高重复频率飞秒激光在透明材料中辐照的热积累效应

高重复频率飞秒激光脉冲入射到玻璃和晶体等透明材料内部后，除了飞秒激光诱导的多光子非线性效应外，还会由于能量的连续注入沉积而导致热积累效应的出现，从而使得材料出现热致熔融、离子迁移或相变等一系列与温度有关的结构变化，本项目研究这种高重复频率飞秒激光辐照形成的热积累效应对材料结构变化的影响。实验上主要在辐照区域运用显微拉曼、SEM、EPMA和XPS等微区表征手段系统地研究热效应推动下材料结构变化的内在规律和动力学过程，并探索热效应在各向异导热材料中诱发方向差异性结构变化的物理机制；在理论上以热传导方程为基础，构建点热源在各项同性和各项异性材料中的三维热扩散温度模型，模拟热积累效应在辐照区域形成的温度场分布。因为热积累效应诱发的这些结构变化将呈现新的光学和物理特性，因此开展这方面的研究能为飞秒激光在透明材料中诱导光功能微结构提供一条新的途径。

高重复频率飞秒激光入射到透明材料内部会产生很强的热积累效应，这个效应能对辐照区域所诱导的微结构产生重要的影响。通过三年的实验研究，我们发现热积累效应会引起辐照区域材料的基团重组、元素再分布、离子定向迁移等微区结构改性，而这些物理过程在宏观上又可以表现为飞秒激光空间选择性诱导玻璃晶化和分相、贵金属纳米颗粒的沉积和三维纳米光栅的形成等现象。我们在理论方面建立了一个三维热扩散模型，通过引入球差效应调制函数，模拟的非对称温度场分布与实验结果基本一致，特别在系统地研究各项入射参数后，发现聚焦深度和数值孔径两个参数是影响温度场分布的关键因素。我们还用飞秒激光在多种薄膜材料上制备了具有功能化特性的微纳结构，以光子和声子之间的能量传递机制为研究主线，重点分析了辐照时产生的瞬态温度场对所诱导微纳结构的影响。此外，我们还在理论上探索了飞秒脉冲光谱全息实现脉冲时空整形的方案。上述研究成果丰富了我们对飞秒激光热积累效应的认识，对其在推动和诱导某些特殊功能结构产生时的物理机制和内在规律有了进一步的理解，为飞秒激光与凝聚态物质相互作用这个研究领域提供了一些可供借鉴的科研素材。