光学专业优秀论文光学专业优秀论文 飞秒脉冲激光对固体材料热损伤的研究飞秒脉冲激光对固体材料热损伤的研究关键词：飞秒脉冲关键词：飞秒脉冲 非傅立叶导热非傅立叶导热 破坏阈值破坏阈值 解析分析解析分析 人工粘性人工粘性 激光脉冲激光脉冲摘要：随着调 Q、锁模等技术的不断发展，人们已经成功地将超短脉冲激光的 时间尺度从 ns 和 ps 量级压缩到了 fs 量级；随着啁啾脉冲放大技术的不断完善， 人们已经把激光脉冲的峰值功率提高了若干个数量级，从而使激光与物质相互 作用这一研究领域进入了一个全新的阶段。 同连续激光和其他时间尺度脉冲 激光器一样，在超短脉冲激光器的使用过程中，所面临的一个主要问题就是激 光器的长期连续稳定运转问题。而这必然涉及到激光系统中的工作物质、谐振 腔镜和输出光路等几个环节及其组成元件的激光损伤问题。 其中的元件主要 指的是激光器系统中的光学元件，如各种反射镜、透镜和窗口等，当然也可以 是整个激光检测系统中所包含的各种光电元器件。除具体结构上的差别之外， 构成各种元件的材料主要可以分为透明介质、金属和半导体等三大类。 以往 的大量实验研究已经表明，在入射激光的脉冲宽度(FWHM) 大于约 10 皮秒的 情况下，大多数光学元件及材料的激光损伤阈值均较好地符合著名的 lt;#39;1/2gt;标度律，即各类元件或材料的激光损伤阈值 通量密度均大致与 lt;#39;1/2gt;成正比。而这一标度律是 与经典傅立叶热传导理论相一致的，或者说是经典傅立叶热传导理论的必然结 果。而当脉宽降至约几个皮秒以下后，激光损伤阈值通量密度 Flt;,thgt;不再遵从 lt;#39;1/2gt;标度律。或 者说，以往用来处理 ns 以上脉冲宽度激光损伤问题的经典的傅立叶热传导方程 以及经典的热应力分析理论已经失效，不再适用于飞秒激光条件下相关问题的 研究。 有鉴于此，在本论文中，我们针对飞秒脉冲激光作用下的透明介质、 金属和半导体三类主要材料的损伤机制等国际上的热点和难点问题，利用理论 分析和数值模拟计算等方法，进行了以下的基础性研究工作： 1飞秒脉冲 激光对透明介质的损伤方面 在对材料的本征吸收和非本征吸收、杂质和缺陷 吸收、电子雪崩电离和多光子电离等损伤机制进行了比较详细的分析后，介绍 了 Stuart 等人所给出的描述透明介质材料体内自由电子密度变化过程的速率方 程理论，并在光束尺寸远大于自由电子的扩散长度和激光脉宽可比拟于自由电 子弛豫时间的双重条件下，分别就指数形式和双曲正割形式两种超短激光脉冲， 对上述速率方程进行了数学解析求解，求解的过程及对结果的数学表达形式， 在国际上均未见相关的类似报道。 之后，针对波长为 1053nm 的飞秒脉冲激 光，利用得到的一系列解析表达式，对不同时刻透明材料体内的电子密度、损 伤阈值与入射激光的脉冲宽度、峰值功率等诸多参数之间的关系，进行了模拟 计算和分析。具体结论如下： (1)当用入射激光的峰值功率密度描述透明介 质的损伤阈值时，入射激光的脉冲宽度越短，则其所对应的损伤阈值越高。如： 300fs 脉冲激光对熔石英的损伤阈值约为 3.5TW/cmlt;#39;2gt;， 而 100fs 脉冲激光的损伤阈值则约 7.5TW/cmlt;#39;2gt;，而 这与前人所得的结果符合得比较好。 (2)当激光脉冲的特征宽度小于 1000fs 时，介质损伤阈值辐照通量与入射激光脉宽之间具有较好的线性关系。而这也 与前人的实验结果相吻合。 第三章中，首先对微分之差商的近似表达的数学 基础、误差、稳定性、收敛性、差分格式的精确度等进行了初步的介绍，并展 开了必要的讨论。其次，给出了在一维和高维空间中数值求解经典傅立叶热传导方程的 Crank-Nicolson 隐式格式和 D#39;Yakonov 交替方向格式。最后， 对用以描述熔融和汽化过程的、傅立叶热传导理论中的界面移动问题等，作了 理论描述和公式推导，得出了界面位置的离散化方程。 