飞秒激光引发硅和玻璃内部残余应力应变形成的过程

飞秒激光微加工过程中产生的冲击波会在材料内部施加一个很大的应力应变场，对器件的机械和光学性能会产生很大影响。冲击波对材料的作用过程和作用机理是目前国际上飞秒激光微细加工领域研究的一个难点。本课题利用飞秒激光分别对硅片表面进行烧蚀和在玻璃内部进行微爆，对加工后产生的残余应力应变以及加工过程中应力应变的变化过程进行研究，在此基础上对材料内部在加工中的应力应变演化过程以及加工后残余应力应变的形成机理进行研究，从而建立飞秒激光对材料冲击作用过程的相关理论。并以此为依据对加工过程进行仿真，研究加工过程中应力应变随加工参数的变化规律。本项目研究的突破对了解飞秒激光微加工的机理和优化加工参数具有重要的理论和现实意义，可以为今后飞秒激光微加工在MEMS器件、微光电器件以及光逻辑计算方面的应用提供必要的理论和技术支撑，从而提高我国在上述领域的国际竞争力。

本课题利用飞秒激光分别对玻璃内部进行微爆，对加工后产生的残余应力应变以及加工过程中应力应变的变化过程进行研究。具体地，通过对飞秒激光微加工时的入射和出射表面进行纳米力学特性测量，发现微爆区域周围周围接近样品表面处的纳米力学特性有着与深处不同的变化规律。对飞秒激光微爆加工后的横截面进行研究，迎着激光入射方向和垂直与激光入射方向有不同的纳米力学变化规律，这说明了光波导截面周围材料密实化程度在空间各个方向上的变化具有差异。在飞秒激光微爆作用下作用点中心区域材料密度发生了显著的减小甚至出现明显的空洞化。通过研究发现迎着激光入射方向随着距离微爆中心距离的变化，弹性模量和硬度有近似周期性的剧烈变化，这反映了该区域在光场作用下材料疏密程度的变化。建立了飞秒激光微加工导致的密度、折射率变化与纳米力学特性之间的数学模型，模型揭示了飞秒激光微爆导致的石英玻璃材料的应变、密度和折射率变化与材料纳米力学特性的内在关系，为检测飞秒激光微加工时由材料密实化导致的折射率变化提供了新的检测途径。建立了飞秒激光微爆加工的泪滴体仿真模型，并利用ANSYS/LS-DYNA软件进行了加工过程的有限元仿真。泪滴体模型的仿真结果与微爆理论基本吻合，样便使材料发生了的塑性和弹性变形，产生了塑性残余应变，会形成中心空腔结构和密实化现象。做出了可以用于本课题实验研究的PVDF传感器，并结合Agilent 1GHz示波器搭建了基于PVDF压电传感的冲击力学信号检测系统。它包含动态信号检测和杂波滤波的电路，能滤除高频干扰信号和50Hz工频干扰。本项目研究的突破对了解飞秒激光微加工的机理和优化加工参数具有重要的理论和现实意义，可以为今后飞秒激光微加工在MEMS器件、微光电器件以及光逻辑计算方面的应用提供必要的理论和技术支撑，从而提高我国在上述领域的国际竞争力。