基于态密度效应的强短脉冲激光微纳尺度烧蚀动力学研究

本项目以纳秒、飞秒激光烧蚀的预研工作为基础，研究高能飞秒脉冲激光微纳尺度烧蚀下费米温度附近费米分布函数变化引起的态密度效应（DOS 效应）对烧蚀动力学过程的影响及其宏观效应。旨在弄清考虑高能强短脉冲激光烧蚀固体靶材时态密度效应和剩余能量效应等因素的情况下的新动力学烧蚀过程，建立更完善的反映极端温度条件下飞秒激光烧蚀动力学模型体系。内容包括：1）计算高能飞秒激光烧蚀过程中材料的电子态密度、费米分布、有效电子质量等物理机制发生变化下的电子热力学性质，为高能飞秒激光烧蚀特性的研究提供理论参考。2）研究态密度效应下飞秒激光在固体靶材中的吸收机制以及动态热物性参数对烧蚀动力学过程的影响。3）得到态密度效应下能定量反映多次脉冲烧蚀情况的能量输运规律。初步建立能解释剩余能量在高频飞秒激光烧蚀中对烧蚀织构形貌影响的相关理论。为材料表面精细加工和表面改性提供理论指导，为高能飞秒激光烧蚀更有效应用提供理指导。

飞秒脉冲激光特别是钛宝石飞秒脉冲激光技术的出现, 使强短激光脉冲与超快现象的研究非常活跃。飞秒级短强激光与物质相互作用的理论研究伴随着脉冲激光的飞速发展成为材料、激光光学、等离子体物理等交叉学科的研究前沿。我们尝试研究了高能飞秒脉冲激光微纳尺度烧蚀下费米温度附近费米分布函数变化引起的态密度效应及对烧蚀动力学过程的影响。具体的，我们分析了在高能飞秒脉冲激光烧蚀金属靶材过程中，物理参数的变化对烧蚀过程的影响，研究了考虑DOS效应的烧蚀动力学新特征，建立了考虑动态物理参数效应的新烧蚀动力学模型(DOS-TTM)。研究了态密度效应下的飞秒激光在金属靶材中的吸收及动态物性参数对烧蚀动力学过程及烧蚀阈值的影响。选择了靶材受激光辐照过程中，以能够表征靶材表面电子、晶格随时间分布这个过程的三个数值即电子最高温度，电声耦合时间，电声耦合温度作为研究对象，研究双温方程中热物理参数对其影响。得到了电子热导率对金靶材表面电子最高温度，电声耦合时间及电声耦合温度都有不同程度影响。由于电子热导率实质在靶材表面电子达到最高温度后反映的是电子亚系统中电子释放能量速率快慢，因此导致电子热导率对电声耦合温度的影响最为显著的结论。我们建立的考虑态密度效应的激光烧蚀模型能更好与实验结果相一致。我们的研究对材料表面精细加工和改性及高能飞秒激光烧蚀更有效利用有一定指导意义。