整形飞秒脉冲激光控制凝聚态材料烧蚀过程

本项目系统地研究整形飞秒脉冲激光作用下凝聚态材料的烧蚀动力学过程及其控制。项目将研究真空条件与大气环境下烧蚀过程的区别，研究大气对烧蚀过程的影响，获得烧蚀效率与荧光强度等可观测量的定量关系；研究烧蚀等离子体光谱的偏振特性及其成因；使用指定形状的飞秒脉冲序列或者由实验系统自优化得到的脉冲序列形状主动的适合烧蚀过程的各个阶段以实现对其的控制；使用上述方法产生的整形脉冲序列相干的控制能量注入、材料激发过程，进而影响下一步的熔化与烧蚀过程，并施以另一个烧蚀脉冲与预处理表面强耦合，或施以另一个整形脉冲实现进一步控制。通过对各可观测量随整形脉冲形状的变化，以及对能够最优化可观测量的实验系统自优化得到的脉冲形状的分析，获得烧蚀过程演化机制及其控制机制。

本项目研究了几种不同材料在双脉冲及整形脉冲飞秒序列作用下的烧蚀动力学过程及其控制方法。通过开环的正弦位相扫描，使用等间距的脉冲序列作用于砷化镓材料，发现了430nm附近发射谱带强度极大程度的增强，我们认为是脉冲串激发的声子协助载流子进入L谷引发了430nm附近的谱带发射。后续的闭环自优化实验将这一谱带发射更大程度的增强了。这些结果表明我们实现了对烧蚀过程中能量注入和材料激发过程的相干调控，是本项目执行期间最重要的结果。另外，我们发现了在整形脉冲作用下烧蚀过程中产生等离子体的强偏振特性，阐述了其中两种不同的偏振机制分别来源于相干控制的L谷发射和熔化表层的反射。通过钻孔实验，说明了真空条件和大气条件下材料烧蚀过程中效率、喷溅物、形貌等的区别，发现一定气压下烧蚀可达到最佳效果，而并非真空度越高越好。本项目的研究证明了在材料烧蚀方面，整形脉冲相对于变换极限单脉冲是更好的工具，可以有效的调控烧蚀过程中的微观动力学过程，并影响最终烧蚀形貌。