高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应
飞秒激光烧蚀研究进展
量开支。”
以原予水平测量
直到最近，还不能对反射镜面 几个原子高低的点进行准确测最。 两年前该组研制的一种干涉仪，获 得“研究与开发１００项”奖。浚干 涉仪称为“相移衍射干涉仪”（Ｐｓ— ＤＩ），它的研制成功改变了这一情
测量波前通过被测的光学系 统，在波面小产生像差，将其聚焦
ＶＯｌ ３９．Ｎｏｌ２ Ｄｅｃ ２００２
在另一光纤的端面。此处波面由光 纤端面的一个平射金属膜反射，与 参考波面产生干涉，形成干涉图 案。然后将此图案用电荷耦合相机 ｆ己录。
过去三年，利用此种干涉仪测 量＿『许多极紫外光学件，包括凹和 凸球面和球面镜以及完成的投影 系统。相移衍射干涉仪现已成为一 种町靠的生产Ｔ－具，测量那些非球 面光学件的总面形，其规格为 Ｏ ５ｆｍ或更小，已成功地测量低达 Ｏ ３５ｎｍ表面形状误差。里弗莫尔测 量组正将此系统升级，使之ＨＪ以＿｝｝＝『 来测量低到Ｏ．１５ｎｍ的总表面形状
况。” 像所有的干涉仪一样，此种干
涉仪使用两个光波的干涉网形来 测量物体和现象。这些光波波段通 常都不完美，因为发ｆ｛｛这些光波的 表而或透镜并不完美。仟何不完美 都会产生测量误差。此种“相移衍 射干涉仪”则用衍射产生近于完美 的球形波面。在相移衍射干涉仪 中，两光束分别通过两根光纤，当 光离开每根光纤的端而时，产生衍 射，形成近乎完美的球形波面。由 于两个波面独立产生，它们的相对 振幅和位相可被控制，可以进行对 比调节和相移，提供尽可能高的准 确度．
激光诱导烧蚀过程的建立需 要一定的时间且与激光场强度有 关。对给定激光脉宽，只有当激光 场强超过一定值时，等离子体密度 才能达到发生不可逆损伤时的阈 值。该临界值通常以激光能流闯值 来表示。研究表明：从连续波到脉 冲宽度几十个皮秒，烧蚀过程是离 子雪崩，始于内部电子。在该脉宽 范同，烧蚀能流密度阈值与脉宽的 平方根成比例。同时，从事超短脉 宽烧蚀阈值的研究也在进行…ｍ，并 发现偏离了脉冲宽度平方根法则。 更为重要的是，对长脉冲，能量在 很大范围内变动均可引起烧蚀，而 当使用超短激光脉冲时，情形发生 了巨大改变。如图４所示：烧蚀阈 值的波动限制在很小区域内，也就
飞秒激光烧蚀光斑图像的周期灰度变化分析
第42卷第3期 激光杂志Vol.42，N a3 2021 年 3 月LASER JOURNAL March,2021飞秒激光烧蚀光斑图像的周期灰度变化分析王福斌1，孙志林1，刘梦竹1，Paul Tu21华北理工大学电气工程学院，河北唐山063210;2卡尔加里大学机械及制造工程系，加拿大卡尔加里T2N 1N4摘要:在不同的飞秒激光烧蚀功率下，由于核心烧蚀区被烧蚀掉的材料体积不同，使得衍生的等离子体 发光强度也不同。
因此，有必要研究序列烧蚀光斑图像灰度变化与烧蚀工艺之间的关系。
首先，连续采集2 400帧光斑图像，获得光斑图像的灰度周期变化曲线，并对曲线进行小波去噪处理；其次，分析光斑图像周期性 灰度变化曲线与烧蚀加工周期间的关系；再次分析了不同烧蚀状态下的光斑图像熵与光斑图像灰度间的对应 关系；最后，分析了同一烧蚀功率，不同烧蚀时刻下烧蚀光斑图像灰度变化的稳定性。
研究结果表明：烧蚀光斑 灰度的周期变化与激光工作台的周期运动一致。
在工作台向左或向右运动时，烧蚀过程是稳定的，光斑较亮。
而在左右端点处，烧蚀光斑灰度值较低。
关键词：飞秒激光；光斑图像；激光烧蚀；图像灰度中图分类号：文献标识码：A doi：10. 14016/ki.jgzz.2021.03. 126Analysis of periodic gray level change of spot image ablated by femtosecond laserWANG Fubin1, SUN Zhilin1，LIU Mengzhu1，Paul Tu21School o f Electrical Engin eering, North China University o f Science and Technology, Tangshan H ebei，063210，C h ina;2 Department o f M echanical and M anufacturing Engineering, University o f Calgary ^C algary C an a da,72A^1A^4, CanadaAbstract：Under different femtosecond laser ablation power,due to the different volume of the ablated material in the core ablation region,the emission intensity of the derived plasma is also different.Therefore,it is necessary to study the relationship between the grey level change of sequential ablation spot image and ablation process.Firstly, 2400 frames of spot images are collected continuously to obtain the spot image*s grey periodic curve,and the wavelet denoising is performed on the curve.Secondly,the relationship between the spot image?s periodic grey change curve and the ablation cycle is analysed.Thirdly,the corresponding relationship between the spot image1s entropy and the spot image*s grey level under different ablation states is analysed；Finally,the stability of grey level change of ablation spot image under the same ablation power but different ablation time is analysed.The results show that the periodic change of the ablated spot’s grey level is consistent with the laser table’s periodic motion.When the worktable moves to the left or right,the ablation process is stable,and the spot is bright.However,the ablated spot*s grey value is low at the worktable*s left and right ends.Key words：femtosecond laser；spot image；laser ablation；image grayscalei引言飞秒激光作为超精细微纳加工手段受到了越来收稿日期:2020-10-14基金项目：河北省专业学位教学案例（库）建设项目（N o.KCJSZ20I9096) 通讯作者：王福斌（ 1968-),男，副教授，博士，主要研究方向：机器视 觉、飞秒激光烧蚀微尺度结构图像分析。
