激光与晶体相互作用研究.doc

本科学生毕业论文（设计）题目(中 文):激光与晶体相互作用研究(英 文): Study of Laser Interaction with Crystal姓 名郑金波学 号200906001145院 （系）电子工程系专业、年级物理学 2009级指导教师钟 锋2013年 5 月 15 日II湖南科技学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 毕业论文（设计）任务书课题名称：激光与晶体相互作用研究学生姓名：郑金波系 别：电子工程系专 业：物理学指导教师：钟 锋2012年 11 月 30 日III湖南科技学院本科毕业论文（设计）任务书1、 主题词、关键词： 激光 晶体 相互作用 损伤模型2、毕业论文（设计）内容要求： 1）请简单介绍激光与物质相互作用的研究进展； 2）请介绍激光与晶体相互作用机理； 3）介绍激光与晶体相互作用的经典模型4）论文应严格遵循撰写规范； 5）论文摘要和关键词应反映论文内容； 6）论文在内容和格式上的规范化与统一化； 7）论文应层次分明，数据可靠，文字简练，说理透彻，推理严整，立论正确。 8）论文结论简练概括，充分表达论文主旨。3、文献查阅指引：1吴晓君、贾天卿、赵福利.飞秒激光在6HSiC晶体表面制备纳米微结构J.光学学报，2007,27（1）：105-108；2姜本学、赵志伟.飞秒激光与晶体和玻璃的相互作用J.量子电子学报，2005,22（2）：135-140；3孙晓慧、张修丽、刘烈.飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展J.材料导报，2008,22（2）：1-3；4游牧.超短脉冲与透明介质相互作用D.国科学院研究生院硕士学位论文，2005，34-38；5Keldysh L. V.Ionization in the field of a strong elelctromagentic waveJ.Sov. Phys.JETP, 1965, 20 (5):1307-1314；6韩艳华.飞秒激光在透明体材料中诱导光功能微结构D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006；7徐丽雯、雷子明.强激光照射下，-LiIO3晶体中晶格振动的多模激发和模之间的相互作用J物理学报，1981,30（1）：138-142；8张喆介观尺度下激光与物质相互作用及光场表征的研究D.天津大学博士学位论文，2010。4、毕业论文（设计）进度安排：1）2012年11月30日-2012年12月25日 根据任务书查阅资料，写好开题报告； 2）2012年12月30日-2013年3月30日 完成毕业论文初稿； 3）2013年4月1日-2013年5月8日 完成论文修改并定稿。 教研室意见： 负责人签名： 负责人签名： 注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）开题报告书论文（设计）题目激光与晶体相互作用研究作 者 姓 名郑金波所属系、专业、年级 电子工程系 物理学专业 2009年级指导教师姓名、职称钟锋 讲师预计字数9000开题日期2012.12.24选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解自1960年第一台红宝石激光诞生，人们开始了对激光与材料相互作用的研究并取得了一系列的成果。20世纪80年代飞秒激光器的问世，使得激光在更加广泛的领域得到了应用。早在上个世纪就有很多的科学家预言，二十一世纪全光学回路将完全替代电学回路 ，但是想要让光路像电路那样能够轻易地进行控制和放大就要求光学材料要有像电学材料中的硅基材料那样容易实现性质的改变和组合。这就对利用激光实现晶体材料的改性有了迫切的需求。由于在晶体中形成色心是非常困难的，所以和玻璃相比人们对激光与晶体的相互作用引起的结构变化的研究就相对较少。但是由于其在应用方面的越来越广泛故利用激光实现晶体材料的改性具有很诱人的前景。随着激光技术的不断发展，激光与物质相互作用研究也愈演愈烈，各国在此方面的研究都投入了大量的人力财力。20世纪90年代后，随着飞秒钦宝石激光器的研制成功，飞秒激光进入了材料加工领域。与传统加工用激光器如二氧化（CO2）激光器、掺钱忆铝石榴石(YAG)激光器相比，飞秒激光加工产生的热影响区域非常小，能够得到更高的加工精度;与准分子激光器相比，飞秒激光脉冲除了材料表而微加工，还能进行透明材料的体内微加工，且加工精度不低于准分子激光。1996年日本的Davis K D等首次利用再生放大的钛宝石飞秒激光成功的在各种玻璃材料内写入光波导。哈佛大学Mazur E领导的小组飞秒激光在各种透明材料内部进行高密度三维存储。