光热机制和光机械机制的复合过程。我们将形成规则半圆形衍射条纹的物质喷射归因于光热机制；而将这次物质喷射之后，观察到的后续物质喷射归因于光机械机制，是飞秒激光脉冲超快加热在靶内产生的具有极大应力和应力梯度的热弹力波的驰豫导致了后续的物质喷射。
　　 3.利用飞秒时间分辨泵浦.探测阴影成像技术记录具有不同激光流量(从40J/cm2到4 J/cm2)的50 fs激光脉冲烧蚀铝靶的超快动态过程，首次揭示出随着泵浦激光脉冲激光流量的下降，光机械机制导致的物质喷射在总的物质喷射中所占的比例越来越大的重要规律。
　　 从我们记录的飞秒激光脉冲烧蚀固体材料的超快时间分辨图像中可以观察到，光热机制导致的物质喷射具有105m/s的速度；而后续的光机械机制导致的物质喷射速度相对较慢，但其喷射速度也可达到104 m/s的量级。如此高的喷射速度在航空航天推进中意味着104-103 s的比冲，远高于化学推进能够实现的比冲上限(500 s)。因此，利用超短激光脉冲烧蚀固体材料产生的推动力有希望获得一种新型的高比冲的推进方式——烧蚀激光推进。
　　 4.设计并搭建了一个测量灵敏度为2×10-9 N·s的用于测量超短激光脉冲烧蚀固体靶材产生动量的扭秤测量系统。根据扭秤的测量结果，可以确定烧蚀激光推进的冲量耦合系数和比冲等重要性能参数。
　　 5.利用扭秤测量了超短激光脉冲烧蚀多种靶材产生的动量随脉冲宽度、激光流量、单脉冲能量及激光偏振的变化。主要结果如下：
　　 1)首次在实验中发现由50 fs-12 ps不同脉宽的激光脉冲烧蚀位于聚焦透镜几何焦点上的石墨、铝、铁和铜4种靶材产生的动量随激光脉宽的增加先快速增大而后基本保持不变的重要规律，分割这两个变化阶段的特征脉宽为1～2ps，具体数值与靶材有关。
　　 2)分别使用脉冲宽度为50 fs和12 ps的超短激光脉冲烧蚀铝、铁和铜，测量出烧蚀产生的动量随激光流量的变化关系，确定了能够产生最大冲量耦合系数的最佳激光流量。
　　 6.利用原子力显微镜测量了单个超短激光脉冲烧蚀位于透镜几何焦点上的铝靶时去除物质的量，结合扭秤的测量数据，确定了烧蚀激光推进的比冲。结果表明，50 fs激光脉冲烧蚀铝靶的比冲可达104 s，通过实验进一步证实了比冲和冲量耦合系数的近似线性反比关系。
　　 7.利用飞秒时间分辨泵浦.探测阴影成像技术记录具有最佳激光流量的50fs激光脉冲烧蚀铜靶的超快动态过程，揭示了具有最佳激光流量的50 fs激光脉冲烧蚀铜靶的过程是光机械机制占主导的烧蚀过程，最佳冲量耦合系数的产生对应于具有较大的烧蚀面积和较小的喷射速度的靶材烧蚀过程。
　　 8.首次开展了利用单脉冲能量在毫焦量级的聚焦的超短激光脉冲轰击质量在毫克量级的不同材质的小球的实验，通过测量小球因激光烧蚀而被推进的距离，计算出冲量耦合系数。分别进行了单脉冲和连续脉冲(重复频率1 kHz)推进，水平和竖直推进的实验，获得了几个dyne/W的冲量耦合系数；分别使用不同焦距(10 cm到111 cm)的透镜聚焦超短激光脉冲，研究了紧聚焦和激光成丝情况下的推进，实验发现即使是在飞秒激光成丝这种存在较长空气电离通道的情况下，直接的靶材物质烧蚀仍然是推力的主要来源。
　　 9.国内首次利用近红外飞秒激光脉冲在非光敏的标准单模通信光纤(SMF-28e，Coming Inc.)中刻写出背景损耗平均为1 dB，而共振波长处的衰减达到10 dB的长周期光纤光栅，研究了刻写光栅过程中光纤光栅透射谱随光栅周期数增加的变化规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