飞秒脉冲激光烧蚀靶材机理的探讨
摘 要： 飞秒脉 冲激光烧蚀靶 材的研 究发现 ， 激光和靶材 的相 互作用不遵 守傅 立叶定律 ， 热烧蚀模 型不再适 用。本文 首
先分析 了 究超短脉 冲激光烧蚀过程 中电子和 离子亚 系统之 间相互作用程度 的双温模 型 ， 出发 ， 研 由此 结合飞秒脉 冲激光
激光和固体相互作用的过程在 ｌＯ ｓ Ｏ ｎ 左右的时间内完 成， 这是一个 复杂和剧烈 的瞬态过程 ， 它与激 光的波
其中 、 为电子及晶格系统 的温度， ｃ 为电 ｃ 子及晶格系统单位体积的比热容 ， 为电子热传导率 ， ｇ 为电子与晶格耦合的特征参数 ， （ ，） Ａ ｔ为与激光脉
冲相对应 的热源项。 以该模型为基础 ，９４年 ， 国学者 Ｊ ． ｕｎ １８ 英 ．Ｇ Ｆｊ 一 ｉ
收稿 日期 ：０ ０— ６— ０ ２１ ０ ２
长、 脉冲宽度、 脉冲能量和 固体的成分、 结构有关 。从
・
５ ・ ４
ｍ ｔ用皮秒与飞秒激光器对铜材 料进行 了确定耦合 ｏ ｏ
特征参数的研究。１８ 年 ， ９７ 美国学者 Ｈ Ｅ Ｅｓｙｄ ． ． ｌ ｅ一 ａ 利用 １０ 及 ３０ｓ ５ｆ ｓ ０ｆ 的激光脉冲研究热量在铜薄片 中的传导 ， 发现了电子与晶格的温度差异 ， 得出电子与 光子的能量传递过程为几个 皮秒的量级 ， 并随着激光 能量的提高而延长。１８ ９ ８年 ， 加拿大学者 Ｐ ．Ｃｒ ．Ｂ ｏ － ｋｍ对 双温模 型进 行 了解 析 求解 ， 与 铜 和 钼烧 蚀 阈 ｕ 并 值的实验值进行比较 ， 认为脉冲间隔小于纳秒量级时 ， 用双温模型可以很好地理解激光脉冲作用于金属时引 起 的损伤 。 对 金属 材料 ，９ ６年 德 国学 者 Ｂ ．Ｃ ｉ ｋｖ用 １９ ．Ｎ ｈｃ ｏ ｈ 钛宝石激光脉 冲烧蚀金 属靶材料研 究。利用 双温方 程， 在不同的激光脉冲间隔内， 约化双温方程 ， 求得解 析解 ， 定量地揭示了飞秒激光烧蚀材料较 长脉冲具有 规则形状 ； 同时， 在脉冲间隔为纳秒量级 时的解析解 ， 揭示了烧蚀率对能流域值 的对数关 系， 关系也适用 该 于半导体材料及聚合物 。 ２０ ０２年，．Ｋ ｈｎ等 ， Ｊ ．Ｃ ｅ 综合 双温模型及热 电子 爆炸模式 ， 在假定单轴应变三维高压条件下 ， 提出一系 列相互关联的瞬时热 弹性变形方程。数值结果表明 ， 在超短脉冲激光烧蚀过程 中， 非熔融态损 伤 占支配地 位， 这种非熔融态损伤主要动力来源于热 电子爆炸力 。 ４ 飞秒 激光烧 蚀靶 材
多晶硅的高重频皮秒脉冲激光损伤研究
多晶硅的高重频皮秒脉冲激光损伤研究文章进行了高重频皮秒激光辐照多晶硅的损伤实验研究，分析了多晶硅材料激光辐照区域的损伤形貌，探究了多晶硅的多脉冲损伤损伤机制。
实验结果表明：多晶硅的损伤形貌主要分为热熔区、热影响区及激光无作用区三个区域。
多晶硅的多脉冲损伤机制主要是热积累和微缺陷积累。
标签：多晶硅；高重频脉冲；激光损伤；损伤机理1 概述多晶硅作为光电探测器的主要材料，也是当今硅太阳能电池的重要组成部分。
采用激光技术来制备太阳能电池，有提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染等优点，是目前太阳能电池研究和开发的热点[1]。
随着大功率激光器的发展，在强激光作用下太阳能电池损伤效应成为研究的热点问题[2]。
激光具有单色性好、方向性好、亮度高、相干性好等优点，自从上世纪六十年代第一台激光器研制成功，激光以其优异的特性被广泛应用到工业、生物医疗、军事对抗等众多领域，且激光的应用都涉及到激光与物质相互作用问题。
所以，研究高重复频率脉冲激光辐照多晶硅材料的损伤机理，对于探寻激光与物质的相互作用机理和优化多晶硅元件的抗激光损伤特性都具有重要的理论和实际意义[3]。
多脉冲激光辐照材料时，材料的低烧蚀阈值可能在低脉冲能量高重频激光加工中应用，以提高加工效率。
2 半导体材料的单脉冲激光损伤机理分析国内外关于半导体材料的单脉冲激光损伤机理进行大量的研究。
1986年El-Adawi M K等研究了激光辐照半导体材料的加热机理[4]。
1997年倪晓武等进行了强激光对半导体材料的破坏研究[5]。
1999年，沈中华等对皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理进行了研究[6]。
他们在2001年还对半导体材料硅的单脉冲和多脉冲激光损伤现象进行分析研究[7]。
半导体材料对于激光有效的吸收机制主要有：本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收等。
本征吸收是半导体材料的主要吸收机制，即价带电子吸收光子能量跃迁到导带，从而产生空穴-电子对。
266nm飞秒激光烧蚀单晶硅的分子动力学模拟
关 键 词 ： 飞秒 激光 ； 单 晶 硅 ； ｓ 势 ； 分 子 动 力 学 ； 应 力 波 ｗ
些 热点 问题 进行 了定 性 研究 。
本 文用 分子 动力 学 方法研 究 了 ２ ６ｎ 飞秒激 光 脉 冲与单 晶硅 的相 互作 用 过程 ， ６ ｍ 通过 对 算 例 的研究 分 析 ， 从 微观 的角 度揭 示 了飞 秒激光 的烧蚀 现象 和激光 诱 导应 力 波 的传播 过程 。
摘 要 ： 基 于 Ｓｉｉｇｒ ｅｅ（ ｗ） 和 “ 一 区 ” 型 ， 分 子 动 力 学 方 法 模 拟 了 ２６ｎ 飞 秒 激 光 烧 蚀 ｔｌ ｅ－ ｂｒＳ 势 ｌｎ Ｗ ｚ分 模 用 ６ ｍ 单 晶 硅 的 过 程 ， 出 了烧 蚀 过 程 的物 理 图像 ， 蚀 过 程 中材 料 内部 缺 陷 的 产 生 与 发 展 最 终 导 致 整 层 材 料 被 移 给 烧
维与 粒 子 束
Ｈ Ｉ （ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＢＥＡＭ Ｓ ＣＩＥ
Ｖｏ１ ２ ＮＯ． ． Ｏ。 ８
Ａｕ ｇ．， ００ ２ ８
文章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ ０ ） ８ １ ６ — ５ ０ １４ ２ （ ０ ８ ０ — ３ ０ ０
２ ６ａ 飞 秒 激 光 烧 蚀 单 晶 硅 的 分 子 动 力 学 模 拟 ６ ｍ
王丽梅 曾新吾 ，
（ ．国 防科 学 技 术 大 学 理学 院 ，长 沙 ４ ０ ７ ； ２ １ １ ０ ３ ．国 防 科 学 技 术 大 学 光 电科 学 与 工 程 学 院 ，长沙 ４ ０ ７ ） １０ ３
高能激光武器的破坏效应主要有热烧蚀破坏效应
高能激光武器的破坏效应主要有热烧蚀破坏效应0000热烧蚀破坏效应激光照射到目标上后，目标材料物质的电子由于吸收光能产生碰撞而转化为热能，使材料的温度由表及里迅速升高，当达到一定温度时材料被熔融甚至气化，由此形成的蒸气以极高的速度向外膨胀喷溅，同时冲刷带走熔融材料液滴或固态颗粒，从而在材料上造成凹坑甚至穿孔，这种效应称为热烧蚀破坏效应。
热烧蚀破坏效应是激光武器最重要的毁伤手段。
1?热烧蚀破坏效应的特性实验表明，热烧蚀破坏效应与激光光源参数、外界环境参数和材料物质参数密切相关。
激光光源参数包括激光波长、功率密度、激光作用时间、激光束的时空结构(脉冲或连续波)等;外界环境可以是真空环境、各种大气环境和人工设计的具有易反射或易吸收功能的各种环境;材料物质的参数既包括材料的比热系数、热传导系数、热扩散系数、熔点等热物理性能参数，也包括材料的弹性模量、屈服强度、拉伸断裂强度等力学性能参数。
这些参数的不同，将导致激光对材料的热烧蚀破坏效应的不同。
1998年12月，南京理工大学通过精密的计算和严格试验完成了《激光武器的毁伤机理与防护技术》报告。
