超短脈沖激光輻射MEMS器件材料的燒蝕機(jī)理與數(shù)值模擬研究.pdf

1、激光作為一種非常特殊的光源，實(shí)現(xiàn)了將能量在時(shí)間和空間上相對(duì)高度集中地傳播，自20世紀(jì)80年代飛秒激光器在美國(guó)問(wèn)世以來(lái)，激光器的性能得到不斷的改善；隨著新型激光裝置的不斷開(kāi)發(fā)和光束性能的不斷提高，激光與物質(zhì)相互作用的研究已引起人們的高度重視，激光加工技術(shù)也取得了巨大進(jìn)展。近年來(lái)，激光技術(shù)中最引人注目的成就是飛秒激光技術(shù)迅速發(fā)展，一方面，飛秒激光技術(shù)的發(fā)展開(kāi)拓了超快現(xiàn)象的新領(lǐng)域；另一方面，超短脈沖激光對(duì)材料加工的特點(diǎn)是精度高，即使對(duì)于那些傳

2、統(tǒng)激光無(wú)法加工的材料，間接破壞也基本不存在。在超短脈沖激光加工高精度的特性發(fā)現(xiàn)以后，微加工等技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
　　 飛秒脈沖激光具有脈沖時(shí)間短、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，其加工是一個(gè)超強(qiáng)、超快的過(guò)程。飛秒激光的高脈沖功率密度，在激光微細(xì)加工中具有獨(dú)特的優(yōu)越性，使得超短超強(qiáng)脈沖激光在微細(xì)加工、MEMS器件制造、加工信息存儲(chǔ)材料、顯微生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)激光損傷限制了人們從高功率激光系統(tǒng)希望得到的最大激光功率，它也限制

3、了能夠透過(guò)窗口、透鏡和其他光學(xué)元件的激光功率。用理論分析方法來(lái)確定材料的燒蝕閾值，從而可以提高材料的加工精度，促進(jìn)激光加工技術(shù)的實(shí)用化。因此建立理論模型分析超短超強(qiáng)激光燒蝕材料過(guò)程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在燒蝕機(jī)理方面，超短脈沖激光與長(zhǎng)脈沖激光有本質(zhì)的不同，對(duì)于長(zhǎng)脈沖激光由于其脈寬時(shí)間遠(yuǎn)大于電子與聲子的耦合時(shí)間，電子有足夠的時(shí)間通過(guò)電子與聲子的散射將能量傳遞給聲子從而加熱晶格，其加熱過(guò)程是一個(gè)熱平衡加熱過(guò)程，此時(shí)電子、聲子處于熱平衡態(tài)，并通

4、過(guò)晶格的熱擴(kuò)散使激光聚焦點(diǎn)周圍的區(qū)域被熔化、汽化以實(shí)現(xiàn)燒蝕。而對(duì)于超短脈沖激光，由于脈沖時(shí)間與電子一聲子的散射時(shí)間處于同一量級(jí)甚至更短，故其加熱過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程。為了研究超短脈沖激光加工MEMS器件材料的燒蝕機(jī)理，我們分別從宏觀與微觀角度對(duì)自由電子的非平衡加熱過(guò)程進(jìn)行了研究，在宏觀層次上，采用自由電子數(shù)密度守恒方程描述自由電子的輸運(yùn)過(guò)程，而在微觀層次上，將自由電子的非平衡輸運(yùn)過(guò)程視為在等離子體形成的屏蔽Coulomb勢(shì)作用下的散射過(guò)