飞秒激光烧蚀材料下的新动力学研究

飞秒激光技术在精密机械微加工、高密度光存储、纳米粒子的制备及医学等诸多领域具有广泛应用前景。揭示飞秒激光烧蚀材料的物理本质则是拓广其应用的关键。材料在飞秒激光作用下其能带结构与电子态密度都会发生显著变化，且导热机制必须考虑电子亚系统和晶格亚系统的温度变化规律。本项目拟在研究相应变化规律的基础上通过电子态密度与双温模型相结合的方法，重点研究飞秒激光与材料相互作用的机理：（1）考虑极端条件下多光子吸收、强离化效应、非傅立叶热效应等，探究飞秒激光在固体靶材中的吸收机制及超热电子产生的热动力学机制。（2）利用第一性原理计算电子态密度，进而得到电子的热容、热导率、电声耦合系数随电子温度的变化关系，结合双温模型，研究高能飞秒激光烧蚀材料的物理本质。（3）深入分析电声耦合、表面固化和晶格重排等微观效应，探讨材料出现各种奇异现象（如周期性结构）与激光工作参数的关系，进而建立相应的理论模型。

本课题按计划全面完成，发表相关论文4篇，2篇境外SCI论文，2篇国际会议EI。除此而外，在主持项目期间受邀为美国NOVA出版社出版的专著撰写了一个章节。课题从实验和理论两个方面，全面深入的研究了飞秒激光烧蚀特性与激光工作参数的关系。本课题在考虑多光子吸收、强离化效应、非傅立叶热效应等非线性效应的影响下，建立了改进的双温模型，利用此方程进行了大量的有价值的研究。因此，关于激光烧蚀的研究，完成的较好。在课题的执行过程中，我们增加了对于飞秒激光制备纳米周期性结构的性能研究，并进行了许多有趣的探索。其中包括对各种波段光的吸收和反射，对自然光的吸收率的提高，表面亲水性等等。尽管这些工作是在申请书中没有包括的内容，但是我们在研究过程中发现，对纳米周期性结构的实际应用要给予重视，这和理论研究是相互促进的，有趣的现象更能激发我们对原理的探索。特别值得指出的是：作为我们工作的自然延伸，我们在金属铜上面制备的纳米周期性结构对自然光的吸收率可以达到50%，取得突破性的进展。