根据这个技术报告，可以对激光的热烧蚀效应总结出以下若干重要结论:(1)在激光对材料的热烧蚀破坏过程中，材料表面温度与激光作用时间的平方根成正比，即激光对材料作用的时间越长，材料表面的温度越高。
对于给定能量的脉冲激光，当增加功率密度时，缩短脉冲持续时间，则加热时间必然缩短，而材料表面的温度将会升高。
也就是说，使用峰值功率高、持续时间短的脉冲激光可以更有效地对材料表面加热。
但是，高功率脉冲激光与材料作用时，材料表面产生的等离子体的屏蔽作用对激光的烧蚀效果又有负面影响。
(2)激光对材料的热烧蚀破坏阈值既可用能量密度阈值描述，也可用功率密度阈值描述。
在矩形短脉冲情况下，激光对给定材料破坏的能量密度阈值是一个常数，而功率密度阈值与脉宽成反比;在矩形长脉冲情况下，激光对给定材料的破坏能量密度阈值与脉宽的平方根成正比，而功率密度阈值与脉宽的平方根成反比。
飞硅的过程
飞硅的过程飞硅是一种新兴的技术，它可以改变硅材料的结构和性质，从而为制造业带来巨大的变革和突破。
本文将详细介绍飞硅的概念、原理、应用以及未来发展趋势。
一、飞硅的概念和原理飞硅是一种利用激光技术对硅材料进行加工的方法。
激光通过高能量的光束照射硅材料，使其发生化学反应或物理变化，从而改变硅的结构和性质。
飞硅的原理主要包括以下几个方面：1.光热效应：激光能量被吸收后转化为热能，使硅材料的温度升高，达到化学反应或物理变化所需的条件。
2.化学反应：高温下硅材料与其他物质发生化学反应，形成新的化合物或改变硅的结构。
3.晶体生长：激光加热后的硅材料在经历快速冷却过程中，晶体生长形成新的晶体结构和性质。
通过控制激光的功率、波长和持续时间等参数，可以精确地控制硅材料的加工过程，实现对硅材料的精细加工和改性。
二、飞硅的应用飞硅技术在制造业中具有广泛的应用前景，以下是一些典型的应用示例：1. 飞硅刻蚀利用激光对硅材料进行刻蚀，可以实现微米级别的图案制作和结构加工。
飞硅刻蚀可以广泛应用于集成电路、微电子器件、光学元件等领域。
通过精细的激光加工，可以大大提高产品的性能和稳定性。
2. 飞硅合金化飞硅合金化是将硅材料与其他金属或非金属元素进行合金化处理，从而改善硅材料的性能和特性。
飞硅合金化可以应用于金属材料的改良、半导体器件的优化等领域。
3. 飞硅纳米结构制备通过控制激光加工参数，可以在硅材料中制备出纳米级别的结构和孔洞，从而改变硅材料的光学、电学和磁学性质。
飞硅纳米结构制备在纳米材料研究、传感器制备、光学器件等领域具有广泛应用价值。
4. 飞硅光子器件制造利用飞硅技术对硅材料进行光子器件制造，可以实现高效能的光电子器件。
飞硅光子器件制造可以广泛应用于通信、信息处理、光学传感等领域，推动光电子技术的发展。
5. 飞硅医学应用利用飞硅技术可以对人体组织进行精细加工，实现微创手术和高精度治疗。
飞硅医学应用可以广泛应用于外科手术、激光治疗、组织工程等领域，为医疗技术带来新的突破。
飞秒激光烧蚀CuZr非晶合金机理与烧蚀区结构分析
Ｍ ｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｓ ｍ ｏ ｆ Ｆｅ ｍｔ ｏ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎｄ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ａｂｌ ａｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ＣｕＺｒ Ａｍ ｏ ｒ ｐｈｏ ｕｓ Ａｌ ｌ ｏ ｙ ａ ｎｄ 】 Ｉ ｉ ｃ ｒ ０ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ｅ ｏ ｆ Ａ ｂｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｚｏ ｎｅ’ Ｓ Ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ
ｆ ｒ ｏ ｍ ４ ０ ｍＪ ／ ｃ ｍ ｔ ｏ ２ ０ ０ ｍＪ ／ ｃ ｍ ． Ａｔ ｌ Ｏ Ｗ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ． ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｉ Ｓ ｍｅ ｃ ｈ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ， ａ ｎ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｍｏ ｖ ａ ｌ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ． Ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｏ ｒ ｄ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ｏ ｆ Ｃ ｕ Ｚ ｒ ａ ｍｏ ｒ ｐ ｈ ｏ ｕ ｓ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉｂ ｒ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ —
材 料 未发 生 明显 晶 化 。 关键词 ： 飞秒 激 光 ； 双 温 方程 ； 分 子 动力 学 ； 非 晶合 金 ； 径 向分 布 函数
飞秒激光在材料加工中的热效应研究
飞秒激光在材料加工中的热效应研究飞秒激光是一种高能量、短脉冲、高平均功率的激光，具有独特的物理特性和广泛的应用前景。
在材料加工领域，飞秒激光已经成为一种重要的加工工具。
它能够实现高精度、高效率的微细加工，取得了显著的研究进展。
本文将重点探讨飞秒激光在材料加工中的热效应研究。
首先，我们需要了解热效应在飞秒激光加工中的重要性。
由于飞秒激光的超快脉冲宽度，其能量较短时间内集中在材料表面非常小的区域内，并迅速沉积能量。
这种非线性吸收作用使得材料发生光热效应，导致材料的显微结构和热力学性质发生变化。
因此，研究飞秒激光加工中的热效应对于深入理解材料的物理化学性质、优化加工过程具有重要意义。
其次，飞秒激光加工中的热效应主要表现在材料的热膨胀、熔化和汽化过程中。
飞秒激光脉冲能够在瞬间产生高温，使得材料局部热膨胀，并且由于热惯性的存在，热传导速度很小，导致局部区域发生热应力，进而引起材料的破裂。
另外，当超过材料的熔点时，飞秒激光能够使材料迅速熔化，形成液态区域，并通过表面张力与冷却速率之间的竞争，控制材料的结晶状态。
而当能量密度继续增加时，材料会发生汽化，形成等离子体，从而进一步改变材料的物理性质。
进一步研究飞秒激光加工中的热效应，不仅可以优化加工工艺参数，提高加工效率和质量，还可以拓展新的应用领域。
例如，在微电子器件加工中，了解热效应有助于控制材料的晶格结构和电子输运性质，从而提高器件的性能和可靠性。
在生物医学应用中，通过控制热效应可以实现精确的组织切割、凝固和焊接，为医学手术提供了新的选择。
然而，研究飞秒激光加工中的热效应也面临一些挑战。
首先，由于飞秒激光和材料之间的相互作用很复杂，需要综合考虑光学、热学、动力学等多个因素，建立准确的数学模型。
其次，飞秒激光加工中的热效应通常是瞬态的，需要采用高速成像技术来实时观察和分析。
此外，不同材料对飞秒激光加工中的热效应具有不同的响应，因此需要针对不同材料开展针对性的研究，以实现更好的加工效果。
飞秒激光对材料表面处理效果的影响研究
