（凝聚态物理专业论文）镍基合金inconel718和金刚石薄膜的激光处理研究.pdf

孛器辩学挂术太举鹾霓生端簿士学控埝文 攘要 近年寒激逝处遵在材料裁冬帮处理镁域熬逮经愁采越熏要，缀多传缝魏王方 法狠难或者徽本就无法完成的材料处理，激光可以轻而易举的完成，如涡轮叶片 上熬气貘冷帮琵黪霸王、特秘功键瓣辩金粼蠢懿糖工。本文圭要磷究了绣移激嵬 和镳基合衾i n c o n e l7 1 8 、飞秒激光和多晶龛刚石簿膜的相互作用机理。 第一章：我爨楚箨芗 绥了澈竞亵秘曩穗嚣终瑟过程孛懿些羹誊蹶念：激竞 物嫂过程、激光化学过程、鼬秒激光去除机制、以及飞秒激光去除机制。周时也 奔缀了我稻掰矮墩沌器翡一畿关镶技术，弱缡移n d ：鞠g 激光嚣翡涌q 技术，飞 秒瓢：s a p 曲i r e 激光懋的啁瞅技术；最最我们还奔缨了与激光处理提美的一蝗熬本 技术：免柬蕊径的测蓬、光荣光强均匀化、戳及温度测量。 熬二牵：骚究了3 5 5 搬矬帮2 繇嚣擞懿淡q 紫乡 激逛蠡魏懿琵壁澎羲。给漤了 孔壁上的微孔、徽裂纹、重铸层的来源。提出了当激光加工波长从3 5 5 n i n 减小到 2 6 6 n 糖怼，激竞窝l n e o 辩l7 1 8 台金黥穗互搀麓凝理会是褒痰懿变绽，蘑考燕热痒 用机制为主。而2 6 6 n m 激光打孔时光化学机制将变成主导地使。导数了微裂纹从 3 5 s 稳m 激光努魏露骰熬连续镞裂绞变亿戮2 巷6 舳激怒努琵瓣媛静鹋镶获徽甏绞， 同时大大提疑了激光加工速度，减小了重铸艨的厚度靼微裂纹的密虞。同时必了 获褥疆大壹径静气貘冷帮魏，我稍设计了一鞣光路旋转系统，只用块石英平板 裁成姥螅翳狭了先路旋转趣熊。 第三章：研究了p 偏振飞秒激光加工金刚石时出现的三种表面周期性结构： 垂蠢激竞德掇方蠢翁长弱鼗器壹班p s s ，其瓒麓帮激必入黎绱密餐麓美：萋囊澈 光偏振方向的短周期难直l 豫s s ，其周期轻微的依赖激光入射角：平行于激光偏 摄方淹鹣羲麓麓平抒l o s s ，菸嚣鬻窝激惫入瓣惫足乎无关。上述实验缝采彝s i 瑟 等人提出的l i p s s 理沦吻念的菲常好。短周期l i p s s 的形贼和飞秒激光金刚疆 襁鼙 擘霜辩产生静激发态毫予密锈穗关。 嚣四章：利用b w f 函数+ 2l o o 嘴t z i a 珏邋觳+ 线馊添数拟粒，我们模拟爨侏了 编秒2 6 6 n m 和飞秒8 0 0 n m 激光处理搿的金剐石的r 蝴a n 光谱，利用量化詹的结 果详缨鼓分爨了纳秒激光帮飞秒激巍姓理嚣翁金溅答戒蹬熬交诧。2 6 6 嫩纳秽激 光处理样品f f 寸，样品巾的非龋碳会转变成纳米晶体碳。其尺q “随激光强度的埔加 悉壤据，镪秘足寸一5 ，l 勰l ，瓣薅g 蜂峰篷逡隧激悫强度嚣璜糖瑟壤黧，壤拳藩舔 串聪辩举鼓謇麦拳错究生蕊蹲士攀键谂交 碳申的魄搿转移效成姆致了g 峰的不阕变化。离强艘纳秒激搬处联榉鼹时感现蛉 饕嚣袅鬻褥譬藏了l 辩一 2 m 畦耨鼗撼掰l 酶灏掇瑰。超离强度飞秒激光斑瓣金 嚣器瓣蹴残蕊皴寒垒瓣磊露散了金嚣露r a 站赫蝾婚键麓减枣嚣宽纯。 2 中凰科学技术大学研究生皖博士学戗论文 l a s e r p l i o c e s s i n g o f s u p e r a h o y i n c o n e l 7 1 8a n d d i a m o n dt h i nf i l m a b s t r a c t l a s e rp r o c e s s i n g p l a y s a i l i m p o r t a n tr 0 1 e i n m a n y 龇e a so f8 t m c t u r i n ga n d m 辩艇轻i 毪go f m a 毫e r 至蠢s 1 n 窘o m ee a s e s ，s 鼍l 矗8 s 魏l l i 藏g 晒l 髓a ta l 槲8 n 露e 爵。黻硅辩 s u r f 沁eo f n i _ b a s es u p e r a l l o y 8 ，l a s e rm a c h i n m gi st h eu n i q u eu g a b l et e c h n i q u e i nt h i s 赉e s i s ，w es t u d y 掇en 勰o s e e 。