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激光诱导金表面周期性结构瞬态特性理论研究

激光与光电子学进展 2025年第1期 205-213页

作者：张静韩冰刘延硕戴晗王仁杰南京理工大学电子工程与光电技术学院

为探讨激光诱导周期性表面结构（LIPSS）形成过程中的瞬态变化，从理论上研究飞秒激光作用下金表面出现周期性结构的动态过程。利用双温模型对金表面的电子和晶格的温度进行计算，利用激发态介电常数计算出金被激光辐照后的瞬态光学特... 详细信息

为探讨激光诱导周期性表面结构（LIPSS）形成过程中的瞬态变化，从理论上研究飞秒激光作用下金表面出现周期性结构的动态过程。利用双温模型对金表面的电子和晶格的温度进行计算，利用激发态介电常数计算出金被激光辐照后的瞬态光学特性的变化，进而探讨折射率、消光系数、散射频率和LIPSS周期的关系。结果表明，材料光学特性、电子-电子散射频率、电子-声子散射频率和LIPSS周期在激光作用后都出现波动，材料光学特性和自由电子散射频率都历经40 ps左右趋于稳定，理论预测与文献报道的实验现象吻合。相比于折射率和电子-声子散射频率，激光辐照后材料的消光系数和电子-电子散射频率对LIPSS周期的影响更显著，通过激发态介电常数用表面等离子体极化激元模型成功预测LIPSS周期在飞秒激光作用后的时间演化特性。

关键词：激光诱导周期性表面结构双温方程瞬态介电常数瞬态光学特性自由电子散射频率表面等离子体极化激元模型

飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究

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物理学报 2017年第10期66卷 191-197页

作者：李志明王玺聂劲松电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室合肥230037

基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变... 详细信息

基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变化(由Drude模型得到的介电常数变化),引入包含双温方程的电子数密度模型.计算结果表明,Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的周期性波纹结构.同时,波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,其空间周期略小于激光波长,并受到入射激光通量的影响.在激光通量为0.38 J/cm^2时,波纹周期达到最小值.另外,还得到了不同入射角度的波纹周期变化情况,并在不同偏振态下随入射角度增大时波纹周期呈现相反的变化趋势.该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要参考意义.

关键词： Sipe-Drude模型表面等离子体激元低频率周期性波纹双温方程

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脉冲激光烧蚀中电声弛豫时间的确定

物理学报 2009年第2期58卷 1077-1082页

作者：胡德志华北科技学院基础部三河065201

为了提高脉冲激光制备薄膜的质量,准确掌握电声弛豫时间是关键,它对脉冲激光脉宽和能量密度的选取起着决定性的作用.文中以铝靶材为例,利用经典的双温方程通过时域有限差分法(FDTD)得到电子、离子亚系统的温度随时间和位置演化的图像,... 详细信息

为了提高脉冲激光制备薄膜的质量,准确掌握电声弛豫时间是关键,它对脉冲激光脉宽和能量密度的选取起着决定性的作用.文中以铝靶材为例,利用经典的双温方程通过时域有限差分法(FDTD)得到电子、离子亚系统的温度随时间和位置演化的图像,进而得到电声弛豫时间的准确值.这样便能准确划分热烧蚀和非平衡烧蚀,从而更好地控制激光的烧蚀过程.同时找出了电声弛豫时间随激光脉宽以及能量密度变化的规律.

关键词：飞秒激光电声弛豫时间双温方程激光能量密度

单晶锗表面预制结构辅助纳秒和皮秒激光诱导周期性结构机理研究

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中国激光 2024年第23期51卷 149-167页

作者：戴晗韩冰张静刘延硕王仁杰南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京 210094

材料表面预制结构可以调控激光辐照材料表面时的电磁场能量分布,进而影响材料表面激光诱导周期性结构的形成.通过在单晶锗材料表面预制结构,研究了不同预制结构参数、不同脉宽激光热效应以及不同波长入射激光对材料表面电磁场能量分布... 详细信息

材料表面预制结构可以调控激光辐照材料表面时的电磁场能量分布,进而影响材料表面激光诱导周期性结构的形成.通过在单晶锗材料表面预制结构,研究了不同预制结构参数、不同脉宽激光热效应以及不同波长入射激光对材料表面电磁场能量分布的影响.结果表明,预制光栅表面熔融区域越大,预制结构槽底电场强度越强,更容易在材料表面产生周期性结构.当预制光栅高度较低时,光栅槽底电场强度会同时受到光栅侧壁和槽底交界处以及光栅侧壁和脊交界处的散射中心的影响,导致光栅凹槽底部的周期性电场分布受到干扰,进而使得光栅凹槽底部不易产生周期性结构.当预制光栅高度较高时,能够进入到槽底的能量较少,光栅槽底同样难以产生周期性结构.此外,在实际应用中0.4～0.6的光栅占空比范围较为合适.对于紫外和红外波段的入射激光,预制结构表面均形成了近波长的周期性电场分布,这导致材料表面出现了近波长的周期性结构.研究结果为预制结构辅助激光诱导半导体表面周期性结构提供了一定参考.

