激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究

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1、一、研究内容2.1拟解决的关键科学问题重点是超高强度（>1012W/cm2）、超短脉冲（<10-11s）激光微纳加工的功能原理：激光与材料相互作用的物理和化学效应，质量迁移和性能演变机制与规律，作用时间和空间的演化过程。描述超快激光纳米加工过程中的量子效应、尺度效应。激光微纳制造的功能原理和尺度极限及其应用的共性基础科学问题包括：科学问题1.激光能量的吸收、转换、传递与掌控机制其核心是如何建立超快激光与物质相互作用的多尺度量子模型：a)研究束能吸收机理，包括电子加热、带间跃迁、光致电离（多光子电离、隧道电离）、碰撞电

2、离等及其对加工过程的影响。b)研究材料的物理/化学变化，包括变化机制及质量迁移，固态相变、熔化、蒸发、气化、相爆炸、临界点相分离、库仑爆炸、静电烧蚀、凝固、化合、分解、置换、复分解等；材料高精度去除、生长、成形、改性等的物理、化学过程及机理；电子、晶格、团簇的定域能量、传递、物质输运过程与机理。涉及光子-电子-声子-等离子相互作用的基础科学问题。科学问题2.脉冲序列设计控制外层电子激发/电离过程由于飞秒激光脉冲宽度比许多物理/化学特征时间（如电子和晶格的热平衡时间、甚至电子弛豫时间）更短，可以通过超快脉冲序列设计来控

3、制/改变被加工材料电子吸收激光光子的过程（选择性激发/电离）。实现基于外层电子状态控制而改变瞬时局部特性和相变过程的高质量高精度高效率制造新方法。科学问题3.基于共振吸收的选择性高效率制造新原理基于分子转动、分子振动、电子激发、电子电离等多能带/能级耦合的协调共振激发，形成新的制造原理，同时结合脉冲序列调节技术并利用电子显微镜、扫描探针显微镜和光镊等实现单原子至微米跨尺度制造。通过共振吸收提高加工效率。利用OPA选择单束激光脉冲的光子能量使之与电子跃迁的某一能级差相对应，可实现共振吸收。这些尝试涉及制造、光学、物理、

4、材料等多学科的前沿科学问题。2.2主要研究内容2.2.1激光制造的多维性特征及其与材料的相互作用机理（1）激光吸收机理：光子-电子相互作用引入量子力学理论，综合考虑自由电子加热、束缚电子激发、碰撞电离、光致电离（多光子电离、隧道电离）等多种激光吸收机理，研究不同吸收机理对被加工材料的电离过程以及瞬态热力学和光学特性的影响，探索超快激光束能吸收过程对微纳制造精度的影响。（2）激光诱导相变机理：电子-离子相互作用通过量子分子动力学和改进分子动力学模拟的方法，考虑熔化、相爆炸、临界点相分离、气化、库仑爆炸、静电烧蚀等多种相

5、变机理，通过考察被加工材料熔化及碎裂的动态过程以及相应瞬态热力学特性的演化规律，揭示材料相变的微观机理和初始等离子体团形成的规律。（3）超快激光微纳制造的多尺度量子模型基于激光吸收和相变模型，建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型；应用泵浦-探测实验系统平台，针对模型预测反射率等关键参数进行测量及调控。（4）制造新方法的理论基础基于理论与实验手段，研究超快激光脉冲序列设计调控电子状态的微观物理机制，揭示脉冲序列设计提高激光微纳制造加工精度等的微观机理，基于理论模型，研究不同特性的激光束多场能量耦合分布规律，及其与

6、材料间的相互作用机制。2.2.2.基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造在制造新方法方面，通过超快激光脉冲序列设计控制/改变/调节电子激发/电离过程等瞬时局部电子状态，进而改变瞬时局部特性和相变过程的制造新方法。由于飞秒脉冲短于绝大多数化学和物理反应，比如电子和晶格的热平衡时间，甚至电子弛豫时间，通过设计超快激光脉冲序列来控制被加工材料电子吸收激光光子的过程（选择性激发/电离），以及材料瞬时局部特性，进而控制相变过程。主要研究内容包括：（1）应用本项目提出的多尺度量子模型，揭示飞秒脉冲序列中脉冲参数对瞬时局部电

7、子状态、瞬时局部材料特性、加工过程和加工结果的影响机理/规律，并优化飞秒脉冲序列中脉冲参数设计。（2）利用脉冲整形器在时域中调制飞秒激光脉冲，使每个飞秒单脉冲变成时间间隔从飞秒到皮秒的多个次脉冲。通过调节超短次脉冲的幅度及延迟时间等控制瞬时局部电子激发/电离过程，进而控制相变过程，实现高质量、高精度、高效率微纳制造。（3）应用泵浦-探测技术直接检测调制后的泵浦光与样品发生作用产生的瞬态光学性质变化，检测对外层瞬时局部电子状态调控的效果。2.2.3.基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造（1）激光-材料的相互作用

8、机制与共振吸收的机理研究理论研究不同特性激光束的多场能量耦合分布规律，及其共同作用下的新机制、效应、规律，以及制造新原理。研究不同波长（近红外到近紫外）与各级能带的共振吸收机理与规律，选择激光波长与所对应的分子振动/电子激发/电离间形成共振吸收耦合机制。（2）基于共振吸收的高精度激光制造方法研究利用OPA选择激光脉冲的光子能量使之与电子跃迁的能