Rizvi N H总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石等多种材料的微加工进展情况，证实了飞秒激光是一种优秀的材料加工光源。国际上在激光与物质相互作用已有了较深入的研究，许多大学以及研究所在此领域取得了在实验以及理论上的成果，尽管实验条件不能够都一样，但是所取得的许多研究成果都能够普遍适用。由于超短脉冲激光的优异性，超短脉冲激光对晶体的作用便广泛地应用于化学、物理、光电子学以及生物学等各个不同领域。近年来，超短脉冲激光在微加工、透明介质中的三维光存储个物理医学等许多领域得到了广泛应用。由于在对物质处理过程中的非接触性等优点，超短脉冲激光是进行表面图案和物质体内微加工的一种极为有力的工具。对于精度要求高的加工问题传统的化学腐蚀方法很难达到所要求的目的，但用超短脉冲激光进行加工可以很好地完成这一任务。将激光强度超过透明介质损伤阈值的超短脉冲激光束紧聚焦到透明介质(如熔融石英)中，会在介质体内产生一个小至亚微米尺度的微小损伤（空腔）结构，用此方法可以在透明介质中进行三维光数据的存储。在2003年G.kamlage等人利用飞秒激光对不锈钢薄片进行深孔加工，加工后的材料深孔边沿清晰，表面干净并且有高重复性等特征。使用飞秒激光进行活体细胞手术能够使细胞膜不受损，这种技术对基因疗法、细胞动力学、细胞极性、抗药性及细胞内部不同成分和亚细胞异质结构的研究具有指导性作用。人们根据飞秒激光具有“冷”加工、热影响区域小、阈值精确的特点将其应用在牙科、眼科等手术中，开辟了一条医学手术的新途径。许多大学投入了相当多的人力物力对这方面进行研究。利用飞秒激光沉积技术制备生物材料或者生物兼容材料有其特有的优点，有人用脉宽为450fs，波长为496nm的飞秒激光损伤冻结牙齿标靶来沉积硅基以及澳化钾薄膜，同时检测了制备样品的形貌、厚度，也检测了薄膜层的化学成分，取得了显著的成果。由于晶体材料具有良好的光学、热学性能和化学稳定性等非晶体没有的特性所以对晶体进行研究比玻璃等物质的研究有着更高的潜在实用价值。主要内容：1.将简要介绍了激光的发展。2.将介绍激光与晶体相互作用的机理。本部分分别介绍了长脉冲激光和超短脉冲激光与晶体相互作用的特点。3.将介绍了激光与晶体相互作用的一些经典模型: 纳秒或皮秒激光脉冲损伤模型及等离子体吸收、飞秒激光与晶体相互作用的Fan模型、考虑等离子体形成时间的损伤模型及等离子体吸收。4.将介绍本文的结论研究方法：本文通过参考文献的引用进行理论分析，归纳总结等方法进行论证，从而得出相关结论。完成期限和采取的主要措施：完成期限：1） 2012年11月30日2012年12月25日 根据任务书查阅资料，写好开题报告； 2） 2012年12月30日-2013年3月30日 完成毕业论文初稿； 3） 2013年4月1日-2013年5月8日 完成论文修改并定稿。主要措施 1） 在图书馆查阅、借阅各种相关书籍学术期刊。 2） 通过指导老师指引，查阅相关文献。 3） 网上搜索相关资料，与老师讨论相关问题。 4） 阅览室查阅相关资料。 5） 仔细研究并综合各种相关信息，展开论述。主要参考资料：1 吴晓君、贾天卿、赵福利.飞秒激光在6HSiC晶体表面制备纳米微结构J.光学学报，2007,27（1）:105-108；2姜本学、赵志伟.飞秒激光与晶体和玻璃的相互作用J.量子电子学报，2005,22（2）:135-140；3孙晓慧、张修丽、刘烈.飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展J.材料导报，2008,22（2）：1-3；4游牧.超短脉冲与透明介质相互作用D.国科学院研究生院硕士学位论文，20055Keldysh L. V.Ionization in the field of a strong elelctromagentic waveJ.Sov. Phys.JETP, 1965, 20 (5):1307-1314；6韩艳华.飞秒激光在透明体材料中诱导光功能微结构D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006；7徐丽雯、雷子明.强激光照射下，-LiIO3晶体中晶格振动的多模激发和模之间的相互作用J物理学报，1981,30（1）：138-142；8张喆介观尺度下激光与物质相互作用及光场表征的研究D.天津大学博士学位论文，2010；9L.V Keldysh. Ionization in the field of a strong electromagnetic wave. Sov. Phys. JETP,1965, 20(5): 1307一1314；10孙晓慧、周常河.飞秒激光加工最近进展J.激光与光电子学进展，2004（09）；11宋少雷、张龙.激光辐照HgCdTe晶体研究进展J.