第四章中，在对非 Fourier 热传导模型的发展历程及其几个有代表性的阶段性理论，如：CV 波理 论、双相迟滞模型、广义时间迟滞模型、抛物两步模型、双曲两步模型等进行 了简要的介绍，在对非 Fourier 热传导的理论分析方法(如 Boltzmann 输运理论 和量子分子动力学方法等)进行了系统的介绍之后，又对微观热传导模型的数学 求解方法，如解析法和数值法的内涵及发展历程等进行了必要的归纳和总结。 在此基础上，并基于 Qiu，Chen 和 Kaiser 等人的工作，提出了自己的双温双曲 模型。并详细地介绍了该模型的建立过程及数值求解方法-具有人工粘性和时间 步长自适应调节能力的前向差分算法。利用标准 C 语言编制了计算程序，在普 通个人计算机上进行了模拟计算。对特定参数条件下的特定金属材料薄膜-金膜 表面及体内的电子温度、晶格温度、电子热流、晶格热流等参量随时间和空间 的变化规律等，进行了详细的计算与分析，所作的工作内容在国际上均未见过 类似的报道。具体的研究结论如下： (1)在 tlt;,pgt;=0.14ps，Jlt;,0gt;=4700J/mlt;# 39;2gt;激光辐照下，计算所得到的厚度为 200nm 的金膜的损伤阈值为 4700J/mlt;#39;2gt;，而 Al-Nimr 等人在相同参数条件下所得 到的实验值为 0.430.04J/cmlt;#39;2gt;。两者之间符合得 相当好，也就验证了所提出的理论模型的合理性和程序的正确性。 (2)在理 论模型中，电子热容这一参数选择得是否合理，对电子的最大温度及电子与晶 格的热平衡时间等，均会产生较大的影响，而电子热导率对自由电子温度的影 响并不显著。此外，电子-晶格之间的能量耦合过程对晶格温度分布的影响，明 显低于晶格间热传导过程的影响。 (3)电子热流与电子温度一样，都具有明 显的尖峰结构；而除了薄膜前表面以外，其他位置的热流还都具有明显的双峰 结构。 (4)电子热流达到最大值比电子温度达到最大值的时间稍微早一些： 而在同一深度处，电子温度较高时，所对应的电子热流也比较大。 此外，尽 管与电子热流相比，晶格热流的结构相对比较简单，但需要注意的是：在材料 的光学吸收深度范围内，在越深的地方晶格的热流也越大。而这也是单纯的经 典傅立叶热传导理论所根本无法解释的。其主要原因在于体系高度的复杂性， 如电子温度概念的引入、电子与晶格相互作用过程的高度非线性等，具体原因 的揭示也有待更加深入的理论分析和数值模拟计算等工作。 2飞秒脉冲激 光对半导体材料的损伤方面 由于无论是从电学特性还是从光学特性上讲，金 属材料和透明介质材料都应该看作是半导体材料的一种极限情况当半导体 材料中的自由载流子仅仅为电子而并非包含空穴的成分时，并且当自由电子这 种单纯载流子的浓度趋近于材料中的晶格原子的浓度时，半导体材料的电学特 性和光学特性就会强烈地体现出一种金属材料的性质；而当半导体材料中的自 由载流子的浓度趋近于无穷小或者远远低于材料晶格原子的浓度时，半导体材 料的电学特性和光学特性就会强烈地体现出一种透明介质材料的性质。 第五 章中，对已有的半导体材料的激光损伤机制等进行了比较深入的分析、归纳和 总结。具体内容包括： (1)各类激光系统中用到的半导体材料可以分为无源 光学材料和有源光学材料这样两类。无源光学材料的光学强度由激光损伤阈值 (LIDT)来决定，通常用能量密度(J/cmlt;#39;2gt;)或功率密 度(W/cmlt;#39;2gt;)等来描述。而有源光学材料对应的光学强度是由自损伤(Self-damage)现象的判断来获得，其对应的是灾变光学损伤 (COD)发生时所对应的功率密度或能量密度。 (2)在 LIDT 的测量过程中，采 用的判断标准既可以是光学损伤，也可以是电学损伤，还可以是表面形貌损伤。 