飞秒激光对材料表面处理效果的影响研究一、引言在现代工业当中，对于材料表面的处理是十分关键的环节。
无论是金属的切割还是塑料的雕刻，表面处理的好坏都会直接影响着产品的质量和性能。
而在材料表面处理的手段当中，激光技术可以说是一种非常重要的方法。
而作为激光技术当中的一种，飞秒激光广泛地应用在材料表面处理领域当中。
因此，本文将会以飞秒激光对材料表面处理效果的影响研究为主题，对飞秒激光的原理、技术特点及其对材料表面处理效果的影响进行深入地探讨。
二、飞秒激光的原理飞秒激光的原理是基于纳秒脉冲激光的基础上，对其进行加工升级优化得到的。
飞秒激光使用的是超短脉冲（即10^-15秒）的激光，相比之下，化学键的振动周期是在10^-14秒到10^-12秒之间，因此超短的激光脉冲可以对材料的化学键进行单击，使得材料的表面被氧化或过度去质子化。
长时间的可以切割物理过程转化为可以刻蚀的化学过程，最后再由光热效应使得材料的表面产生坑穴或起伏，从而达到处理表面的效果。
三、飞秒激光的技术特点1、成像和定位精度高由于飞秒激光在切割材料的过程当中基本上是没有熔化的过程，因此，它可以取得较为理想的切割效果。
而且根据加工物体大小的不同，可以灵活地调整激光的直径或者偏置量，来达到更好的加工效果。
2、热影响范围小由于超短脉冲的特性，飞秒激光对材料的加工过程中相对较弱的热效应使得激光在切割的时候对材料的加工精度和切割质量有着很好的保证。
因此，在处理对于材料表面加工精度和质量要求较高的物品的时候，飞秒激光是一种非常重要的工具。
3、时间转化高由于飞秒激光的脉冲时间和化学键振动周期的尺度相当，所以可以通过反复振动给材料传递足够的能量，使其产生理想的加工效果。
这个过程完成后，飞秒激光即可停止，因此时间转化相对较高上也有所保证。
四、飞秒激光对材料表面处理效果的影响1、加工品质高由于飞秒激光的技术特点，使得其在加工材料的时候，不会出现任何的机械破坏甚至影响后续使用的过程。
飞秒激光诱导硅材料表面周期结构的研究
飞秒激光诱导硅材料表面周期结构的研究高胜淼;闫珂柱;韩培高;许春玉;王荣新【摘要】为了研究飞秒激光诱导的硅材料周期表面结构，采用了理论分析和实验验证相结合的方法，对波纹周期与入射激光波长之间关系的理论分析计算，得到了单晶硅表面波纹周期约为800nm，研究了1kHz的飞秒脉冲（中心波长800nm，脉宽35fs）加工单晶硅引起的波纹结构。
结果表明，在功率密度略大于样品损伤阈值的条件下，单晶硅表面形成了清晰的平行等间距直线周期条纹结构，测得该条纹的周期约为750nm，与所用激光中心波长接近。
使用可旋转的格兰－泰勒棱镜改变入射激光的偏振方向，发现周期波纹方向随入射激光偏振方向的改变而改变，条纹方向与飞秒激光的电矢量方向垂直，并且由加工图片看出经辐照过的区域比未经辐照区域干净得多。
这一结果对进一步研究激光诱导的周期性表面结构具有参考意义。
%In order to study periodic structures on Si surface induced by femtosecond laser , the relationship between the ripple period and the incident laser wavelength was analyzed .After theoretical analysis and experimental verification , the ripple period of monocrystalline silicon was calculated to be about 800nm.The ripple structures irradiated by 1kHz femtosecond pulses (center wavelength of 800nm, pulse width of 35fs) were studied.The results show that a set of liner ripple structure with parallel and equal spaces is found on the silicon surface irradiated by pulse laser under the condition that power density is slightly higher than damage threshold of the workpiece .The period of ripples is about 750nm by measurement , close to the center wavelength of laser .When the polarization direction of incident laser is changed by a rotatable Glan-Taylor prism , the direction of periodic ripples is changed accordingly . The direction of ripple is perpendicular to the electric vector direction of the femtosecond laser .The processing images show that the irradiated area is much cleaner than the non-irradiated area .The investigation is significant for further study of laser-induced periodic surface structures.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P395-398)【关键词】激光光学;周期波纹;辐照;单晶硅;偏振方向;损伤阈值【作者】高胜淼;闫珂柱;韩培高;许春玉;王荣新【作者单位】曲阜师范大学激光研究所山东省激光偏光与信息技术重点实验室，曲阜273165;曲阜师范大学激光研究所山东省激光偏光与信息技术重点实验室，曲阜273165;曲阜师范大学激光研究所山东省激光偏光与信息技术重点实验室，曲阜273165;曲阜师范大学激光研究所山东省激光偏光与信息技术重点实验室，曲阜273165;曲阜师范大学激光研究所山东省激光偏光与信息技术重点实验室，曲阜273165【正文语种】中文【中图分类】TN249引言利用飞秒激光对材料进行微精细加工越来越受到重视。
飞秒激光加工sic的烧蚀阈值及材料去除机理
飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理研究一、概述飞秒激光作为一种新型的材料加工工具，因其独特的加工特性受到了广泛关注。
飞秒激光加工具有瞬间高能量密度，瞬间产生的高温和热应力使得材料可以被快速去除。
飞秒激光在微纳加工、材料去除以及医疗领域有着广泛的应用前景。
二、SiC材料的特性SiC是一种重要的功能陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、耐热性和化学稳定性，因此在航空航天、能源领域以及电子工业中有着广泛的应用。
然而，由于其高硬度和脆性，传统的机械加工方法难以对其进行精密加工。
而飞秒激光加工由于其独特的加工机理可以对SiC材料进行高精度加工。
三、飞秒激光对SiC材料的烧蚀阈值研究1. 飞秒激光烧蚀阈值的定义飞秒激光烧蚀阈值是指在材料表面形成微小凹坑所需要的最小脉冲能量密度。
烧蚀阈值的研究可以帮助我们了解飞秒激光对SiC材料的加工性能以及选择适当的加工参数。