光机电信息，2010,27(6)：10-14。指导教师意见：指导教师签名： 教研室意见：签 名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时间2012.12.24地点三教104与会人员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）孔永红副教授谭美华讲 师钟 锋讲 师高海峡讲 师尹鑫桃讲 师会议记录摘要：1、高海峡老师问:本论文的研究课题是什么？答：本论文的研究课题是激光与晶体的相互作用研究。2、尹鑫桃老师问:晶体材料对长脉冲激光与短脉冲激光能量的吸收过程有何不同？答：对于长脉冲激光主要是线性吸收而对于超短脉冲激光则主要是非线性吸收。3、孔永红老师问:本文研究的激光对材料损伤模型有哪几类？答：本文研究的主要模型有：纳秒或皮秒激光脉冲损伤模型及等离子体吸收、飞秒激光与晶体相互作用的Fan模型、考虑等离子体形成时间的损伤模型及等离子体吸收。会议主持人：记 录 人： 2012年12月24日 指导小组意见负责人签名： 年 月 日系部 意 见 负责人签名： 年 月 日注：此表由学生本人填写，一式三份，一份留系里存档，指导老师和本人各保存一份湖南科技学院毕业论文（设计）中期检查表毕业论文（设计）题 目激光与晶体相互作用研究学生姓名郑金波学 号200906001145系 别电子工程系专 业物理学指导教师钟 锋检查日期2013年4月7日指导教师检查情况记载及修改意见：1、论文初稿已经完成，态度非常认真；2、完成中期工作量，还存在不足。具体修改意见如下：1、文章的摘要要突出主题并尽量简洁明了；2、对于激光的发展过程的介绍可以尽量简练一些。 3、对于对长短脉冲激光与晶体的相互作用机理应该做到语言精简凝练。4、引用的地方要用上标标出，在参考文献中体现出来； 5、文中的相关重要概念还需要做补充和说明；6、论文格式按照学校的规范写，参考文献标出在正文中的具体位置，并增加中文献的数量；7、要仔细阅读，纠正文章中的细小的错误，包括标点符号的错误等。8、继续斟酌论文的逻辑性，连贯性，语句是否通顺等。论文格式要严格按照规范和要求来做。签名： 注：此表用于指导教师在学生毕业论文（设计）初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用，由指导教师填写。湖南科技学院毕业设计（论文）指导过程记录表毕业论文(设计)题目激光与晶体相互作用研究学生姓名郑金波学号200906001145专业班级物理学0901班指导教师钟 锋职称讲 师系（教研室）电子工程系指导过程记录指导内容记录(一)根据本人大学期间所学知识，指导老师帮助我选定论文题目-激光与晶体相互作用研究，下达了任务书，并提出毕业论文的开题报告的书写格式要严格遵循论文书写规范。学 生 签 名： 2012年 12月 1 日 指导教师签名： 2012年 12 月 1 日指导内容记录(二)老师对我的开题报告进行了检查并进行肯定，告诉我有关在开题答辩时一些要注意的问题。 学 生 签 名： 2012年12 月21日 指导教师签名： 2012年12 月 21日指导内容记录（三)指导我论文写作首先要写好提纲然后再进行拓展，强调要写好中英文摘要，同时告诫我别人的研究成果可以借鉴，但写论文要真正有自己的收获。学 生 签 名： 2013年 1 月 15 日 指导教师签名： 2013年 1 月 15 日指导内容记录(四)第一次提交论文，老师比较满意，建议要对飞秒激光与材料相互作用的非线性现象论述清楚，并指出要注重论文的科学性。学 生 签 名： 2013年 3 月 1 日 指导教师签名： 2013年 3 月 1 日指导过程记录指导内容记录(五)在老师的指导下，我对探讨激光脉冲损伤晶体的损伤模型进行了更多的分类，使论文看上去更加严谨科学。 学 生 签 名： 2013年 3 月 20日 指导教师签名： 2013年3 月 20 日指导内容记录(六)老师对进行中期检查，对前期的工作作出了肯定，建议我对激光的发展过程及激光与晶体的相互作用描述要做到精简凝练，要注意文章中的一些细节。 学 生 签 名： 2013年4月 7日 指导教师签名： 2013年 4 月 7 日 指导内容记录(七) 再次检查论文，指导我引用别人的图画和公式必须要标明出处，否则会构成侵权。 学 生 签 名： 2013年4月15 日指导教师签名： 2013年4月15日指导内容记录(八)定稿前检查，钟老师从前置部分到主题部分都作了很详细的检查，并对论文答辩PPT的制作提出了相关建议。