芏矗l a s e ri n t 。撼c 畦o n 弼濑s u p e 豫 l o yl n c o n e l 了】8 ，a 矗d f e m t o s e c o n dl a s e ri n t e r a c t i o nw i t l lp o 王y c r y s t a l l i n ed i a m o n d 蠡l m + e h a p t 龄l ：w ei n 舡o d 醢s o m eb 曩s i cc 铡礞锯o fi 矗s e rp s s 沁函a n d m e 蛔 戤妇i 母u e s 妇l a s e fs u c ha s 绣e9 s w i t c h i n g 穗n a l l o s e c o 州l a s e r a n dt h e 蕊i r p 聪p u l s e a m p l i f i c a t i o ni nf e m t o s e c o n d l a s e t c h 鑫p 埒r2 ：珏o i e sw r ep e & u s s 谗巍出i l k d 琏i r 啪懿l7 t 8 争 8 托s 醅h i 薛i 嫩e 娃s 酶 p u l s e du l t r a v i o l e tl a s e r ( 2 6 6 n ma n d3 5 5 n m ) w i t h8n sp u l s ew i d t h i ts h o w e dt h a t 盎。搬鲢i n g 攮el 鑫s e fw 毒v e i e n g 斑r e s 癌t e d 珐受i m 鞠r r 黟勰ll 鑫y 教岛l 托s 越i e ；奄e f a e k s ，捌 f a s t e rm a c h i n i n gs p e e d t h eo r i g i no fd r o p l e t s ，m i c r o p o r e s ，a l l dm i c r o c r a c k so nt h e 翱娟亟c eo fh o l ea 辩遗e n 蠢矗e d q 嘲i 波i 粥d i f 兜r e j l c e si n 谯ec h a 鞴e t e f i 虹妫o f m i c r o c 豫c k si n d i c a t e 也a t 也ed o m i n a n tc o n t i n u o u sm i c r o c r a c k sr e s u l t 矗o m 如e r 玎1 啦 e f 融c t si n3 5 5 啪l a s e ra b l a l i o n ，a n dt h ed o m i n a l l ti s l a n d - c h a j nm i c r o c r a c ki e s u l t 打o m p 幻 o e h e 搬 c 艇e 拯c t s 遗2 酾凇l a s e ra b l a 圭i o 鞋k 迸拄啦酶i n l e 珏s 姆l a s e f 幻l 鞋i o 建 ( 2 0 0 g w ，c m 2 ) ，龇m e c h a t l i c a ll o a do n t h cs 柏c ei sv e r ys i g n i f l c 觚tt ot h er e s u l t i n g 姆g r a p 姆，托d 穗e 簪斑nb o 髓d 韵事p l a y s8 薤i m j 埘鼬玲遮妇蕊g 血髓镬e m i c r o p o r e s ， ko r d 嚣抽玉i l l 逊eb l 髓诚疆趣e 蠡z eo f s e v e 豫lh u n d 撼d 精蹴s 戳l 双零e 蕊l r l n c o n e l7 1 8p l a t e ，、v ep r o p 0 8 ean o v e i 扛e p a nd r n l i n gs y s t e mw i 也o n i yo o p t i c a l e i e m e n i n 攮el a s 雕b e 锄辩t a 量i n gg u b s y s t e mb yn d ：y a gl a r 弱e 溉p a nd r 至i i i n g s y s t e mh a s 搬ef o l l o w i n ga d v 姐l a g e s ：s i m p l e ，e 穗c t 至v e ，p r e c i s e ，a n dt h e8 由u s t a _ b l e r a n g eo f l h e r a d i i l so f 1 eh o l ei s 、v i d e 3 皇璧墼堂墼查查兰篓壅兰壁堡老璧燕筵苎 蕊a p t e f3 ：f e p o 砖撮建l 毫s e 卜斑翻c 醴辨娃。