2. 烧蚀阈值的实验测定通过在实验室中利用飞秒激光对SiC材料进行加工，在不同的能量密度下观察材料表面形成微小凹坑的能量阈值，从而确定飞秒激光对SiC 材料的烧蚀阈值。
3. 烧蚀阈值的影响因素烧蚀阈值的大小受多种因素影响，包括材料的性质、激光参数、加工环境等。
研究表明，SiC材料的烧蚀阈值与其晶格结构、折射率、熔点等有一定关系。
四、SiC材料去除机理研究1. 飞秒激光对SiC材料去除的机理飞秒激光材料去除的机理主要包括光热效应、等离子体和电子云效应、以及激光诱导的化学反应。
在对SiC材料进行飞秒激光加工的过程中，激光脉冲瞬间产生高能量密度，使得材料表面产生等离子体并形成一个离子云，最终导致材料的快速去除。
2. 材料去除机理的影响因素材料去除的机理受多种因素影响，包括激光参数、材料特性以及加工环境等。
研究表明，SiC材料的晶格结构、温度梯度、激光脉冲宽度等因素会对材料去除机理产生一定影响。
五、结语飞秒激光对SiC材料的加工具有着广泛的应用前景，但是对其烧蚀阈值和材料去除机理的研究仍然有待深入。
飞秒激光与材料相互作用的能量建模及加工形貌研究
摘要相比于传统的连续激光，飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极广的频谱覆盖范围，在材料精细加工方面具有独特的优势。
飞秒激光加工能够以极快的速度将全部能量注入目标区域，在很大程度上可以避免能量的线性吸收、转移和扩散过程的影响，从根本上改变了激光与物质相互作用的过程，具有极高精度和空间分辨率。
本研究通过对飞秒激光加工区域的扫描电镜图像进行分析，得到不同参数的飞秒激光微加工不锈钢基板后加工区域的形貌及尺寸，探索了飞秒激光参数和能量输入对加工区域形貌和尺寸的影响规律。
本研究分析了不同参数的飞秒激光作用于301不锈钢基板上时，基板上被加工区域内任意一点吸收能量的方式及大小。
推导出飞秒激光加工区域内任意一点所吸收能量的模型。
并且通过求出垂直于飞秒激光扫描方向上基板吸收能量的分布曲线，给出了利用该模型预测飞秒激光微加工时基板表面烧蚀坑道的宽度和计算基板的烧蚀阈值的方法。
利用该模型计算的烧蚀阈值近似等于传统方法计算的烧蚀阈值，误差可以忽略。
而且该模型预测的烧蚀坑道的宽度与实验结果相吻合，误差同样可以忽略不计。
本研究所给出的计算材料吸收的飞秒激光能量的计算方法和求材料烧蚀坑道宽度及烧蚀阈值的方法适用于任何材料。
当飞秒激光加工区域只发生熔化现象时，可以将其作为飞秒激光的自熔焊进行研究。
当飞秒激光的扫描速率较低时，飞秒激光微焊接能够得到表面光滑平整的焊缝。
与飞秒激光的烧蚀过程不同，使用飞秒激光进行微焊接时，为避免焊缝表面因为严重氧化产生较大的裂纹，必须施加保护气或在真空环境下进行。
可以通过增大飞秒激光平均功率和减小扫描速率的方式提高其能量输入，从而得到较大尺寸的焊缝，但是其能量要低于材料的烧蚀阈值。
飞秒激光的平均功率对焊缝尺寸的影响效果大于扫描速率对焊缝的影响效果。
飞秒激光焊接不锈钢所得的焊缝横截面的面积与其扫描速率（在一定的范围内）之间存在较好的线性关系，回归直线的斜率为负值，并且飞秒激光的平均功率越大回归直线的斜率的绝对值越大。
基于分子动力学的飞秒激光烧蚀硅的研究
基于分子动力学的飞秒激光烧蚀硅的研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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飞秒脉冲激光对硅基多层膜损伤特性
１ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
Ｓｉｌｉｃｏｎｂａｓｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｖｉｓｉｂｌｅａｎｄｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ．Ｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅ ｄａｍａｇｅａｎｄｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｏｎｓｉｌｉｃｏｎｂａｓｅｄｍａ ｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｕｎｄｅｒｄｉｆ ｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｓ， ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓ，ａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｓ，ａｎｄｓｏ ｏｎ［１４］．Ｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｐｕｌｓｅｌａｓｅｒａｎｄ ｓｉｌｉｃｏｎｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｍａｎｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｄａｍａｇｅｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ ｂｏｔｈｄｏｍｅｓｔｉｃａｌｌｙａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｉｎ２００２，Ｂｏｎｓｅｅｔａｌ． ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ａｎｄ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｃｈａｎｇｅｓｏｆｓｉｌｉｃｏｎａｂｌａｔｅｄｂｙｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｎｄ ｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｌｌｕｎｄｅｒｇｏａｓｅ ｒｉｅｓｏｆｐｈｅｎｏｍｅｎａｓｕｃｈａｓａｍｏｒｐｈｉｚａｔｉｏｎ，ｍｅｌｔｉｎｇ， ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ，ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎａｎｄｂｕｒｎｉｎｇａｓｔｈｅｌａｓｅｒ ｅｎｅｒｇｙｆｌｕｘｉｎｃｒｅａｓｅｓ［５］．Ｉｎ２００４，Ｊｉａｅｔａｌ．ｓｔｕｄｉｅｄ
高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究
第48卷第5期2018年5月激光与红外LASER & INFRAREDVol.48，No. 5May, 2018文章编号:1001-5078 (2018)05-0544-06 •激光应用技术-高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究丁雯钰，汪帮富，王中旺(苏州科技大学机械工程学院，江苏苏州215009)摘要:研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。
将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图，从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。
飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀，按照模拟出的数据，对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识，进而进行研究，得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。
在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究，其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联，而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。
综合以上分析，能够得出随着飞秒激光能量密度的增加，飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长，烧蚀强度有所增加，材料加工后得出形貌质量提高，其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。
关键词：飞秒激光；热弛豫过程;双温模型；非平衡烧蚀中图分类号：T N249 文献标识码：A DOI：10.3969/j.iss n.1001-5078.2018.05.002Study on thermal relaxation in the process of copper sheet ablationby high frequency femtosecond laserDING Wen-yu,WANG Bang-fu,WANG Zhong-wang(School of Mechanical Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009,China)Abstract：The ablation of copper sheet are studied by single-pulse femtosecond laser with different energy densities.According to the results of the femtosecond laser ablation experiment and the two-temperature model,the ulated by the finite difference method to study the relationship bet^veen the different laser energy density and ablat The ablation process of the femtosecond laser belongs to the non-equilibrium ablation. According to the simulated data, the surface electron temperature and lattice temperature during the ablation process of the tively understood ,and the whole laser ablation thermal relaxation la"w is obtained. The simulation results show thatwith the increase of femtosecond laser energy density，the thermal relaxation of copper sheet during ablation becomeslong ,ablation intensity increases, the morpholog quality improves, which has great significance for the study second laser ablation.Key words：femtosecond laser；thermal relaxation process；double temperature model；non-equilibrium ablationi引言通机械加工繁琐的过程不同，飞秒激光加工后不再飞秒激光能够对多种材质进行微细加工，和普 有后续加工，材料被加工处所产生的热影响区很基金项目：苏州科技大学科研基金项目（No. XKZ201605)资助。
飞秒激光制备单晶硅表面微结构研究
Байду номын сангаас摘要
在材料表面制作微结构有许多应用，比如改变材料的颜色、改变材料的疏水特性、改变材料的粗糙程度，但对于单晶硅而言最为重要的应用是改变材料的光学特性。本文总结了能够在材料表面形成微结构的方法，详细介绍了利用超短脉冲激光制备单晶硅表面微纳结构的过程和机理，并对飞秒激光烧蚀单晶硅表面微结构的过程进行了进一步的实验研究。
When the femtosecondlaserpulseirradiateatthe silicon surface,and its fluence beyonda certain threshold value, the micro-nanoscalestructurewill form spontaneous at theradiation area.The micro-structure,on one hand,broadenthe light-absorbarea of thesilicon surface, on the other hand,leads tothe incident lightreflectrepeatedly between the side wallsofthe adjacent structures, whichform aso-called“light trapping effect”topromotethe absorptionandtransmissionof the incident light.In addition,the formation of the micro-structure resultsintherefractionindex mutationoftheinterfacebetweenair and substratetranslateinto a gradientchange, thereby reducing the reflectivity.Wedetailedinvestigatethe formation processand mechanism of thesilicon surfacemicro-structureirradiated by theultra-shortpulse laser, and we mainly explore how theparameterof the femtosecond laser influence on thesilicon surfacemicro-structureformation, such aspulsenumber, scan speed andpolarizationdirection.We alsoresearchhow thevariation of the silicon surface micro-structure morphology relieson theparameterof the femtosecond laser, and the porous silicon structures are fabricated at the certain laser parameters.
