飞秒激光与铝纳米结构及其介质环境作用机理研究

论文摘要

本论文对不同形态铝纳米结构及Al/SiO2芯/壳纳米结构介导下的飞秒激光诱导沉积基底和介质环境光学击穿机理进行了研究。飞秒激光诱导光学击穿物理场模型涉及:用于描述纳米粒子近场增强的电磁场（EM）模型,用于描述纳米粒子电子、晶格温度的双温模型（TTM）,用于描述介质环境（基底、周围介质）电子密度变化的等离子体（PLASMA）模型,以及用于描述纳米粒子向周围介质传热和介质等离子体吸热的传热（HT）模型。本研究实现了上述四个物理场模型的全耦合计算。对不同环境（真空、水、空气水膜）中,不同形态铝纳米结构、Al/SiO2芯/壳纳米结构介导下的近场增强,激光击穿阈值,电子、晶格温度,介质电子密度变化,介质传热等进行了研究。主要研究内容及结果如下:（1）计算了真空环境中,单体、二聚体、三聚体和纳米棒等铝纳米结构的近场增强,飞秒激光对沉积基底的电离击穿阈值,基底电子密度的变化过程,以及在基底击穿过程中,铝纳米粒子、纳米棒的电子与晶格温度的变化。相同纳米粒子直径下的单体、二聚体、三聚体的近场增强能力逐渐增强。与二聚体、三聚体相比,同长径比铝纳米棒的近场增强能力有所下降。对同一形态纳米粒子而言,消光截面与最大电场增强均在同一谐振波长处达到峰值。对于不同沉积基底而言,近场增强的位置和效果也有所不同,铝基底对近场增强效果有明显的提升。真空环境中,本研究中所有形式的铝纳米粒子、纳米棒在各自激光击穿阈值下的晶格温度均低于熔点（933K）,但聚合态铝纳米粒子（二聚体、三聚体）因其较强近场增强能力,在介导沉积基底击穿应用中更具优势。（2）计算了水中不同形式Al/SiO2芯/壳纳米粒子及纳米棒介导下,飞秒激光对水的击穿过程,求解出不同形式Al/SiO2芯/壳纳米粒子及纳米棒的近场增强及其消光截面,等离子体电子密度达饱和密度时的激光能量阈值,及在此能量阈值下的晶格温度,水域电子密度变化过程,介质环境温度变化趋势。结果表明:Al/SiO2芯/壳纳米粒子单体、二聚体和三聚体的近场增强能力逐渐提高。在一个激光脉冲作用周期（4tp）内,等离子体一旦生成（2tp时间内）,便急剧吸收激光能量,纳米粒子邻域等离子体温度速度升高。与单体、纳米棒不同,在各自激光能量阈值下,二聚体和三聚体的晶格温度低于熔点。（3）计算了空气环境中水膜包覆下,不同形式Al/SiO2芯/壳纳米粒子、纳米棒介导下,飞秒激光对包覆水膜及SiO2基底的电离击穿,求解出纳米粒子近场增强,等离子体电子密度达饱和密度时的激光能量阈值,铝纳米粒子、纳米棒晶格温度变化。得出下列结论:相同直径、水膜厚度的铝纳米粒子三聚体的近场增强能力高于二聚体。对于相同直径下的二聚体、三聚体而言,当水膜厚度在1050 nm范围变化时,其近场增强能力随水膜厚度的增大而增大。与纳米棒不同,二聚体、三聚体的铝芯晶格温度低于熔点。与全水域中Al/SiO2芯/壳纳米结构相比,空气环境中纳米水膜覆盖下的Al/SiO2芯/壳纳米结构近场增强能力有所增强,说明局部介质环境的改变直接影响纳米结构近场增强效果。（4）在热致烧蚀模型研究中,建立了随温度变化的动态反射率R、吸收系数α的飞秒激光热致烧蚀模型。计算结果表明:随着电子温度的迅速升高,R和α快速降低。与使用室温下常数R和α计算相比,使用随温度变化的动态R和α计算,材料表面可获得更大的沉积能量,更高的电子、晶格温度,产生更大的烧蚀深度,与高功率,长波长（λ>600 nm）飞秒激光烧蚀的实验结果更为接近。同时,利用弹性力热平衡方程和双曲双温模型,计算了铝基底中热电子爆炸力,并利用固体力学模拟了激波（冲击波）在基底中的传播过程。随着激波向基底的不断传播,基底产生随时间变化的位移和应力振荡。研究结果表明,在铝纳米结构及Al/SiO2芯/壳纳米结构介导下,通过纳米粒子组装（二聚体、三聚体）,改变纳米结构形态,或改变纳米结构局部介质环境,进而提高纳米结构近场增强能力,可有效降低介质环境击穿所需的飞秒激光能量阈值。不论是在上述哪种环境中,在相应激光击穿阈值下,二聚体、三聚体形式的铝纳米粒子及Al/SiO2芯/壳结构纳米粒子的晶格温度均低于熔点,这说明聚合态铝纳米粒子在介导沉积基底、环境介质击穿中,更利于维持粒子形貌,减少损耗,在介导飞秒激光诱导光学击穿中更具优势。本论文研究工作可预测飞秒激光击穿阈值,纳米粒子晶格温度,激光诱导光学击穿发生时间等,在飞秒激光诱导纳米粒子沉积基底表面纳米孔成型,飞秒激光诱导水中空化,飞秒激光生物医学应用等前沿领域中有重要意义。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 林卿

导师: 任乃飞

关键词: 飞秒激光,铝纳米结构,激光诱导光学击穿,近场增强,激光烧蚀机理

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,材料科学,无线电电子学

单位: 江苏大学

基金: 国家重点基础研究发展计划(973计划)子课题,航空,新型能源关键结构,器件激光制造及性能控制(2011CB013004),国家自然科学基金项目,超快激光对金属材料烧蚀的超快动力学及超快结晶过程的机理研究(11504144)

分类号: TN249;TB383.1;O614.31

总页数: 116

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