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1、飛秒激光雙脈沖乙醇輔助加工及硅納米粒子的制備張廣鳴2015年1月中圖分類號(hào)：TN249UDC分類號(hào)：535.8飛秒激光雙脈沖乙醇輔助加工及硅納米粒子的制備作者姓名張廣鳴學(xué)院名稱機(jī)械與車輛學(xué)院指導(dǎo)教師李欣副教授答辯委員會(huì)主席胡潔教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)機(jī)械工程學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月FemtoseconddoublepulsesablationmaterialswithethanolassistanceandpreparationofsiliconnanoparticlesCandidateName:Guangm
2、ingZhangSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:AssociateProf.XinLiChair，ThesisCommittee:Prof.JieHuMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January，2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別
3、標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。特此申明。簽名：張廣鳴日期：2015.01.23摘要近年來(lái)，基于飛秒激光的微/納制造技術(shù)已經(jīng)成為了科研熱點(diǎn)之一。在傳統(tǒng)飛秒脈沖激光的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的時(shí)域整形的脈沖序列技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)材料加工中的高質(zhì)量、高效率、高精度加工提供了可能性。通過設(shè)計(jì)脈沖序列，不僅可以控制固體材料加工中的電子激發(fā)/電離過程，而且甚至可以在飛秒尺度
4、上控制化學(xué)反應(yīng)過程。本人在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合飛秒激光控制化學(xué)反應(yīng)過程的原理，從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)基于脈沖序列設(shè)計(jì)的飛秒激光與物質(zhì)材料的相互作用機(jī)理作出了探索研究。同時(shí)，將時(shí)域整形的雙脈沖用于液相燒蝕制備納米粒子的方法，高效率制備出了小粒徑、均勻分布的硅納米粒子。本論文主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)概括如下：（1）采用時(shí)域整形的飛秒雙脈沖在空氣和乙醇環(huán)境中加工半導(dǎo)體和金屬材料。在空氣環(huán)境中，延時(shí)小于1ps雙脈沖加工半導(dǎo)體材料硅和鍺時(shí)，燒蝕面積呈現(xiàn)振蕩減2??；而在乙醇環(huán)境中，相同實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)激光通量高于0.4J/cm時(shí)加工半導(dǎo)體時(shí)，當(dāng)延時(shí)大于200fs
5、時(shí)會(huì)呈現(xiàn)燒蝕增強(qiáng)的現(xiàn)象。而在使用飛秒雙脈沖加工金屬材料鋁時(shí)，乙醇環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與空氣環(huán)境類似，并沒有存在燒蝕增強(qiáng)的現(xiàn)象。（2）飛秒激光在電離乙醇分子時(shí)由于乙醇分子中H-O鍵的斷裂會(huì)產(chǎn)生自由電子。泵浦探測(cè)技術(shù)表明，飛秒激光電離乙醇分子這一反應(yīng)完成時(shí)間約200fs，而電子-空穴的結(jié)合往往在半導(dǎo)體材料中更容易發(fā)生。通過時(shí)域整形的脈沖激光，兩束脈沖延時(shí)超200fs后，第二束子脈沖到達(dá)時(shí)由于自由電子密度的升高而對(duì)光子能量的吸收增強(qiáng)，成功的提高了燒蝕效率。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)的脈沖序列，還可以有效改善材料的加工質(zhì)量和效率。（3）使用液相燒蝕方法成功制備出硅
6、納米粒子。傳統(tǒng)飛秒激光在低能量下能夠制備小粒徑的納米粒子，但是制備效率卻降低。本課題通過采用飛秒激光脈沖序列技術(shù)，當(dāng)脈沖延時(shí)超過200fs，與傳統(tǒng)單脈沖激光相比，高效率制備出了小粒徑、均勻分布的硅納米粒子。本方法可以廣泛的加工多種基底材料，實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)單易操作。關(guān)鍵詞：飛秒激光；脈沖序列；飛秒光化學(xué)；自由電子；硅納米粒子IAbstractInrecentyears,micro/nanofabricationbasedonfemtosecond(fs)lasertechnologyhasalreadybecomethehotspotofscie
7、ntificresearch.Theappearanceanddevelopmentoffslaserpulsetrainprocessingtechnologyprovidesanewefficienttoolforultrafastlasermicro/nanofabricationbecauseofitsuniqueadvantageswhichofferthepossibilityofhighquality,highefficiency,andhighprecisionofmaterialprocessing.Thedesignin
8、gpulsetrainsnotonlycancontroltheelectronicexcitation/ionizationprocesswhenprocessingwitht