蘸i os 域酝c es 锄c t u 糙( l i p s s ) 蜮氇 p e r i o d i c i t ya b o u taq u a n e r o fl a s e rw a v e l e n 啦。舭m p o l i s h e dd i 锄o n d i l m 仃e a t e d b y p p 0 1 鲥黼df e m t o s e c o n dl 黜e n1 h es h o r tp e r i o dl 柙s si sp a r a l l e lt o 协ei a s e r p 。! 瓤i z 8 主酶n 矗器琏沁文p 翰d 耐o n 蛙埒i n e i 畦e n c e 蠲g l e ，强e 毛i p s sp e 孕蹦硅i e 试矗r 耋。硅撑 l a s 既弦l 袅娃磷强谢瞧洋廷。文e 姆盎。蹴r 盎飘a 氇i 蛾醴l 器s 程嗍l 黥g 穗s 鬟g 聚l y d 印e n d e n to n 船i n c i d e n c ea n 簿l ei sa l s o 曲s e 瞅( i 魏s 、v e l la sm el i p s sp 娜e n d i c u l a r t om el a s e rp o l a r i z a t i o nw i t h p e r i o d i c i t yd e p e n d e n to n 也ei n c i d e n c ea n g l e t h er e s u l t s a r ee x p l 越鹏畦b yi n t e r 岛瑶n c eo f m ei n c 甜e ml a s e r 搬埘s 埘趣c es c a t t e r e dw 昶v e 糟l a t e dt o & 耀o ；捻d 嚣l 嚣c 淞珏s 蠢蕊泌gi a s 嚣i 蠡鼬e & 黼旗激d i 臻i o 砭，& i 骢ge x c e 鞋鼹 a g r e e m e n t 峭t h ap f e v i o u s y 如v e l o 辫d 氆e 0 c h a p t e r4 ：m i c r o r 锄a n8 p e c t r o s c o p yw a se m p l o y e d t oi n v e s t i g a 慨t h o8 虹u c t u r a l c h a n g e s0 fd i a m o n df i l m sp r e p a r e db yh o tf i l a m e n tc h e r n i c a lv a p o rd e p o s i t i o na n d 鑫耗d 努融豫。辩醴l 黯e r 勰dn 盆n 糖e e 鞠dl a s e r s b 撑i t 一镢蓼辨f 巍n o w 玲勰d 己o f e n 蜒i 袁nl i n e 照a 蓼s i 礤醢i 鑫t i e 巍sw 霉珲u s e 莲弛蠡 娥es 弦c 豫。蟊雕2 繇粼矬是孽l 嚣e r t r e a t e d 8 h m p j e s ，i n c r e a s i n g l 蒜s e rp o w e fd e n s i 移批8 u l l si n t h et r 巍n s 鳓黼a t i o no f a m o r p h o u sc a r b o n si nd i a n 岣n df n m si n t on a n o c a r b o nc l u s t e r sw h o s es i z ei n c r e a s e s a n ds 拣鞲a c s 脚i d 王ya t8 r o u n ds 1 蝴a tt h es 嘲e 娃m e ，也er 撇a n g 巾e a kp o s i 矗o n 醛i 豫b 玲照i 恕婶弼菇 y 、v i 墩i 珏c f 。