多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究
多脉冲飞秒激光烧蚀中反射率的变化对激光烧蚀阈值影响的研究胡德志;吴金随【摘要】为了提高飞秒激光微加工的精度,研究了多脉冲飞秒激光烧蚀积累效应形成的机理.以铜靶为例,利用时域有限差分法(FDTD)对双温方程进行求解,得到了电子、离子亚系统温度及激光烧蚀阈值随反射率变化的规律.结果表明:在多脉冲激光烧蚀中前一个脉冲激光破坏了靶材表面的结构,使激光的反射率下降,导致后一脉冲激光烧蚀阈值大幅度下降.这解释了多脉冲飞秒激光烧蚀中烧蚀阈值不断变化的现象.同时,它表明在多脉冲飞秒激光加工过程中,我们必须考虑反射率的变化对激光烧蚀的影响才能实现高精微加工.【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2017(014)004【总页数】5页(P57-61)【关键词】双温方程;反射率;烧蚀阈值;时域有限差分法;电声弛豫时间【作者】胡德志;吴金随【作者单位】华北科技学院机电工程学院,北京东燕郊065201;华北科技学院理学院,北京东燕郊065201【正文语种】中文【中图分类】TN249随着宽带可调谐激光晶体和自锁模技术的出现，飞秒激光技术得到突飞猛进的发展[1,2]。
飞秒激光具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和极宽的光谱范围，在强场激光物理、超快化学动力学、微结构材料科学和生命科学等不同领域有着广泛应用[3-7]。
在激光微加工领域，飞秒激光具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低的特点，但是多脉冲飞秒激光和物质作用过程中前一个飞秒脉冲作用后，对下一个飞秒脉冲烧蚀阈值的影响是如何产生的有待深入研究。
目前，对激光烧蚀研究表明：飞秒激光和金属材料相互作用的过程中，金属材料中的电子吸收激光能量，激发出大量的高能电子。
随后，电子亚系统经过一个能量弛豫过程，很快形成费米分布，同时通过发射声子将能量传递给晶格。
不同的研究小组观测到不同金属材料内部电声弛豫时间，从几百飞秒到几十皮秒不等[8-12]。
同时，他们通过实验得到同种材料的激光烧蚀阈值也有较大的差别。
飞秒激光对宽带隙材料烧蚀及其超快动力学的开题报告
飞秒激光对宽带隙材料烧蚀及其超快动力学的开题报告
一、选题背景
宽带隙材料具有较高的能带宽度、残余电子密度小等独特的性质，因而在光电子学、半导体能源、光催化以及光控材料等领域有着广泛的应用。
其中，铜铟镓硒（CIGS）、氧化锌、氮化硅等宽带隙材料在新型太阳能电池、光电器件、半导体激光技术等领域得到了广泛研究和应用。
而飞秒激光相较于传统的纳秒脉冲激光具有较强的穿透能力、非热效应等特点，因此被广泛应用于材料加工、光刻、医学等领域。
因此，本文将利用飞秒激光进行宽带隙材料的烧蚀研究，并探究其超快动力学，旨在深入了解宽带隙材料在飞秒激光作用下的响应机制，为宽带隙材料及其应用领域的研究提供参考。
二、研究内容和方法
1.研究内容
本文将选取铜铟镓硒（CIGS）和氮化硅为研究对象，利用飞秒激光进行材料烧蚀实验，并研究其超快动力学过程。
2.研究方法
2.1 材料样品准备与表征
制备CIGS和氮化硅样品并对其进行表征，包括元素分析、光学特性等。
2.2 飞秒激光烧蚀实验
利用飞秒激光对CIGS和氮化硅样品进行烧蚀实验，探究其烧蚀过程及机制。
2.3 超快动力学研究
利用飞秒激光对样品进行激光打靶实验，研究其超快动力学过程，利用超快响应光谱仪对反应过程进行实时监测和分析。
三、预期结果
1.通过飞秒激光烧蚀实验，探究CIGS和氮化硅材料的烧蚀机制，深入了解宽带隙材料的响应机制。
2.利用超快动力学研究反应过程，揭示超短脉冲激光与宽带隙材料相互作用的超快动力学过程，进一步推动相关领域的研究发展。
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第47卷第4期 2017年4月激光与红外LASER & INFRAREDV o l.47,N o.4A pril, 2017文章编号:l〇〇l-5078(2017)04-0410-06 •激光应用技术-高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应李志明，聂劲松,胡瑜泽，王磊(脉冲激光技术国家重点实验室，安徽合肥23〇〇31)摘要:对硅材料飞秒激光损伤进行了数值模拟。
首先，在飞秒激光与硅相互作用的双温模型 中引入能带电子激发、双光子吸收，俄歇复合等一系列非线性项，通过每一个光场半周期中的 麦克斯韦电磁场公式，得出材料中不同时间的光场强度，作为描述材料对光强的响应物质方程 的输入项。
通过麦克斯韦方程与物质方程间的迭代可以得到烧蚀的硅的一系列参数，如电子 浓度、晶格温度等。
在此基础上分析了皮秒、亚皮秒量级双脉冲和三脉冲飞秒激光作用下，激光能量密度和脉冲延迟时间对热积累效应的影响。
关键词：飞秒激光；多脉冲；双温方程；热积累效应中图分类号:TN249 文献标识码:A D O I：10. 3969/j. issn. 1001-5078. 2017. 04. 004Heat accumulation effects on the ablation of silicon with highfrequency femtosecond laserLI Zhi-ming,NIE Jin-song,HU Yu-ze,WANG Lei(State Key Laboratory of Pulse Laser Technology,Hefei 230031,China)Abstract：The ablation of silicon with femtosecond laser was numerically simulated. In the two-temperature model of the femtosecond laser interaction with silicon, band electron excitation, Auger recombination effect and two photon excitation etc. are introduced. The optical intensity at different time inside the material can be obtained with Maxwell equations in every optical half-cycle, and it is used as an input condition to the material equations that describe the response of the material for optical intensity. By using the iteration between Maxwell equations and the material equations, some parameters of the excited material are obtained, such as electron density and electron temperature. Under the ablation of picosecond and subpicosecond double-pulse and three-pulse femtosecond laser, the effect of laser energy density and pulse delay time on heat accumulation effect are analyzed.Key words：femtosecond laser；m ulti-pulse；two-temperature m odel；heat accumulation effecti引言近几年来,飞秒激光因其在烧蚀材料形成微米 和纳米结构方面的应用引起了广泛的关注[1_3]。
