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飞秒激光微精细加工理论与实验研究

倪晓昌  
【摘要】:本论文对飞秒激光应用于微纳加工领域进行了部分理论与实验研究工作。论文的主要内容包括: 一、采用几种不同模型实现飞秒激光与金属、电介质以及聚合材料作用过程的描述。对金属材料,通过数值分析约化后的双温模型,对飞秒激光与金属材料相互作用过程进行研究,确定了电子与晶格的耦合时间,并与长脉冲情形进行比较,同时又考虑了脉冲串对材料作用结果的影响;对电介质材料,通过飞秒激光在电介质内传输模型的表述,考虑飞秒激光的时空传输特性,对等离子体产生过程进行分析以及模型设计,并与长脉冲情形做了比较。 二、从脉冲形状出发,分析高斯形飞秒激光与烧蚀孔径横向尺度的关系:若用ρ表示脉冲能量降为脉冲中心峰值能量E0一半时的光束半径,Et表示材料出现烧蚀时的阈值能量。那么烧蚀孔半径r与ρ的关系为可以表示为:r2=ρ2(lnE0-lnEt),实验中采用针孔扫描法探测了所用飞秒激光的光斑形状。同时采用光束传输模型,实现了飞秒激光在透明材料内部加工光学器件的模型设计,使得飞秒激光加工具有特定参数的微光学器件成为可能。 三、对飞秒激光加工光学平台以及光学显微系统进行测试,实现飞秒激光加工平台的搭建,并对所用飞秒激光器各项参数对光束质量的影响因素进行了测试;为获得足够多的实验信息,采用几种探测方法实现烧蚀监测及焦点横向定位,提出了适用于加工薄片形透明材料的相干探测方法,实现了焦点纵向定位。 四、塑料光纤在降低损耗和提高带宽方面取得的突破性进展,使得其在宽带短距离通信网络中具有显著竞争力,相应的带动了塑料光纤相关微光学链接器件研究热潮。实验对飞秒激光与常用的塑料光纤芯材料(PMMA,PC)相互作用机理进行了研究,并最终实现了该有机材料内部微光学器件的刻划。同时实验观察到飞秒激光在有机材料内产生的一些非线性现象,并给出了相应的实验分析。


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