飞秒激光烧蚀石英玻璃机理与形貌特征研究

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1、硕士学位论文飞秒激光烧蚀石英玻璃机理与形貌特征研究FemtosecondLaserAblationMechanismandMorphologyChracteristicsofQuartzGlass作者姓名：塑8垄丞学科、专业：扭越壹』造区墓自动丝学号：21104040完成日期：2014．05．01大连理工大学DalianUniversityofTechnology大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用

2、内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文题目：华社泓物逝丝丕燃趟．翅垒删作者签名：．宴2出显蕉豸一日期：望!!臣年—立月—盟日’大连理工大学硕士学位论文摘要飞秒激光微细加工技术是一种利用飞秒激光的超短脉冲宽度、超强峰值功率和超高重复频率等独特烧蚀特征，并在极短时间条件下产生高温、高压的等离子体而产生材料的局部微爆，从而实现对材料进行精确去除的微

3、细制造方法。由于飞秒激光与物质作用时具有加工精度高，作用区域小，可突破衍射极限等特点，使得精密烧蚀石英玻璃表面成为可能。石英玻璃具有优良的高温使用性能和较低的热膨胀系数，同时在紫外光波段的透过率较高，因此成为光刻印刷领域、空间光学系统和激光核聚变系统中常用的光学材料。而在这些应用领域中，有较多涉及到对石英玻璃表面进行精密加工，且对表面质量要求较高，因此，研究飞秒激光烧蚀去除机理及加工规律则有实际应用价值。本文建立了飞秒激光烧蚀透明电介质的物理模型，并对烧蚀机理进行了讨论；利用掺钛蓝宝石再生放大器飞

4、秒激光系统对石英玻璃进行点、线和面烧蚀实验；利用光学显微镜、环境扫描电子显微镜、超景深显微镜、台阶仪和三维表面轮廓仪等设备，对烧蚀表面形貌、腐蚀形貌、表面烧蚀深度和表面粗糙度等进行检测分析。主要研究内容包括：(1)基于透明电介质材料电子密度随时间的变化关系方程和雪崩电离、多光子电离理论，建立飞秒激光烧蚀石英玻璃物理模型；利用MATLAB软件在特定参数下对石英玻璃的烧蚀阈值、深度和烧蚀体积进行编程计算，并对结果进行验证。(2)针对激光束线偏振和圆偏振两种不同偏振态，分别开展不同扫描速度和不同激光功率

5、的线烧蚀实验，并对线、圆偏振光的烧蚀线形貌进行对比。通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究不同参数下的烧蚀线宽度和深度，并分析差异性产生的原因。(3)利用不同扫描速度和不同激光功率的线烧蚀实验优化参数，开展不同线重叠率的面烧蚀实验，对比线、圆偏振光烧蚀表面形貌的不同。利用三维表面轮廓仪(Zygo-NV5022)检测烧蚀表面粗糙度，寻找表面粗糙度值较小时的线重叠率；此外，通过表面台阶测量仪对烧蚀面的去除深度进行检测。(4)根据烧蚀线横截面轮廓实验检测结果，提出线烧蚀与面烧蚀加工的“V"型计算假设条件。分

6、别建立扫描速度对线烧蚀残留高度和线重叠率对面烧蚀残留高度影响的关系表达式，并进行计算分析和实验验证。(5)通过HF腐蚀时间对线、圆偏振光烧蚀表面形貌特征的影响规律，分析不同线重叠率烧蚀面腐蚀后特征的差异性。通过检测腐蚀后表面粗糙度，获得粗糙度随腐蚀时间的变化规律，对制备表面粗糙度值较小的烧蚀面具有指导意义。关键词：飞秒激光；石英玻璃；烧蚀机理；偏振态；形貌特征飞秒激光烧蚀石英玻璃机理与形貌特征研究FemtosecondLaserAblationMechanismandMorphologyChrac

7、teristicsofQuartzGlassAbs仃actFemtosecondlasermicromachiningtechnologyisakindofmicro-manufacturingmethodwhichhasmanyuniquecharacteristics，suchasultra—shortduration,super-peakpowerandllighrepetitionrate．Thematerialscouldgeneratelocallymicroburstinaultra

8、-shorttimebyproducehightemperatureandpressureplasmas，thenthematerialscanberemovedprecisely．Inaddition,femtosecondlasercanablatedielectrics晰mlli曲machiningaccuracy，smallinteractionarea，anditcallbreakthroughthediffractionlimit．Sothesilicaglasscou