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液相环境下飞秒激光烧蚀金属靶材的机理

高海燕  
【摘要】:飞秒激光与材料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,会发生激光烧蚀,产生纳米粒子。纳米粒子的大小和激光能量密度,脉冲宽度,波长等参数有关,但是在气相环境之制备的金属纳米颗粒大小不易控制,易团簇,而且实验条件要求比较高。因此在液相环境下激光烧蚀制备纳米粒子成为人们研究的热点。然而对液相环境下飞秒激光的烧蚀机理以及液体对激光烧蚀的影响还不清楚,因此研究液体对飞秒激光烧蚀的影响及其机理有助于进一步研究如何制备更好的纳米粒子提供理论支持。 本文首先介绍了飞秒激光技术概况、飞秒激光与物质相互作用的原理及其表现出来的新特征、然后概述了飞秒激光的主要应用以及飞秒激光烧蚀靶材制备纳米粒子的研究进展,飞秒激光与物质相互作用的理论研究概况以及在液体环境下飞秒激光烧蚀制备纳米粒子的研究现状。 其次介绍了飞秒激光与金属相互作用机理的理论模型,并在经典双温模型的基础上,建立了描写液相环境下飞秒激光烧蚀金属材料修正模型。然后以铜靶为例,对水膜环境下飞秒激光烧蚀金属靶材的动力学过程进行了数值模拟,并分析讨论了在不同水膜深度下电子和晶格温度随时间演化的规律,以及水膜深度和激光能量密度对飞秒激光烧蚀金属靶材制备纳米粒子的形貌的影响。结果表明:水膜深度越深,激光能量损失越多,晶格的耦合时间越短,越有利于制备小粒径的纳米粒子;激光能量密度越大,电声耦合时间越长,越不利于制备小粒径的纳米粒子。由于水对激光的吸收特性,在实验中必须选择合理的水膜深度和激光能量密度,才能发生烧蚀,产生纳米粒子。 通过对液相环境下飞秒激光烧蚀金属靶材的研究,建立的液体环境下的双温模型较好的说明了水膜下的金属靶材的动力学过程,不仅能解释水膜深度对烧蚀的影响,而且说明了能量密度对烧蚀的影响,为制备高质量的纳米粒子提供了理论线索。


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