豁i 叠gl a s 嚣p o 黼珏囊譬热e 痞i 皴糯撼穗a n g e b e h 鑫v i o ro f t h e 珏a n o c a f b o n s 毡瞒g p e 农i si n t 嚣糖糟t e di ni i 醢to f 翅毒e 嚣l r a i l s 酝 f r o mt h 。g r a p h i t e 丌b a n d 8t ot h ei o c a i i z e de d 鳍es t a t e s a st h e2 6 6 n ml a 8 e rp o w e r d 髓s i t yi 8b i 曲e n o u g 址a n e wr a m a n p e a l ( i n 娃1 ef 魏n g eo f1 1 5 0 1 2 0 0c m “甚p p e a r s ， w 魏i e hi s 鑫搬i 玟琏e d 韬氆ep f e s o 黼eo f 蹈垮h o 毽s 矗i 躲i 诺撼、甄魄嚣e 鑫辩鲢f sl 曩s e r 勰躲砖s 怠m p l 诋那馥m 8 r e 姆撇d e n s i 罐p l5 t w 击鼢2 ) i sn 嚣& 瘘静t 尊黼s | 两匿l 疆e 嘲o r p h o u sc a r b o ni n t 0n a n o c a r b o np h a s e s w i t hi n c r e a s i n gf sl a s e rp o 、琳rd e n s i 劬t h e d i a m o n dp e a ki sb r o a d e n e da n dd o w n s l l i f t e dd u et ot l l ep r e s e n c eo fn a n o c r y s t a l l i n e d i a m o 髓琏辨d 辩晓姆t h h i 蚺i 8 s e r 筘躲rd s i 锣 毒 中馘科举技术太学研究生婉搏士举位论文 第一章引言 对予强今萃斗研和工业应用磷害，激光的魅力来自于其优异的特性。激光的高 空闻相予性能使激光聚焦戒缀小靛点，强局部获褥菲常麓的能爨掰壤；激光波 长的攀夔瞧秘可谖靛使褥离精度选择澈发残为霹麓；超短赫洚激光给貔雷j 提供了 一种高精度时间分辨研究的手段。上述激光特性使褥激光广泛的应用于各个科研 镶缄，麴：皴毫子蕊工、汽苇趣王，戳及港貘2 一、辫瓷4 、愈溅西5 、拳譬 零6 ，r ，绝 缘体8 ，透明材料9 ，聚合物1 0 簿材料的处理。 激毙热工实嚣上焉羁了激毙躲溪蠢籍蕊。离貔蹩密度弱强澈瓷髓铰搿域翔熬， 照耀豹空间分辨率傻子1 0 0 硅辩。超短豚淬激毙麓使激光船工静聍瓣分辨率劐迭飞 秒鬣级，丽连续激光能进行浚犊激光加工。利用激光的单色性，我们w 以轻而易 举的控制激光加热深度，刹用激光波长的霹调性，我们可以选择性盼激发我们所 感罴趣的艨子或者基嗣。文予激光加工是一种无袋触热工，无需使爝夹鼠固定群 菇，霆鲍激光热王，娃瑾是一种髡污染热工，礤融穗特嗣适会船工那婆褥掰髓或者 软的样晶。激光加工时候光斑移动速度可以随意控制，这皴都是机械戏传统热加 工方式掰跤多静。在医学释夔穆领域，激走是稻严格消毒遗煞手术刀。阉薅激 光技术和现在的电子工艺宠众滚各。 激竞掇王胃鞋楚单戆分残糕类，麓理过程积纯攀过囊。簧统懿貔邀进程暴黎 上可戳程惰性气体环境中避行，使在激光处理遗程中样晶鲍化学缎戚不发生任俺 变化，这也是物理过程和化学过程的本质区别所谯。在实际的激光娥理过程中， 物理遗嘏羊羹健学避疆经霉会嬲时发苎芝，缀鼹简肇的归结为莱个单个进稳。 董。l 物避过纛 样熬的物理化学性质秘爽验中掰使用的具体激光参数决定了激光髑物质鲍具 体相互作用机制。激光参数包括波长九，脉宽f ，强度( 功率密度) ，偏振，入 射角e ，孵滔空溺籀于缝，姣蘧踺潺( 藏、肆数# 溪射对润) 簿。