【摘 要】
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飞秒激光的快速发展给材料加工带来了革命性的变化。然而,在高能流密度下,飞秒激光的烧蚀质量可能遭到破坏,带来如冠状重熔物、高温粉尘污染与损伤等,并且由于饱和效应以及等离子体屏蔽效应的存在,烧蚀效率随能流密度增大也逐渐降低。近年来,高重复频率的飞秒激光脉冲序列有望解决以上问题,然而由于缺乏相应的激光系统或实验方法,实验结果与现象存在很大的分歧,尚且没有系统的研究报导。为了提高高能流密度飞秒激光的烧蚀质
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飞秒激光的快速发展给材料加工带来了革命性的变化。然而,在高能流密度下,飞秒激光的烧蚀质量可能遭到破坏,带来如冠状重熔物、高温粉尘污染与损伤等,并且由于饱和效应以及等离子体屏蔽效应的存在,烧蚀效率随能流密度增大也逐渐降低。近年来,高重复频率的飞秒激光脉冲序列有望解决以上问题,然而由于缺乏相应的激光系统或实验方法,实验结果与现象存在很大的分歧,尚且没有系统的研究报导。为了提高高能流密度飞秒激光的烧蚀质量和烧蚀效率,同时验证飞秒激光脉冲序列的有效性并进一步探索相关规律,本文从以下三个方面展开工作:（1）设计并搭建了基于法布里珀罗干涉仪的脉冲序列生成装置与实验系统,生成脉冲间隔可大范围连续调节的脉冲序列,目前实验系统脉冲间隔可调范围为1 ps～3500 ps。（2）从实验上分别探究了单飞秒脉冲以及不同脉冲间隔的脉冲序列在硅上的烧蚀质量以及烧蚀效率,主要结论如下:在孔型质量方面,分析得到子脉冲间隔在50 ps～100 ps的脉冲序列能够产生最理想的孔型,孔边缘的冠状重熔物大大减少,其厚度仅为单飞秒脉冲的40%,孔型品质因子数值从单个飞秒脉冲的0.52提升至0.89,周围基底几乎没有粘连的粉尘或热损伤痕迹。在烧蚀效率方面,脉冲间隔Δt=300 ps、1000 ps、2000 ps的脉冲序列在烧蚀效率上相比于原始单飞秒脉冲有所提高,其中1000 ps间隔的脉冲序列所获得的烧蚀效率为原始飞秒脉冲的1.65倍,当前实验条件下,所获得的最大烧蚀效率为8.7μm3/μJ。（3）分别从烧蚀质量与烧蚀效率两个角度进行机理分析与理论解释,主要结论如下:脉冲序列改善烧蚀质量的关键在于后续子脉冲对喷出物的充分雾化,喷出物的充分雾化需要满足两个条件（a）烧蚀喷出物脱离基底形成纳米颗粒;（b）喷出物在激光辐照范围内,还没进一步扩散。影响烧蚀效率最主要的两个因素为烧蚀喷出物的屏蔽效应与热积累效应。根据计算,脉冲间隔小于200 ps时烧蚀喷出物质形成的羽流屏蔽层几乎完全吸收后续子脉冲的能量,导致烧蚀效率降低,随着屏蔽层的充分扩散,屏蔽效应逐渐减弱,在热积累效应的作用下烧蚀效率得到了提高。本文从实验上探究得到飞秒激光脉冲序列在不同脉冲间隔下的作用效果与规律,验证了飞秒激光脉冲序列的有效性,并给出最优参数范围。在理论上,结合双飞秒脉冲的相关文献,得到与实验现象基本吻合的机理分析与数值计算,加深了对脉冲序列烧蚀动力学过程的理解,为更深入的理论研究打下基础。
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