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飞秒激光辐照金属超快动力学过程研究

陈安民  
【摘要】:超短脉冲激光加热多层金属薄膜吸引了越来越多的学者的注意,因为这种多层结构有特殊的热力学和电磁特性,可以应用到许多领域。金属的热属性源于金属内的电子与电子和声子与声子的碰撞机制,在多层金属组合里,电子与声子的耦合强度将变得非常的重要。因为同种金属与不同金属的组合,在加热过程中将呈现出不同的热变化。本文主要研究了飞秒激光加热双层金属的热传过程,讨论了激光照射双层金属表面的损伤阈值。主要概括如下: (1)介绍了以傅立叶模型为基础的微尺度热传模型的发展,在小于纳秒时间尺度的脉冲激光加热金属时,由于不同载流子之间存在非平衡态过程,传统的仅仅考虑一种载流子的热传导方程已经不能适合这种时间尺度的加热过程。因此,出现了多步的热传导方程,用以描述不同载流子之间的非平衡态加热过程。 (2)介绍了计算偏微分方程中所用到的常用的数值方法,如何将线性微分方程的差分方法推广到非线性微分方程中。 (3)描述了双温方程中的一些热物理参数,并利用双温方程对飞秒激光加热金属进行了理论研究。计算过程中以铜靶材为例,研究了电子温度和晶格温度的时间和空间的变化关系,讨论了不同的激光能量密度和激光的脉冲持续区间对金属温度变化的影响。 (4)飞秒激光加热金属是一个非平衡态的过程,这个非平衡态主要基于电子和晶格的耦合机制。基于这个物理机制,对双温方程进行了扩展,计算了双层金属薄膜的电子温度和晶格温度随着时间和空间的变化关系。结果发现双层结构能有效的改变温度的分布,利用这种结构可以提高表层金属的激光损伤阈值。 (5)利用飞秒激光泵浦探测技术对激光和双层金属薄膜相互作用的超快电子动力学过程进行了实验研究。同时,利用双温方程进行理论模拟计算,结果显示实验和理论的结果符合的比较好。 (6)对飞秒双脉冲激光诱导铜等离子体光谱进行了研究,对单脉冲和双脉冲产生的光谱强度进行了对比,并用理论的方法进行了解释。


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