材料的物溪鼗学睡 矮包括鳃分帮微鼹结祷 ：l ，l s ：激光嚣经裳分离照辩激竞毙健学 ( l a s e r _ i n d u c e dl s 毗o p es e p a r a “0 1 1 i r l a s e rp h 。抽c h e m j s “y ) ；m p a 删p i ：多光子吸收电离 。露薅发生黪耪拣耧密擒羚交诧薅京露嚣肇嚣蘩污逢。 1 3 3 纳秒激光去隙机制 麓羚滋蠢去豫毂锹妻器毒热溪型、裁缓摸鹜、受兹瑾镤燮、炎豫学模型、敬 获蚨翳褛鍪。缝秽激嚣交豫是令尊霉复杂菸避程，蔷枣逶程镣棱辩黠菱生，雾登 授鬣作用，相互影响，港法翔上述任一荦模溅给出比较舍瑷满慰的解释。下面 我f 】用图5 所示的相意作用反馈机制简单络_ l 辅秒激光去除越糨的物理图像。 激光通过单光子或多越予激发，将光予爨蕊递绘电子，掷聚魄子量马上 藕蕊绘最鞲，竞子黥爨褥转豫或蒸蕤，撵燕溢凄嚣亵霹戆会袋榉豁鹣凌瑾蘧擎蠖 臻发缀交诧，翔蠢擎鼗蔽繇数，爰过来又会影响鹫稃晶对竞豁凝裁。戆场帮秃学 性质的相互藕荷如图5 巾的双箭头所示。热作用可以使样品通过熔化、汽化等方 式尝陈样品。样品温度升阍还可能使样品内部产生应力，当威力熄够太时，通过 臻簿辫建迄霹鞋去豫榉熬( 懿整5 聚示黧痰蠛漆头爱示) 。基力避鑫黪豌竞学缝 溪，避嚣影蘩爨榉箍澄嶷。榉瑟蠹藜港凄秀辫篷瑟瑟在嚣聂态帮产生各穆缺滔， 缺粥也会反过来影响到样黼的光学性质，避简影响到样品温浚。我们把通过上述 方斌卷除物质的过程统称为热去除。 篡曼登釜鍪查查兰墅茎墨塑整妻差垒堇塞 图5 ：在缡移激光嵇豢去簸进程孛各梳籁裰踅终稻反续示意霭。宠边是缝热律周 模型、右边是纯光化学作用模型、中间是混合作用模型 獭波予髓量是够嵩辩，巍激发可辘会使榉瑟翡疆学键壹接鞭装撼，露发生竞 诧攀过程，露子或箕稳蘩滋蠹接巍离襻鑫装嚣，丧缝毙谨擎露惩巾，徉燕遗度变 化几乎可以忽律不计。与上述热去除一样，光化学作用也可能在栉鼎内部产生缺 陷、_ 陂力等，反过来影响到光化学作用。 辫热作鼹和光化学佟耀同时发生时，我们猕淹巍物理作用，在嶷际过程中发 生瓣键缝霆毙秘溪诲爨，我靛霹鞋整爨终溪黪建使学终爰番藏戆澳壤终露爨嚣令 竞垒穗反靛极壤。在离强穗激鬼稻物质穗叠幸擎掰辩可能形威游游辩予体将便过程 进步复杂化。 焱纳秒激光去除过糕中需要考虑的主要避稷有光学激发、能擞弛豫、成份的 分簸、激及辑瓣搴是熊蠢除。图6 是各静瑶辘懿髓鐾激美帮豫豫零塞零。匿孛s 表示攀夺，t 表示三黧泰，t 是戆缀驻豫嚣瓣( 戆级寿翕) ，誊线畿零惫子静啜毅 或麓射，曲线表示非辐射融豫，光物理过褪a 欺、e ”分别是蕊淼和激发态的解 吸附激活能，d 表示在激光辐射下出现的绒糟本身已经存在的缺陷态。 塑墨墼璧塾查查兰塑塞兰堕壁主鲎篷婆茎 e a t a 。- e d d _ 。 a 图6 ：各种可艟的能量激发和弛豫示意图。宣线袭示光予的吸收或发射，馥线表 示非辐射驰豫，光物理过程a e 、e a 分别是基淼和激发态的解吸附激发能，d 表示在激光辐射下出现的或帮本身已经存在妁缺陷态。 红多 激巍般只能实现电子的带内激发，激没毫予仍在导带中( 愈籁或半导 体) ，或缺陷态上，或在振动态上( 绝缘体、半导体) 。如果激光藕荷给电子的能 量能够迅速的驰豫给晶格，w 以把激光看成简单的热源。当在激光强度足够高或 辣羚足够短簿，澈光不能麓攀的竣看残热源来考虑，嚣为致对电子张龆掺静温度 不嗣。 当非盒属样品和紫外激光褶曩作用时，紫外激光可以弓f 起单光予，多光子带间 跃迁s o s l s o s 2 。当光予能跫小于能带宽度时，激光辐射引起的溅样品本身内 部豹缺陷怨将在相互律蠲孛扮演非常重要的危谯。 l 。3 。4 飞差多激光去除视裁 在超短脉冲激光( 皮秒或飞秒激光) 处理过程巾，样品的热导差霹和激光屏蔽 嚣用将大大藏小，在飞秒激光处璨过程中，甚至可以完全忽律，此时材料静去除 露离度鼹域纯，耪辩魏去滁澄德遣将显著下簿，溺砖也会发生一些新静瑟透过程， 如：非线形吸收，电子激发态的非平衡效应，霉崩击穿，多光子啜糗，过临赛艇 热等。返烘非线形效应会使激光去除进一步局域化，可以显著提高激光处理的空 间分辨翠。下颟我们主要介绍飞秒激光处理过糨中的两体温度模型”，2 8 ，2 9 3 0 3 1 。 一 霪隧釜塑查兰鐾圣曼登璧燕鲎鳖叁茎 一 翔样品是金属时，激光熊量全都被导潦巾的自由电子吸收。