在 用高强度飞秒脉冲激光照射硅晶体时，电子通过线 性和非线性光学吸收从价带（VB)提升到导带中。
当被激发的电子密度达到一定值时,硅材料的光学 特性(特别是介电常数）受到影响。
在非线性吸收激发的电子密度K >4xlO21cnT3时，产生大量的 电子空穴载流子，这时硅瞬时从半导体变为类似于 金属一样的高反射率状态[4<。
本文针对飞秒激光 对硅材料的损伤，考虑到激发的等离子体波对入射 光的影响和硅材料的折射率和吸收率随着激光入射 深度发生变化,通过解麦克斯韦方程与物质方程的 迭代和引入德鲁德模型得出硅材料的介电常数，最作者简介:李志明（1993 -),男，硕士研究生,主要研究方向为飞秒激光与硅材料的相互作用。
通讯作者:聂劲松（1971 -),男，博士，教授,主要研究方向为激光对抗。
E-m ail:njs7001@sina. com 收稿日期=2016-06-23;修订日期=2016-08-29激光与红外No.4 2017李志明等高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应411后得到烧蚀硅材料的参数。
本文采用由脉冲整形生成的双脉冲和三脉冲飞秒激光作为光源，得到烧蚀硅材料表面载流子的变化情况，电子与声子的能量交换过程及不同脉冲时间间隔对激光烧蚀硅材料的损伤程度的影响。
在高重复（即高频率）的超短脉冲激光辐照下，由于明显的热量积累效应，减少了由表面缺陷引起的损失，避免造成一系列附带的损害，如在激光加工材料的过程中微型裂纹的形成。
2理论分析在一个线性均匀的介质中，P和M =，A T是电场极化率，;是电磁极化率。
极化率随着光的周期振荡变化不大时，极化率的时间微分可以被忽略，因而可以将位移场时间微分写成ao/況=(1 +尤）3£/況。
这时，麦克斯韦方程可以写成：d H(x，t)dt —x E(%，t)UQ(1)1-V x H(x,t)⑵(3)d E(x，t) _dt S〇S r(X yt)s r(x,t) = 1+x(x^)飞秒激光与硅的相互作用涉及电子的光电激发 (带间吸收、双光子吸收）、电子散射界面吸收和电 子向晶格能量驰豫等主要物理过程，目前较准确的 理论方法为“双温模型”[6]。
C,dtV(K eV T e) -y(T e-TSi) +S(x,t)(4)C Si^=V(K SiV T Si) +y(T e-TSi)(5)01公式(4)描述了自由载流子的温度方程（这里 假定导带电子和价带空穴有相同的温度）；公式(5) 描述了晶格的热传导，第二项为晶格与等离子体之 间的能量交换。
这里是自由载流子的热导率;自由载流子的特定热容为；y = &为自由载流子与晶格的能量耦合率，其中'=<[1 + (|)]，& =6.02 xlO'nT3和=240 f s[7_8]，这里根据实际 情况，^的值限制在2畀内[9]。
其中，S(x,0 = [(/iM； - A) 士 + (/lM) -s nw s# + f为激光光源项m,最后一项为电子热容产生的自由电子密度的变化，带隙能量& =1.12 eV。
在式(5)中，CS i =1.978 xlO6 + 3.54 x l02r s - 3.68 x l06r S i2 和《S i = 1.585 x 1057V123为非熔化(固体)硅材料的热容和导热率。
吸收光子能量从价带激发到导带的自由电子密 度在飞秒激光烧蚀硅材料的过程中具有关键性的作 用，当自由电子密度达到临界值时会产生等离子体，根据文献[10 ]，可以得到电子密度随时间的演化偏 微分方程：d N^dtV(k BTeueV N e)c r j+cr2I2hw hw(6)R e=r A R+ (C e A RN：)~l(7)其中，q= 1. 021 x105nT1，（72= 6.8 x l〇-u m/w 为单光子和双光子吸收系数[u];足为俄歇复合项，其 中=6p s是由于等离子屏蔽的最小的复合时间[8’12];Q= 3. 8 x 1〇-43m6/s是俄歇复合系数[14]; \是载流子迁移率，‘是玻尔兹曼常数。
m e V由于产生的高密度电子浓度的缘故，硅的烧蚀 下的光学响应由自由载流子所决定，并能通过德鲁 德模型所计算得到。
在这个模型中，我们将由于光 克尔效应和双光子吸收效应所引起的介电常数的变 化考虑在内，并在介电常数&中引入额外的项，如公式(8)和（10)。
因此强激励硅的介电常数‘可以写成：^S i(^e)= ^0-(8)w2 (1 +i—)wS N L~ ~^X32(9) =s Si(N e) +s N L(10) w1N(x,t)e2(IDP m* (x，t)s Q其中，s Si是未激励桂在800 nm的介电常数（13. 6 + 0. 048i)，。
是载流子碰撞时间，在1f s左右[13]，是高能量密度激发硅材料的光学有效质量，这里 m* 可由 m得到，其中 m。
*= 0. =3. l x l〇-5K-1[14]。
三阶极化率;可以通过克尔系数％和双光子吸收系数^推导出 来。
当激光垂直辐射硅表面，将激光激发区视为一 层一层结构，每一层■/都有自身的光学特性（与该层 的电子密度有关）：24681012t/ps图1不同强度的飞秒激光烧蚀硅材料表面电子浓度演化Fig. 1 The carrier density distribution evolution on the surface of silicon under the femtosecond laser of different intensity ablation图2不同强度的飞秒激光烧蚀硅材料表面电子和晶格温度演化Fig. 2 Carrier and lattice temperature evolution on the surface of silicon under the femtosecond laser of different intensity ablation图3不同强度的双脉冲飞秒激光烧蚀硅材料表面电子浓度演化Fig. 3 The carrier density distribution evolution on the surface of silicon under the double-pulse femtosecond laser of different intensity ablationxl 〇27r't,ir,J+j + ?>i ,g ^j+l02吻+1+ r jJ+lrj+l}ke其中，&+1由菲捏尔公式得出:Rn + l(12)(13)»=./〜：(14)也+1是有(i + 1)层的厚度引起的相位移动，其 表面反射率最终由= |rD ，/V |决定。