学 生 签 名： 2013年5月3日 指导教师签名： 2013 年5月3日 答辩小组组长意 见组长(签名)： 年 月 日注：本表与毕业论文一起装订存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）评审表论文题目激光与晶体相互作用研究作者姓名郑金波所属系、专业、年级电子工程 系 物理学 专业 2009年级指导教师姓名、职称钟 锋 讲 师字 数9000定稿日期2013.5.15中文摘要随着激光技术日益发展与成熟，以激光加工材料也突破了传统的加工材料模式的一些局限性，体现出勃勃的生命力。在物理、生物学、化学、光电子学等领域都有着广泛的应用。激光与晶体材料的相互作用研究日前还处于初步发展阶段。本文主要从理论上对长脉冲激光和超短脉冲激光与晶体材料相互作用的机理的分析。分析了超短脉冲激光与材料相互作用时常见的非线性现象：多光子离化、隧道离化、雪崩离化、等离子吸收激光能量、自聚焦和等离子的离焦现象。以及介绍了激光脉冲与晶体相互作用晶体相互作用的的几种常见的损伤模型：纳秒或皮秒激光脉冲损伤模型及等离子体吸收、飞秒激光与晶体相互作用的Fan模型、考虑等离子体形成时间的损伤模型及等离子体吸收。关键词（3-5个）激光；晶体；相互作用；损伤模型。英文摘要With the development of laser technology development and mature, in laser processing of materials also has overcome some limitations of traditional materials processing mode, reflects the exuberant vitality. In physics, chemistry, biology, optoelectronics and other fields have a wide range of applications. Research on the interaction between laser and crystal material is in the preliminary stage of development. This paper mainly from the theory of long pulse laser and the mechanism of interaction between laser and materials of ultrashort pulse analysis. Analysis of the ultrashort pulse nonlinear phenomenon common interaction between laser and materials: multiphoton ionization, tunneling ionization, avalanche ionization, plasma absorption of laser energy, self-focusing and plasma defocusing phenomena. And introduces the common interaction damage model and crystal crystal interaction of laser pulse: nanosecond or picosecond laser pulse damage model and plasma absorption, femtosecond laser and crystal interaction Fan model, considering the plasma formation time of injury model and plasma absorption.关键词(3-5个)laser ;crystal; interaction; damage model.指导教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分指导教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 指导教师评审意见： 指导教师签名： 评阅教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵满分评阅教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到毕业论文（设计）综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作规范符合学术论文的基本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 评阅教师评审意见： 评阅教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60分以下记为不及格。