关键词：激光光学预制结构双温方程激光诱导周期性表面结构

超快激光加工的多尺度理论研究及耦合模型构建综述(特邀)

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中国激光 2024年第4期51卷 316-333页

作者：王文君潘爱飞梅雪松西安交通大学机械工程学院陕西西安710064 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710064

超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工,已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石,笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合... 详细信息

超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工,已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石,笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合过程中原子尺度的理论研究,探讨了目前针对超快激光加工的多物理场跨尺度耦合模型,分析了这些模型的仿真结果及局限性,总结了超快激光加工理论模型所面临的挑战,并对未来的研究重点进行了展望。

关键词：超快光学超快激光密度泛函理论电子激发双温方程分子动力学流体力学耦合模型

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飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

强激光与粒子束 2014年第9期26卷 92-97页

作者：邵俊峰郭劲王挺峰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室长春130033 中国科学院大学北京100049

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量... 详细信息

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。

关键词：光学飞秒激光烧蚀双脉冲双温方程温度变化

飞秒激光作用下铝膜烧蚀阈值的分子动力学模拟研究

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中国激光 2024年第16期51卷 316-326页

作者：叶方成陈燕蔡李彬吕永杰叶云霞任云鹏江苏大学机械工程学院江苏镇江212013 江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013

飞秒激光可以实现超越衍射极限的超精密加工,但该过程中的物理机制长期以来未得到研究者的充分理解。采用双温方程与分子动力学相结合的方法研究了在飞秒激光脉冲作用下的铝膜烧蚀阈值。对比了飞秒激光作用下分别在铝膜烧蚀阈值以下和... 详细信息

飞秒激光可以实现超越衍射极限的超精密加工,但该过程中的物理机制长期以来未得到研究者的充分理解。采用双温方程与分子动力学相结合的方法研究了在飞秒激光脉冲作用下的铝膜烧蚀阈值。对比了飞秒激光作用下分别在铝膜烧蚀阈值以下和烧蚀阈值附近铝膜表面原子的运动情况,研究了铝膜表面电子、晶格温度、内部温度和压强的变化情况。在此基础上,研究了飞秒脉冲串与铝膜的相互作用,证明了脉冲串加工技术能以更低的能量密度达到铝膜的烧蚀阈值,并研究了脉冲串中子脉冲个数对烧蚀阈值的影响,发现在脉冲串加工模式下晶格能以更高的效率吸收激光能量,实现高效加工,且形成的热影响区也更小。研究结果为实现飞秒激光精密加工金属材料提供了参考。

关键词：激光技术分子动力学双温方程飞秒激光烧蚀阈值脉冲串

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飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究

光子学报 2017年第10期46卷 23-30页

作者：李志明王玺聂劲松电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室合肥230037

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得... 详细信息

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好.

关键词：飞秒激光硅非热效应双温方程等离子体烧蚀轮廓

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激光脉冲波形对烧蚀Si靶表面温度的影响

强激光与粒子束 2010年第8期22卷 1843-1846页

作者：王世俊王英龙丁学成梁伟华邓泽超褚立志傅广生河北大学物理科学与技术学院河北保定071002

利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟,并结合合适的初始条件和边界条件,研究了在飞秒、皮秒激光作用下,脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明:激光功率密度是影响载流子温... 详细信息

利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟,并结合合适的初始条件和边界条件,研究了在飞秒、皮秒激光作用下,脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明:激光功率密度是影响载流子温升的主要因素,矩形脉冲激光烧蚀Si靶表面载流子的峰值温度最高,而高斯分布的脉冲引起靶面载流子峰值温度最低。可见,激光脉冲波形对Si靶表面载流子的温度分布具有重要影响。所得结果可为制备高质量的薄膜提供理论依据。

关键词：激光烧蚀双温方程脉冲波形载流子耦合时间