飛秒激光燒蝕石英玻璃機(jī)理與形貌特征研究.pdf

1、飛秒激光微細(xì)加工技術(shù)是一種利用飛秒激光的超短脈沖寬度、超強(qiáng)峰值功率和超高重復(fù)頻率等獨(dú)特?zé)g特征，并在極短時(shí)間條件下產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體而產(chǎn)生材料的局部微爆，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行精確去除的微細(xì)制造方法。由于飛秒激光與物質(zhì)作用時(shí)具有加工精度高，作用區(qū)域小，可突破衍射極限等特點(diǎn)，使得精密燒蝕石英玻璃表面成為可能。石英玻璃具有優(yōu)良的高溫使用性能和較低的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)在紫外光波段的透過(guò)率較高，因此成為光刻印刷領(lǐng)域、空間光學(xué)系統(tǒng)和激光核聚變系統(tǒng)

2、中常用的光學(xué)材料。而在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，有較多涉及到對(duì)石英玻璃表面進(jìn)行精密加工，且對(duì)表面質(zhì)量要求較高，因此，研究飛秒激光燒蝕去除機(jī)理及加工規(guī)律則有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文建立了飛秒激光燒蝕透明電介質(zhì)的物理模型，并對(duì)燒蝕機(jī)理進(jìn)行了討論;利用摻鈦藍(lán)寶石再生放大器飛秒激光系統(tǒng)對(duì)石英玻璃進(jìn)行點(diǎn)、線和面燒蝕實(shí)驗(yàn);利用光學(xué)顯微鏡、環(huán)境掃描電子顯微鏡、超景深顯微鏡、臺(tái)階儀和三維表面輪廓儀等設(shè)備，對(duì)燒蝕表面形貌、腐蝕形貌、表面燒蝕深度和表面粗糙度等進(jìn)行檢測(cè)分析

3、。主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)基于透明電介質(zhì)材料電子密度隨時(shí)間的變化關(guān)系方程和雪崩電離、多光子電離理論，建立飛秒激光燒蝕石英玻璃物理模型;利用MATLAB軟件在特定參數(shù)下對(duì)石英玻璃的燒蝕閾值、深度和燒蝕體積進(jìn)行編程計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
　　(2)針對(duì)激光束線偏振和圓偏振兩種不同偏振態(tài)，分別開(kāi)展不同掃描速度和不同激光功率的線燒蝕實(shí)驗(yàn)，并對(duì)線、圓偏振光的燒蝕線形貌進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究不同參數(shù)下的燒蝕

4、線寬度和深度，并分析差異性產(chǎn)生的原因。
　　(3)利用不同掃描速度和不同激光功率的線燒蝕實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)，開(kāi)展不同線重疊率的面燒蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)比線、圓偏振光燒蝕表面形貌的不同。利用三維表面輪廓儀(Zygo-NV5022)檢測(cè)燒蝕表面粗糙度，尋找表面粗糙度值較小時(shí)的線重疊率;此外，通過(guò)表面臺(tái)階測(cè)量?jī)x對(duì)燒蝕面的去除深度進(jìn)行檢測(cè)。
　　(4)根據(jù)燒蝕線橫截面輪廓實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，提出線燒蝕與面燒蝕加工的“V”型計(jì)算假設(shè)條件。分別建立掃描速度對(duì)