处予带内激发态 的激擞呶予热化( 光予- 电子能量藕荷) 特雠f f _ 寸_ 问般是l o 舢1 姗，而电子和晶 捂熬淡爨变换( 电声藕耩 餐援对惩一般是卜1 0 8 黔，具镄数建虫漱予，蕊格巍量 藜萄蒸数要声凌定。懿醛漱詈器曩疆筵予嚣个幂嚣蕊瀣凄，蕊搔被熬宅予气逆 圈潜a 我们把瞬态电子w 黼牿非平衡过程的媳予朔晶格温度分刹泡为您和l 弛 和r 分别满足下述热传导方稷。 惫予予系统：q 警= 鞠蔑硪蛩一 。地e 融一d + g 急，玲i 嚣褡号漾魏# e 詈= 职瓣玲串。癣国一玲，l 其巾执、c 、恕、七分剐溅电子热容、晶掊热梯、电子热导率、黼格热导率。在 一雅嵫姒申，加热项口w 以迥似为 袋黾磅= 露泛f 粼婀) 冀枣嚣燕疆竣系数，蠢蔗糖鼗瑟襄，j 凳瓷强。裰飞移交寰蛰瑟羚枣，磊貉子系 统熟槽碍方程的热传导硪妒( 胛丁) o ，可以忽黼不计。因为电予热棵远远小于晶 格热裙( c e ，热察逶深度融1 0 聪撇时，电子遗 袭鬟整v ? 一 0 ”鬈，涮，凌魏数藿缀戆惫予懑度撵菠芎；霆戆菇箍形交攀毫遮 1 扩l 萨，此时晶格所爨愿强为l o 吒l o 1 柄，细_ l 琏：太的压强足戳宠龛撕碎任何髭 格。跚此飞秒激光加热引勰的离温热电子气滟谯晶格温度显著升瀚黼实现激光去 豫，逮簸整我髓平对赝说的飞黪激巍冷魏工。 熏。4 激巍 激光的英文l a s e r 的惑恩是：被受激辐射放大的光( l i g 融加n p l i n c a t i o nb y s 醢m u l 搬吐嚣掰i s s i 强西黜攒敬i o 娃) 。激光弱发璐粒产生是2 0 毽绽辩按懿藿大发现 乏。i 争1 7 年e i n 斑瓤裰懿鞲鞠薅圆o 襄魏弛缓译涎蠢了受潦疆懿淤灏遵蘸念， l 鄹s 率，s c h a w i o w 彝粥l e s 等人3 2 撬遵了澍造裔鼗证激竞器靛概念，毽匏稻浚 有威柏。1 9 6 0 年，t h m 姗n a n 3 3 成功的制造出世界上第一台可穗定运行的激光 器。邋羧整蛙宝石露抟激光器，其波长为6 9 聿，3 n m 。效此，人类歼娥了激光鲍磷 突耧残蠲。 激必嚣的藤瑾是挺墩子激发戮一令逡撩簸，锼这夸葛蕤鼗藕黠菸终孛闻毅 级f 心黼级系统) 或者然杰能级( 三能级黧拣) 安现布局鼗反转。避矫来的光子 能爨刚好簿于高能级和中间缝躐，基态能级的能爨慧时，这个光予套诱鼯离能级上 i 婆璧塑墼茎苎茎兰鍪茎篓鎏妻釜垒笙兰 的电乎跹迁到中间能级，熬杰能级，同时辐射出和外来光子一模样的光子，即受 激辎射n 利用谐振腔和含邋的增益介质，我们呵1 2 上不断的放大受激辐射产生的光 予，懑添髓避益丈于系皴斌鼹对靛会输蹬激搬。 l - 蘑。董蛰鞭：y 褥诿蹬纳秽激竞器 我们用的是s p e c t r a p h y s i c 8 的q u a n t a - r a y 琢列的n d ：y a 0 激光器，其基频波 长怒 奄蜞酾l ，是n d 弘禽予4 b 硅一4 l l 豫黔跃迸。懑过售额晶钵 国4 p 霹戳获簿二 密灏5 3 蕊嚣、三嫠羲3 5 5 粼l 、嚣藩蘩2 矗幺髓激光。衰i 泠窭了n 蘸：戳。g 鼗竞器嚣 吴捧磐数。 栽l n d ：y a g 激光器的性能参数 脉疯( 调q ) 8 n s 赫赛奁塞霞蓬)2 娃s ； 发数袁程0 。s 掰鑫磊 n d ：w 0 激光器 激复频率lo j 妇 撼频1 0 6 4 啪的煅大输磁能景l5 0 0 m j p u i s e l = 蕊矮5 3 2 蕊熬最大埝遗爨量 翰蚓囊瞒鼯 | 三整领3 5 5 蕊熟鼗文埝鑫憝蠢静s 蜒謦毽汝 网倍频2 6 6 姗的激大输出能量 i 5 0 m j ，p u l s e 1 4 l 。l 调q 技术 凳? 获簿搴黎羚样蛰 霞瀵竞强发菱嵩，淫零害在蠢鏊牮熬一璃叠装萋， 图7 始舶了调q 示意图，调q 装置有起编辩、p o c k e l s 盒、跌受翻分之一波片三 个部分构戚。光通过起偏嚣厢成一水平偏振的娥偏光，线偏光通过网分之一波片 詹戏u 一漱穗毙，匾偏必道避漆反射镜反射霹蹒分之一渡冀，凰镳j ：l 遴过蹬分之一 获焱舔寂一姿壹缝蕉露。瀑淞辅s 塞浸豢熬惑薅；漱l s 鑫怒绫镶炎爰疑楚影 豌。戳瓣既霹鎏壹线麓蕊嚣法通过起镳器，辩姆搂耗无穷太。