湖南科技学院本科毕业论文（设计）答辩记录表论文题目激光与晶体相互作用研究作者姓名郑金波所属系、专业、年级电子工程 系 物理学 专业 2009年级指导教师姓名、职称钟锋、讲师答 辩 会 纪 要时间2013.5.18地点三教104答辩小组成员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）孔永红副教授谭美华讲 师钟 锋讲 师高海峡讲 师尹鑫桃讲 师答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：1、谭美华老师问：飞秒激光与晶体的相互作用主要三个阶段是什么？答：1、在强激光场作用下，电子通过多光子吸收、碰撞电离等激发到导带成为等离子体。2、等离子体的加热过程。3、通过电子一声子相互作用把等离子体能量传给晶格，导致材料的熔化、气化、烧蚀等2、尹鑫桃老师问：超短脉冲激光与晶体相互作用常见的非线性现象有哪些？答：多光子离化、隧道离化、雪崩离化、等离子吸收激光能量、自聚焦和等离子的离焦现象3、孔永红老师问：Docchio对“移动的损伤”模型的改进主要是用来分析什么激光脉冲的损伤模型的？改进后的模型假定在什么时候发生光损伤？使用这一假定后的模型主要是激光的什么占据主要地位？答：Docchio对“移动的损伤”模型的改进主要是用来分析纳秒或皮秒激光脉冲的损伤情况，改进后的模型中假定：入射激光强度超过介质损伤阈值时，发生光损伤。使用这一假定后的模型主要是激光的光强占据主要地位。议主持人：记 录 人：年 月 日答辩小组意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 年 月 日系学位委员会意见评语：论文（设计）最终评定等级：负责人（签名）： 系部（公章） 年 月 日校学位委员会意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 年 月 日17目 录绪 论11激光与晶体相互作用理论分析31.1长脉冲激光对材料损伤31.2飞秒激光与晶体相互作用的非线性效应41.2.1多光子离化和隧道离化41.2.2雪崩离化51.2.3等离子体吸收激光能量61.2.4自聚焦和等离子体的离焦现象71.3飞秒激光与晶体相互作用82激光脉冲损伤晶体的损伤模型92.1纳秒或皮秒激光脉冲损伤模型及等离子体吸收92.1.1激光脉冲的时间和空间分布92.1.2长脉冲(纳秒、皮秒)作用时的损伤情况102.2飞秒激光与晶体相互作用的Fan模型112.3考虑等离子体形成时间的损伤模型及等离子体吸收12结论15参考文献16致 谢17激光与晶体相互作用研究摘 要随着激光技术日益发展与成熟，以激光加工材料也突破了传统的加工材料模式的一些局限性，体现出勃勃的生命力。在物理、生物学、化学、光电子学等领域都有着广泛的应用。激光与晶体材料的相互作用研究日前还处于初步发展阶段。本文主要从理论上对长脉冲激光和超短脉冲激光与晶体材料相互作用的机理的分析。分析了超短脉冲激光与材料相互作用时常见的非线性现象：多光子离化、隧道离化、雪崩离化、等离子吸收激光能量、自聚焦和等离子的离焦现象。以及介绍了激光脉冲与晶体相互作用晶体相互作用的的几种常见的损伤模型：纳秒或皮秒激光脉冲损伤模型及等离子体吸收、飞秒激光与晶体相互作用的Fan模型、考虑等离子体形成时间的损伤模型及等离子体吸收。关键词：激光；晶体；相互作用；损伤模型。Study of Laser Interaction with CrystalAbstractWith the development of laser technology development and mature, in laser processing of materials also has overcome some limitations of traditional materials processing mode, reflects the exuberant vitality. In physics, chemistry, biology, optoelectronics and other fields have a wide range of applications. Research on the interaction between laser and crystal material is in the preliminary stage of development. This paper mainly from the theory of long pulse laser and the mechanism of interaction between laser and materials of ultrashort pulse analysis. Analysis