第一节 飞秒激光系统

1.1.1 飞秒激光放大系统

1.1.2 飞秒激光振荡器

1.1.3 飞秒激光放大器

第二节 飞秒激光的应用

1.2.1 飞秒激光在科学研究和技术方面的主要应用

1.2.2 利用飞秒激光在标准单模通信光纤中刻写长周期光纤光栅

第三节 本论文的研究内容和创新之处

1.3.1 本论文的研究内容

1.3.2 本论文的创新之处

第二章 飞秒激光脉冲烧蚀固体材料的机制

第一节 飞秒激光脉冲烧蚀固体材料的光热机制

2.1.1 相关热力学概念的介绍

2.1.2 相位爆炸

2.1.3 临界点相位分离

2.1.4 光热机制在热力学相图中的另一种可能路径

第二节 飞秒激光脉冲烧蚀固体材料的光机械机制

2.2.1 拉伸应力引起的物质去除(Spallation)

2.2.2 应力梯度引起的物质去除(Fragmentation)

第三章 高强度飞秒激光脉冲烧蚀固体材料的超快动力学过程研究

第一节 泵浦—探测技术

第二节 利用泵浦—探测技术研究飞秒激光脉冲烧蚀固体靶材的实验装置

3.2.1 实验装置

3.2.2 实验时间零点的确定

3.2.3 靶材位置的确定

第三节 实验结果和分析

3.3.1 铝靶的超快烧蚀过程

3.3.2 硅靶的超快烧蚀过程

3.3.3 玻璃靶的超快烧蚀过程

第四节 不同激光流量的飞秒激光脉冲烧蚀铝靶的超快动态过程

第五节 本章总结

第四章 激光推进的发展过程、基本概念及其测量方法

第一节 激光推进的历史、现状以及发展方向

4.1.1 激光推进的历史和现状

4.1.2 激光推进的研究内容及发展方向

第二节 激光推进的分类、优势以及性能参数

4.2.1 激光推进的分类

4.2.2 激光推进的优点

4.2.3 激光推进的主要性能参数

第三节 激光推进实验常用的测量方法

第五章 利用扭秤测量超短激光脉冲烧蚀固体材料产生的动量并确定烧蚀激光推进的冲量耦合系数和比冲

第一节 用扭秤测量激光脉冲烧蚀产生的动量的原理

第二节 自行搭建的扭秤测量装置介绍

第三节 激光脉冲宽度的变化对烧蚀激光推进性能参数的影响

5.3.1 超短激光脉冲烧蚀铝靶的冲量耦合系数随激光脉冲宽度的变化

5.3.2 超短激光脉冲烧蚀石墨、铜和铁靶的冲量耦合系数随脉宽的变化

5.3.3 百皮秒及纳秒激光脉冲烧蚀铜靶产生的冲量耦合系数

5.3.4 超短激光脉冲烧蚀推进的比冲上限的估计

5.3.5 超短激光脉冲烧蚀铝靶的比冲的估计

第四节 利用扭秤测量激光烧蚀固体靶材产生的动量的不确定度(误差)分析

5.4.1 测量不确定度和误差的基本概念

5.4.2 扭秤测量系统的标准不确定度(误差)分析

第五节 激光流量的变化对烧蚀激光推进性能参数的影响

5.5.1 超短激光脉冲烧蚀铝靶的冲量耦合系数随激光流量的变化

5.5.2 超短激光脉冲烧蚀铜靶和铁靶的冲量耦合系数随激光流量的变化

第六节 具有最佳激光流量的飞秒激光脉冲烧蚀铜靶的超快动态过程分析

第七节 激光偏振对烧蚀激光推进性能参数的影响

第八节 本章总结

第六章 超短激光脉冲烧蚀推进实验

第一节 单脉冲水平推进

6.1.1 实验装置

6.1.2 飞秒激光脉冲焦斑大小对推进的影响

6.1.3 飞秒激光脉冲宽度对推进的影响

第二节 多脉冲激光推进

6.2.1 实验装置

6.2.2 多脉冲水平推进的实验结果

6.2.3 多脉冲竖直推进的实验结果

第三节 飞秒激光脉冲成丝推进

6.3.1 实验装置

6.3.2 实验结果及分析

第四节 本章总结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文