飞秒激光诱导表面周期结构中能量阈值和累积效应初探

论文摘要

飞秒激光与物质相互作用产生的一些奇妙现象引起了研究者的极大关注,当线性极化的飞秒脉冲激光以材料烧蚀阈值附近的能量密度入射到靶材表面时,会在表面诱导出类似于光栅的周期性结构。周期性结构的取向垂直于入射激光的极化方向,周期大小与入射激光的波长相当,其形貌受到靶材的物性参数以及入射飞秒激光参数的影响。激光诱导材料表面周期性结构的研究,为快速制作表面纳米器件提供实验基础,并且在改变材料的光学特性、光子学、光电子学和生物光学器件等方面有潜在的应用。本文首先综述了飞秒激光技术的发展、激光与物质相互作用的原理及其表现出来的新特征、飞秒激光的应用以及飞秒激光诱导表面周期性结构的研究进展和飞秒激光与物质相互作用的理论研究概况。其次,我们实验探究了飞秒激光诱导金属靶材表面周期性结构的形成条件,并分析了周期性结构形成的规律。实验探索了飞秒脉冲激光在一定能量密度下,通过改变脉冲数诱导表面周期性结构的形貌特征,并采用ESEM和EDAX进行表征,表明周期性结构形成中没有氧化现象的发生。讨论了几种金属表面周期性结构形成对激光入射角的依赖关系。发现随着角度的增加,几种金属的周期性结构的周期之间的差别越来越大。并对其进行理论分析,验证了实验的结果。最后,结合实验结果,分析了周期性结构产生过程中存在能量阈值ES - th的原因,揭示出单脉冲能量阈值Emono- th的存在,并结合能量累积效应,讨论入射激光能量密度在E （?） E mono -th范围时,存在多脉冲激光诱导表面周期性结构的脉冲数阈值NE-th。最后结合实验,讨论周期结构形成中的能量累积效应及其对表面周期性结构的影响。对激光诱导表面周期性结构的实验研究,以及对周期性结构形成中能量阈值现象和能量累积效应的初探,不仅能够合理的解释飞秒激光诱导金属表面周期性结构随激光的能量密度和脉冲数的演化规律,而且对激光诱导其它材料表面周期性结构的解释,同样具有普适性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 飞秒激光技术简介
• 1.1.2 飞秒激光与物质相互作用的原理
• 1.1.3 飞秒激光与物质相互作用的新特征
• 1.1.4 飞秒激光的应用
• 1.2 飞秒激光与金属相互作用的理论研究概况
• 1.2.1 飞秒激光与金属相互作用理论
• 1.2.2 飞秒激光诱导材料表面周期性结构的现有理论模型
• 1.2.3 现有理论面临的困难
• 1.3 飞秒激光诱导材料表面周期性结构研究进展
• 1.3.1 飞秒激光诱导材料表面周期性结构研究进展
• 1.3.2 激光诱导材料表面周期性结构应用前景
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 飞秒脉冲激光诱导表面周期性结构的实验研究
• 2.1 本实验研究的装置及过程简介
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验过程
• 2.2 靶材表面烧蚀形貌ESEM 表征
• 2.3 飞秒激光诱导表面周期性结构（FLIPSS）
• 2.3.1 表面周期性结构的形成条件
• 2.3.2 表面周期性结构的表现形式
• 2.3.3 表面周期性结构的DEAX 分析
• 2.4 激光入射角对表面周期性结构的影响
• 2.5 本章小结
• 3 LIPSS 能量阈值现象与能量累积效应研究
• 3.1 能量阈值现象
• 3.2 能量累积效应
• 3.3 本章小结
• 4 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 本文创新之处及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 硕士研究生期间完成论文情况