of the ultrashort pulse nonlinear phenomenon common interaction between laser and materials: multiphoton ionization, tunneling ionization, avalanche ionization, plasma absorption of laser energy, self-focusing and plasma defocusing phenomena. And introduces the common interaction damage model and crystal crystal interaction of laser pulse: nanosecond or picosecond laser pulse damage model and plasma absorption, femtosecond laser and crystal interaction Fan model, considering the plasma formation time of injury model and plasma absorption.【Keywords】 laser ;crystal; interaction; damage model.绪 论自激光被发明之后，由于它具有高相干性、高亮度一系列其他光所不具有的等优点而让科学界高度重视。自20世纪60年代实现激光锁模，到60年代中后期锁模光脉冲宽度为纳秒和亚纳秒10-9-10-l0s量级，70年代中后期，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞跃，即在理论和实践上都有一定的突破，超短脉冲宽度进入飞秒(10-15s)阶段。1981年，美国贝尔实验室在六镜环形腔中实现了碰撞锁模，得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中，得到了8.5fs的超短光脉冲序列。同传统的激光技术相类似，飞秒激光的发展也是和光学材料紧密相关的。宽带的掺钛蓝宝石激光晶体的出现，促进了飞秒激光在90年代的飞速发展。至今飞秒激光器可以产生带宽小于3fs 的激光脉冲，非常接近单个光波振荡周期，其峰值功率也已经超过拍瓦（1PW =1015W ），相应的光波聚焦光强超过1021W/cm2，相当于将所有覆盖于地球表面的太阳能辐射集中到30的小孔内所获得的强度1。激光技术的发展更是推动了诸多领域的迅速发展并在各领域中得到了越来越广泛的应用，特别是在加工领域中的应用成果尤为显著。激光与材料的相互作用可产生各种各样的现象，包括简单的材料吸收后被局部加热，也可以是复杂的光致化学反应及烧蚀、等离子的产生等，这些现象都与激光和材料的特性及烧蚀环境密切相关。使用长脉冲激光对材料进行加工处理时候是通过固态一液态一气态的三相热熔过程实现逐步去除，其中的热扩散过程会影响加工处理的质量。由于激光脉冲较长的持续时间降低了其相应的峰值功率密度，从而使得电子的受激过程只能依赖于单个入射光子的共振线性吸收，因此无法加工相对透明的介质材料，加工范围受到材料的光吸收特性的严格限制。在七、八十年代2，人们研究了纳秒和皮秒激光作用下材料损伤的机制，提出了热破坏、雪崩击穿、自聚焦等若干物理模型，其中杂质和缺陷引起的热破坏模型得到了较深入的研究。根据热损伤理论，在长脉冲激光照射下（10ps），材料发生热致损伤的阈值与脉冲宽度的平方根成正比3。导带电子碰撞电离所需的种子电子主要来源于材料中的杂质和缺陷，材料中杂质分布的数密度对材料破坏有重要的影响。材料的损伤阈值主要由杂质颗粒的性质决定的，同时也与材料的性质，如熔点、热传导系数、热膨胀系数、抗张强度等因素有关4。长脉冲激光和连续主要依靠聚焦产生的高温来烧蚀材料，热扩散范围大，加工精度有限。相对于长脉冲激光和连续激光来说，飞秒激光脉冲以超高速和超高峰值特性将其能量全部、准确地集中在限定的作用区域，可对所有材料实现“冷”加工。由于在加工的过程中不产生冲击波，汽化物质也不把热量传给相邻的物质，因此避免了加工过程中热损伤的产生，得到了较高加工质量。因此在工业加工领域倍受青睐。飞秒激光经聚焦以后，其电场强度可以达到或超过氢原子内的库仑场，如此超高的强度，不仅可以加工硬度或熔点极高的材料，而且可以通过多光子吸收、碰撞电离等非线性过程对玻璃、晶体、聚合物等透明材料进行各种微制备。飞秒激光能在短于晶格热扩散的时间(ps量级)内将能量沉积到具有高度空间选择性的区域中，其热影响区极小，可以实现亚微米尺寸加工。近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点，可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工5。