飛秒激光與物質(zhì)相互作用的超快光學(xué)診斷.pdf

1、飛秒激光因其極短的脈沖寬度和極高的峰值功率等特點(diǎn)為強(qiáng)場物理及超快探測領(lǐng)等科學(xué)研究領(lǐng)域開辟了新的方向，同時也為在微納加工、生物和醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。在與飛秒激光相關(guān)的諸多研究和應(yīng)用中，飛秒激光與物質(zhì)相互作用是最基本的物理過程。對飛秒激光脈沖與物質(zhì)相互作用機(jī)制的研究，對飛秒激光脈沖技術(shù)的應(yīng)用以及對物理科學(xué)本身都有極其重要的意義。然而目前為止，人們在對這一過程的認(rèn)識和研究中，還存在許多未能解答的科學(xué)問題。本文對飛秒激光與金屬

2、、透明固體等物質(zhì)在不同的環(huán)境下相互作用的超快過程進(jìn)行了實(shí)驗和理論研究，其主要研究內(nèi)容如下：
　　 1．利用飛秒脈沖數(shù)字全息術(shù)和時間分辨陰影成像技術(shù)對高能流飛秒激光燒蝕固態(tài)物質(zhì)過程中物質(zhì)噴射的動態(tài)過程進(jìn)行了研究。我們在400nm和800nm這兩個截然不同的探測光波長下，在燒蝕鋁、銅、鎳、鎢、硅和石英玻璃過程的全息圖中觀察到了不同方向的干涉條紋移動現(xiàn)象。我們認(rèn)為這一現(xiàn)象是由折射率大于1的中性物質(zhì)的噴射造成的。
　　 2．根據(jù)

3、從全息圖計算得到的相位差圖以及與之對應(yīng)的陰影圖，我們推測出了不同位置處噴射羽流的成分：在沖擊波前端和接觸前端之間的物質(zhì)為自由電子、鋁離子和空氣等離子體；在接觸前端內(nèi)部的物質(zhì)包含了大量折射率大于1的中性物質(zhì)；而在第二個接觸前端內(nèi)部的物質(zhì)幾乎全部為中性物質(zhì)。
　　 3．根據(jù)噴射物的物質(zhì)成分推斷出了每次物質(zhì)噴射所涉及的機(jī)制。其中第一次物質(zhì)噴射的機(jī)制為離子/原子化；第二次物質(zhì)噴射的機(jī)制為機(jī)械膨脹和臨界點(diǎn)相位分離；第三次物質(zhì)噴射的機(jī)制為機(jī)

4、械膨脹。
　　 4．采用雙溫模型對飛秒激光燒蝕鋁靶過程中物質(zhì)的溫度變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗證了在我們的實(shí)驗中臨界點(diǎn)相位分離機(jī)制發(fā)生的可能性，并對燒蝕過程中較大深度范圍內(nèi)和較大延遲時間范圍內(nèi)電子和晶格溫度變化特性及其相關(guān)的熱過程進(jìn)行了計算和分析。
　　 5．針對激光微加工實(shí)際應(yīng)用中所采用的多脈沖加工方式，我們記錄下了多個飛秒脈沖燒蝕鋁靶過程中物質(zhì)噴射的時間分辨的數(shù)字全息圖和陰影圖，并且通過研究噴射羽流的性質(zhì)分析了燒蝕彈坑對物

5、質(zhì)去除以及靶內(nèi)吸收的激光能量的分配產(chǎn)生的影響。
　　 6．為了觀察燒蝕過程中目標(biāo)靶內(nèi)部的現(xiàn)象，我們選用石英玻璃這一具有光透明性的物質(zhì)作為燒蝕的目標(biāo)靶，并采用脈沖數(shù)字全息技術(shù)和時間分辨陰影成像技術(shù)，同時對飛秒激光燒蝕石英玻璃過程中目標(biāo)靶外部和內(nèi)部的動態(tài)過程進(jìn)行了記錄。在陰影圖中，我們在目標(biāo)靶外部觀察到了兩次物質(zhì)噴射，并且在目標(biāo)靶內(nèi)部觀察到了成絲現(xiàn)象和多個傳播速度不同的應(yīng)力波。我們認(rèn)為第一個應(yīng)力波是熱彈力波，而第二個和第三個應(yīng)力波是

6、由機(jī)械膨脹產(chǎn)生的，并且靶內(nèi)部的多個應(yīng)力波分別對應(yīng)于把外部的多次物質(zhì)噴射。在此基礎(chǔ)上，我們描述了飛秒激光燒蝕透明介質(zhì)過程中不同階段發(fā)生的物理機(jī)制。
　　 7．對飛秒激光燒蝕石英玻璃過程中各個應(yīng)力波產(chǎn)生的閾值進(jìn)行了研究。結(jié)果表面第一個、第二個和第三個應(yīng)力波產(chǎn)生的閾值分別為2J/cm2、6J/cm2和31J/cm2。此外，通過對各個應(yīng)力波的速度進(jìn)行研究，我們發(fā)現(xiàn)第一個應(yīng)力波是傳播速度大于聲速的超聲速沖擊波，第二個應(yīng)力波是傳播速度小于聲

7、速的塑性應(yīng)力波或亞聲速沖擊波，而第三個應(yīng)力波是傳播速度接近于聲速的聲波。
　　 8．我們對脈沖結(jié)束時產(chǎn)生的壓力和電子密度進(jìn)行了理論計算。計算結(jié)果表明，飛秒激光燒蝕石英玻璃過程中產(chǎn)生的壓力可高至TPa量級，而產(chǎn)生的自由電子密度可以達(dá)到1022-1023/cm3量級。另外，當(dāng)激光能流高至308 J/cm2時，SiO2分子中所有的價帶電子將躍遷至導(dǎo)帶，此時自由電子密度達(dá)到最大值6.6×1023/cm3。
　　 9．通過對飛秒激

8、光燒蝕石英玻璃過程中目標(biāo)靶外部全息圖進(jìn)行數(shù)字再現(xiàn)，我們得到了與噴射物和等離子體相關(guān)的動態(tài)相位信息，并據(jù)此推斷出了噴射物的成分和結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)燒蝕石英玻璃產(chǎn)生的噴射羽流的結(jié)構(gòu)和成分與燒蝕金屬鋁靶產(chǎn)生噴射羽流的結(jié)構(gòu)和成分相似。這也說明了強(qiáng)飛秒激光燒蝕這兩種物質(zhì)的機(jī)制相似。通過對目標(biāo)靶內(nèi)部全息圖的數(shù)字再現(xiàn)，我們得到了與成絲和應(yīng)力波相關(guān)的相位信息，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力波引起的物質(zhì)壓縮和拉伸，并觀察到了成絲引起的相位變化。
　　 10.采用泵浦-探