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飞秒激光激发固体薄膜超快热弛豫特性研究

杜广庆  陈烽  杨青  司金海  侯洵  
【摘要】:飞秒激光具有脉冲宽度极窄、峰值功率极高的特点,飞秒脉冲与固体薄膜作用的超快热弛豫过程不同于长脉冲激光作用的情况。对于金属薄膜,长脉冲激光(ns脉冲激光)激发过程中金属自由电子和晶格始终处于平衡状态;然而,飞秒脉冲会导致薄膜内出现非平衡热弛豫过程(电声解耦弛豫)。飞秒激光与金属作用的超快热弛豫过程通常用双温模型(Two Temperature Model)描述,该模型中涉及到飞秒激光自由电子吸收及超快电声热弛豫过程。大约在几十个ps量级金属自由电子和晶格温度达到热平衡,双温弛豫结束。本文在传统的双温模型(TTM)基础上,提出了时间序列热弛豫模型,该模型考虑了双温弛豫结束后的傅里叶热扩散弛豫过程,借助有限元方法数值求解了该模型并得到了飞秒脉冲与Au膜及多层金属膜系作用的2-D温度场进化规律,并着重分析了激光参数和薄膜参数对电声弛豫时间的影响,结果表明:激光脉宽、激光能量密度、脉冲链间隔、脉冲数以及薄膜厚度、反射率等都对电声弛豫时间有不同程度的影响,该结论对于调节金属烧蚀中电声弛豫周期,进而为控制飞秒激光烧蚀过程精度提供了新的思路。另外,模拟结果表明:不同的膜层配置会导致不同的温度场分布规律,我们分析了多金属层膜系中不同膜层配置导致温度场分布变化的原因,该研究对于寻找高损伤阈值膜系及其在强场激光领域中的应用有着重要的意义。

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