飞秒激光器加工的优点主要有以下方面飞秒激光器加工的优点主要有：加工材料的广泛性、加工过程的非热熔性和加工结果的精确性、加工尺寸的亚微米特性和3D空间分辨性、加工能量的低耗性等。由于晶体材料具有其独特的机械性能、光学性能、电学性能等，如今已广泛地将其使用到生物医学、高能物理、激光与光电子技术、家用电器等各个领域，成为当代信息技术产业的支柱6。现今国内外学者对激光与晶体相互作用下产生的微结构如光波导、光栅、色心结构等研究并给予了广泛关注，他们还研究并发现了双光子、三光子等多光子非线性吸收致上转换发光现象。本文在回顾前人对激光与一些材料研究历史和相关研究成果的前提下从理论上初略地分析和研究了长脉冲和短脉冲与材料相互作用的机理，初步研究和分析了激光与晶体相互作用中常见的非线性现象的成因并以此继续研究了激光与晶体相互作用的一些经典模型，并对相关模型进行了分析和总结。1 激光与晶体相互作用理论分析1.1 长脉冲激光对材料损伤由于长脉冲激光其一个脉冲持续的时间较长所以导带电子就有足够的时间将能量通过电子晶格的耦合传递个晶格，再通过晶格晶格的耦合将碰撞区域的能量通过声子的形式扩散到整个晶格，如此一来激光对晶体材料进行损伤的同时就会产生显著的热效应。如果脉冲能量的入射区域的温度提高到足以引起晶体产生物质的熔化已经破裂时一，就会毫无疑问地引起照射区域产生永久性的改性。由于激光脉冲对材料的损伤是通过脉冲能量沉积到照射区域内之后，再经过热扩散的形式向周围传递，所以脉冲能量对物质的损伤闲值自然就和能量沉积的时间已经热扩散所需要的时间有关。这就决定了长脉冲对材料的损伤阈值是不确定的。后来有数值分析表面，长脉冲激光损伤材料时，损伤阈值是与脉宽的二次方根成正比3。不过后来在分析脉冲宽度短于10ps的激光对材料损伤时却不存在这样的情况2。长脉冲损伤具有极大的不确定性。长脉冲对材料的损伤是以线性效应为主导的，所以在使用长脉冲对材料进行损伤时，材料中那些在光没有扰动之前所存在的导带电子的多寡是非常重要的，这将直接决定了材料对激光脉冲能量吸收的显著程度。另一方面导带电子的存在也是决定雪崩离化能否充分进行的关键，这是由于长脉宽有充足的时间让光对价带电子进行扰动，导致导带电子数密度按几何级数进行增加6。不管是由于光的扰动所产生的导带电子还是由于晶体的不纯以及晶格的缺陷等原因，都能产生导带电子以至于使得雪崩离化能够充分进行；所以对于脉冲宽度只有几秒或者几十皮秒的激光脉冲，就算使用光功率密度不是很高的激光脉冲，同样能够在晶体材料中产生永久性的损伤结构。对于不纯和有缺陷的晶体材料在还没有被光照射之前导带电子的浓度也较高，因此大量的激光能量便会被材料吸收导致光损伤阈值降低也就大大地增大了材料损伤阈值的确定难度。因此即使是使用同一种晶体材料长脉冲激光对其不同次损伤也就不一样了。在通常的情况下，在透明固体材料中因为材料本身不纯会存在的导带电子浓度在108/cm3，聚焦到物质中10微米光斑上的激光速所具有的瑞利范围大约为75，因此聚焦体积大约是10-8cm3。所以平均在聚焦体积中便会有一个导带电子的存在。从前面的分析中我们可以得知种子电子对长脉冲损伤起着非一般的作用，所以聚焦体积内的种子电子的量与涨落对损伤过程起着重要影响。假设使用接近阈值的同一激光能量对同一样品进行加工可能会出现有的激光脉冲能产生损伤有的不会的情况。这其中的缘由便是脉冲激光聚焦去种子电子的数量。如果种子电子的数量多就容易产生光损伤，如果数量少就不容易损伤。1.2 飞秒激光与晶体相互作用的非线性效应在正常情况下，飞秒激光致使晶体材料产生改性及损伤的第一步就是晶体材料对激光能量的吸收，这一过程主要就是线性吸收和非线性吸收现象。通常情况下晶体材料对较长波长激光脉冲的吸收机理的关键在于两个方面。其一，材料类型。不同类型的材料吸收机理不同。若是金属和电介质中存在自由电子数目不一样，那么，材料吸收激光能量这一物理过程肯定也不尽相同。其二，激光强度。若要是激光强度很大时便会有较强非线性效应产生。当激光强度较低时，使用非紫外激光损伤透明材料，能量吸收过程也可能会涉及到非线性过程;当脉冲强度较高时，不论是金属材料还是电介质材料，对能量的吸收都会涉及到一定的非线性过程。由于飞秒激光由于其窄的脉宽以及高的峰值功率，因此飞秒激光对晶体材料的损伤主要是非线性效应。非线性效应主要包括多光子离化、隧道离化、雪崩离化。1.2.1多光子离化和隧道离化隧道离化和多光子化称为光离化，是指激光光束的能量被物质的束缚电子直接吸收，使得电子由价态激发到导态的过程。在非线性光离化中，激光强度及频率不一样隧道离化和多光子离化发挥的作用的重要性也会不一样。Keldysh，将多光子离化和隧道离化这两种不同的概念在同一个体系中表示出来7。其中低频率、高强度的激光场激光，其非线性光离化主要是隧道离化过程。在隧道离