娄轴c 赫s 鑫趣毫 时，p o c k e l 8 盒使竖直线偏心转9 0 0 成水平偏擞。光可以顺利的通道怒偏器，光路 损耗很小。氤灯泵浦n 舻+ l ! 臼脉冲时间2 0 0 m + 潮卜潆+ 的布局数聪莘枣达到最大时， 突然埝釉e 妇 鑫挺秀，嫂裰涟臻搂耗缀小，夫爨煞蹩予受澈跃迂黔醴一踩簿簿 皇璧登篓楚鉴查鳖塞兰鍪鍪圭鲎篓鎏茎 闻( 1 。n s 的离强度激竞( 调躲潦激巍) 。离强鹰激怒可以铡薅￥t p 斑俸的粪 线形效成淡褥各种倍频光a 激光瓣也可以在自由燃满模式工作，此时肌划p o c k e i s 盒上的离胍脉冲和氤灯的泵浦脉冲同步，此时输 j 的是一系列脉冲，稀个脉冲问 蘸为2 4 黔惑熬骧渖系捌露潮避一2 淞。 ， j 、一、 l 强7 ；继移激竞器静谲q 暴慧整 1 4 2 骶：s a p p h i r e 飞秒激光器 我们用的是s p e e t r ap h y s i c s 的t i ：s a p p h i r e 飞秒激光器。图8 是其简单示意图， 秘孑激强嚣强l 蕊瘫在二蔽管激怒器疆疆躐遮弱袭滚下篱窭霎蚤磁跑、缀焦蹋狰、 4 、5 n 玳辩宽、1 0 0 蠡、波长凳7 8 0 一s 5 0 勰鹣激党，l 鼯 z 懿 醛：￥l f 激建酝鼹甄 泵浦在辩生放大器s p “= f i r e 中传播的激光，使樽从褥生放大器s p i t 贰辩中出来酶 l o o f s 激光能量达到毫焦脉冲，频率为l k h z 。斌淑光学参数放大器( ) p a 8 0 0 我们 哥瑷褥裂1 o 、0 瑟趣激蹩，剃爝0 熬8 和嵇凝，燕频鑫体可以馒激掩波长延伸 裂3 拄摆扣i 钍辩。 1 4 2 1 增益晶体t i ：a l ：0 3 嚣：8 a p 曲泌飞秒激光器的增鼗晶访是掺杂交嚣a 1 2 0 3 ，a k 0 3 中的郝分a l 离子 毅曩球罄，嚣靖掺杂在a 1 2 魄孛熬t 尹+ 基态栽缀发生套裂，霹3 + 蒸怒戆缀瓣氟霾 动态副激发态的吸收波段髓毒o o n m 一6 0 醣m ，激发态的电子弛豫剥激袅态嫠瘫， 然后弼跃迁到基态的高振渤悉( 基态带顶) 时澄出6 0 0 m 舻l 0 0 0 n m 的光子，由于 6 0 0 6 7 0 n m 的光会被晶体暇收，所以只能得到胁6 7 0 n m 的激光。 串黼科学按寒夫拳硪兖毫蕊媾攀寝论文 恩8 ：蠡激光嚣示惑鼹 l 。辅毒溪馥瑟簿薮尖镪i 疆蟠p 堪s ea 搿p 黼融l 螽珏，e 赋) 骶：s a p p h i r e 激光器的增强晶体宝石在激光强度p 1 0 g u 讹m 2 时念产生自聚焦 现象( 一种非线形效应) 。“毪秒激光脉冲很帮，如果直接放大飞杪脉沸，很容易 筏激港强震超过宝露菸辖戆瓣毽，损莓晶簿，淹了避受这静清援黔淡空，飞秽激 蠢器嚣袋薅凝壤辣砖羧天( e 撼警穗蹦辩恕印 i 纛勰珏。毽e 酸) 援零，籀霪擎爨零， 先搬脉冲宽度拉宽( 拉浇一l o ，0 0 0 倍) ，然詹放大被拉宽的脉冲( 放大增益达1 0 5 ) ， 蒋把激光脉冲压回原来的脉窳。这样就不会损坏激光器的宝石晶体，同时实现实 瑗躲冲敝太。 圈9 ：臻嗷辕转羧太鼹理 嘲l o 给出了脉宽挝 l l l 披术示意匿。根据测不准原理，有苣x a 协纛膣。对g a u s s 审辫嚣攀接毒夫擎器变垒穰漆：潆整苍文 辕渖，商v x 夺o 4 4 1 。熟中v 是波长带黼，加是脉宽。理论、b 只雾使同个脉 冲内c | | 部分单色光相对熊他单色光滞质一股附阃，就可以实现脉冲l 盘宽。光栅可 爨稷姆瓣变臻复龟悫熬髓漱。使器单色巍努戆。遇过整l o 孛躲避躐露置，搜缮 鑫蓑建楚适藜亮囊夫子穗籁凳辩竞程，餮爨裁瓷淹簧蠹蕊蕊撵糯赛瀑了黪蠢叠 蒋。鹬释逶过疆整免瓣激鼹稻鬟，搜褥嚣灏辩黼涟翁竞程枣予槭灏濑韶先程就哥 以辩飙脉宽压缩。被拉谢的脉冲再进入再生敝穴滞放大，使褥单个脉冲激光能量 放大划帆y 脉冲，然后缀潋淋窗压缩技术搜脒嫩状复臻飞秒。 溪 & 秘嚏枣懿豫黉楚蒋霾寒 蕊1 尽激光处理过糕巾韵相关技术 杂平激港处理过稷蚋蟪豫健，下藤我聍，越爨搂怒一些激毙她髓谶褪中鼹糟美 援零。懿；聚蕊溅竞瓷寒豢犍麓溪量、悫寒慧藏遥器娆、殴黎溅凌懑爨蓑末t 1 s 1 激光光束直轻躺测量 漤激波强索直径为夺喝。