而有关 COD 的检测，最早是以其电光曲线的突然非可逆性变化的测量来实现的， 并在此之后附以表面损伤形貌的检测来完成的。 (3)与半导体材料的 COD 现 象密切相关的一个问题就是 LD 系统的输出功率与其寿命之间的关系问题：尽管 材料的 COD 通常是采用逐渐增加激光系统输出功率的测试方法获得的。然而 COD 对 LD 系统的寿命也会产生一种必然的影响，其结果也是导致 LD 工作系统 的突然失效。 此外，在本章中，还对半导体材料 COD 的机制和过程，以及改 善半导体激光材料抗损伤阈值的方法等，作了概括性的说明。为下一章“飞秒 脉冲激光对半导体材料损伤过程的理论分析”打下了必要的理论基础。 第六 章中，基于对前一章内容的总结，并在深入查阅大量相关文献的基础上，对各 类半导体材料的激光损伤机制及其过程等有了更深一步的认识： 当亚皮秒超 短脉冲激光与材料相互作用时，入射激光可以将材料价带中的电子激发到导带 上去，并可以使激发出的电子具有非常高的密度 (10lt;#39;21gt;10lt;#39;22gt;/cm lt;#39;3gt;)和温度(gt;=1000K)。同时使大量的共价键遭到 破损，产生一个以等离子体为中介的相变过程。在晶格声子加热产生之前，晶 格的稳定性就已遭到了破坏，这就是所谓的非热熔化过程。 基于上述的认识 以及 Chen 等人于 2005 年公开发表的工作内容，在本章中给出了一个比较完全 的自恰场模型，其基于的是弛豫时间近似的 Boltzmann 方程，所考查的参量有 电子和空穴等两类载流子的密度、密度流、能流密度、载流子和晶格的温度等 之间的关系。 利用上述的自恰场模型及包含粘滞项的有限差分解法，即可完 成超短脉冲激光辐照过程中，相应半导体材料的载流子浓度、载流子温度、晶 格温度等的计算。若结合热-弹塑性等动力学模型，还可完成超短脉冲激光冲击 波及超声波的传播特性及相关超声检测技术的分析。而若结合前一章的内容， 还可考查半导体激光材料在超短脉冲激光条件下的光学强度等。正文内容正文内容随着调 Q、锁模等技术的不断发展，人们已经成功地将超短脉冲激光的时 间尺度从 ns 和 ps 量级压缩到了 fs 量级；随着啁啾脉冲放大技术的不断完善， 人们已经把激光脉冲的峰值功率提高了若干个数量级，从而使激光与物质相互 作用这一研究领域进入了一个全新的阶段。 同连续激光和其他时间尺度脉冲 激光器一样，在超短脉冲激光器的使用过程中，所面临的一个主要问题就是激 光器的长期连续稳定运转问题。而这必然涉及到激光系统中的工作物质、谐振 腔镜和输出光路等几个环节及其组成元件的激光损伤问题。 其中的元件主要 指的是激光器系统中的光学元件，如各种反射镜、透镜和窗口等，当然也可以 是整个激光检测系统中所包含的各种光电元器件。除具体结构上的差别之外， 构成各种元件的材料主要可以分为透明介质、金属和半导体等三大类。 以往 的大量实验研究已经表明，在入射激光的脉冲宽度(FWHM) 大于约 10 皮秒的 情况下，大多数光学元件及材料的激光损伤阈值均较好地符合著名的 lt;#39;1/2gt;标度律，即各类元件或材料的激光损伤阈值 通量密度均大致与 lt;#39;1/2gt;成正比。而这一标度律是 与经典傅立叶热传导理论相一致的，或者说是经典傅立叶热传导理论的必然结 果。而当脉宽降至约几个皮秒以下后，激光损伤阈值通量密度 Flt;,thgt;不再遵从 lt;#39;1/2gt;标度律。或 者说，以往用来处理 ns 以上脉冲宽度激光损伤问题的经典的傅立叶热传导方程 以及经典的热应力分析理论已经失效，不再适用于飞秒激光条件下相关问题的 研究。 有鉴于此，在本论文中，我们针对飞秒脉冲激光作用下的透明介质、 金属和半导体三类主要材料的损伤机制等国际上的热点和难点问题，利用理论 分析和数值模拟计算等方法，进行了以下的基础性研究工作： 1飞秒脉冲 激光对透明介质