m 鲢，可以擞燃粥逛暾二援管t 摄德樵、或者0 e 强 簿 中簿科举技术大学研究生院博士学位论文 直接溺量。毽楚黠于聚焦屠的毙簇囊径，l 、予l 越m 静激党束，一般采麓刀片法测 量”。用一锋利的刀片逐步扫道光束，对于光强在横截面呈g a u s s 分布的激光光 束，其透射光强度满足下面关系。 f = 半2 去f 唧t 一睾删= 主唰毒 t 是光强透过拳，x 是刀片位鼹，o 是光束半径。因此我们在实验中只要测得刀 片位置x 和光强透过率的函数关系，就可以利用上式拟和得到光束半径0 ) o 。 l 。5 。2 兜寒必强均匀化 在如激光打孔、激光去除簿激光处理过程中，希望把横截面上光强璧g a u s s 分布的激光光束光强转成均匀分布，尽可能提高激光束能量的使用率。对于横截 面上光强盛g a u s s 分布的相予光束的均匀化主要通过光束衍射来完成。准分子激 光在攘截甏浆光强分毒星丈毽蟆凝( 搽形状) ，这撵戆蠢素均匀纯童瑟遇过反封 移折射完成采。最简单酶光柬均匀亿手段就是蠢l 汽阑直接去除低髓部分。 1 5 2 1 衍射法 辑射法元终主要有：垒聪格子3 5 、光攫弱、榴像片”，或者全息按术3 8 。衍射 法均匀纯光强要求激光器运弦嚣常稳定。 1 5 2 2 反射法 图l l 鲶撼了反射法均匀能必强的示意图，利用浆焦螽的激光光柬农光波导中 款多次爱瓣实瑗竞强均匀纯。巍波导豹长度羁惫豹入袈角决定了各蹩线程波导中 反射的次数，不同入射角的入射光在波导中多次殿射后在出射面叠加实现了光束 均匀化。猩波导前面加一扩散片可以使均匀化效粜更佳。 蔓堙塑望堡! 苎查兰矍壅妻基整墨兰壁鎏奎 悉l l ：反射法均匀谯光强示意图 麓他反射法还包播利用有弧度豹石英棒3 9 或多面镜4 。来完成光强均匀化。 1 s 2 3 折射法 科用霞1 2 所示豹篷驻均匀器辑慰法祷掰遥予大光隶高强麓激光鹣竞强趣匀 化。瘸眼均匀器包括交叉变形透镜阵列( 般用柱面镜) 和成像透镜弧4 2 。前萄 的勰远镜系统可以调熬激光光束口径，使光柬和鹰眼均匀化器的尺寸匹配。均匀 化艏的逝射激光束直径大小有变形透镜大小、第二凸透镜焦距、和成像透镜决定。 t e l e s e o 第h o 潮键e 豫| e f l m a 誊n go 潮c s l 。美3 温度测量 豳1 2 ：鹰眼均匀器折射法均匀化光强示意图 激光处理过程中，激光加热样品韵温度分布在研究激光和物质相互作用时非 常煎嚣。在激光加热j 过程中的温度测量主鬻肖光电高温测爨法、r a m a n 光谱、光 热镳转等光学测量方法，戳及热电量热法、孵闻飞毒亍谱法。 串蕊辩学技术大学研究生院鞲士学位论文 1 3 1 光电高温测量法 光鼠测量法通过钡擞激光加热表武的光学辍射推出温度。认为激光加热表面 可以卷戏黑体辐射。辍射港谱襄滠度滤是 三( v ，= ( v ，) 毛。( v ， 她耻芋乏磊2 等 。唧( 磊卜l r 其孛8 v ，f 、王。( v ，r ) 努嚣| 是辐射发鞠黑体辐射率。魏豢辕魅度已螽，遂 过光谱分布测量可以誊接得到温度。 被高强度激光加热的样品的辐射光谱非常数杂，特别是样品锅多种元素组成 时就受搬复杂，此时的光谱是有各个处在不间潞度兹元素光谱叠加隧成。此时需 要莓 邈一个等效辐蘩度e 0 3 。在太蟊校瓣热熬笺攀揍况下( t 缭勰题，强暴在距 离净吼。( 口。是吸收系数) 内样品的温度变化微小，此时等效辐射艘。可以认为等 于均匀加热物体的辐射度8 。 光魄商温测量法有下述优点：对高温非常敏感，可以进行原饺梭测，对样品 熬秘牲不敏感，其空闽分辨率取决于竞掌系绫的衍射极限；缺点是：由于探溺器 的缘故，并不适合灏量低滠过程。剩躅光电麓濑测量法，激怒糯热滠度可由下述 3 种方式获得。 1 固定波长的光强：鞲色法 2 + 莱段光谱靛积分强度：获分法 3 院较两令波长熬巍疆：沈较法 单色法和积分法测爨的温度误差甜 砑= 等 ( 争2 + ( 誓) 2 】 其中e 2 = 矗胡唔 院较法测量的温度蠛麓劈 砑：坐亟 c 2r ； 串瓣翳掌捩零夫掌礤究妻黎潜虫攀挺遥交 其中孙* ( 一扣一，r l a 强皇，l f 、b 努溺怒波长氕f 、如靛浅强。在授8 量大 2蛾疗2 霭积垮匀懿溢样品赋，溢壤熬误差主要取决予