时间整形飞秒激光微纳加工中的超快热动力学研究

Femtosecond laser 3-D micro and nanofabrication as an innovative laser fabrication method under ultra-strong laser field has potential applications in manufacturing of high-precision 3-D micro and nano-components and parts. Currently, the cumulative heat effect emerging in femtosecond laser fabrication of hart-to-cut materials is found to be worsening the morphology of micro and nano-structures. This project propose for a novel idea for promoting the morphology quality with the temporally shaped femtosecond laser. By using the first-principle molecular dynamics (MD) method, the projcet will thoroughly explore the ultrafast thermal dynamics processes during femtosecond laser micro and nano-fabrication via temporally shaped femtosecond laser, clarifying for mechanisms of energy relaxation and material removel at laser spot region within fused silica. The thermal suppression and high-precision removel of material will be achieved for promoting the morphology quality by optimizing the configuation of temporally shaped femtosecond laser. The study lay the foundations for theoretically developing the new principle and practically exploring the novel method for promoting the femtosecond laser fabrication quality.

飞秒激光三维微纳加工作为一种新型极端光场微纳制造方法，在高精密元器件的微纳制备方面有着重要的应用前景。本项目针对硬质材料飞秒激光微加工中热累积效应导致的加工精度、分辨率和表面质量问题，提出了一种基于时间脉冲整形的飞秒激光微加工新思路，拟采用第一性原理分子动力学的方法，深入研究时间整形飞秒激光微加工中的超快热动力学过程，澄清激光作用微区的能量弛豫和分子抛离机制，探索飞秒激光整形脉冲链精确调控激发区材料热弛豫和热扩散，优化时间整形脉冲链的参数配置，实现材料热扩散的有效抑制和加工区材料的高精度抛离，为提高硬质功能材料飞秒激光微纳加工的精度和质量，和发展基于时间脉冲整形的飞秒激光微加工的新原理、新方法提供重要的理论和实践基础。

飞秒激光微纳加工是一种极端光场制造方法。飞秒激光脉冲具有超高的峰值功率密度,飞秒脉冲与物质作用表现出超强的非线性和准热绝缘特性，飞秒激光加工过程具有低阈值、高分辨率的特点，在航天、国防、能源、环境、医疗、安全等领域高精密元器件的高精度制备方面有着极其重要的潜在应用。本项目开展了飞秒激光微纳加工中的超快热动力学调控机理的研究，探索基于时间整形飞秒激光的高效率、高质量的微纳加工方法。通过对时间整形飞秒激光与固体材料作用的超快热弛豫过程进行物理建模，发现双温热弛豫过程是最终导致能量沉积的局域化的基本物理机制，系统研究了飞秒激光整形脉冲参数（脉冲间隔、脉冲数、能量比、偏振态等）对于超快热弛豫过程的影响，研究表明：通过优化脉冲间隔和偏振态以及均分能量比和脉冲间隔比能够有效提高声子温度，从而可以获得最高的激光加工效率。研究了时间整形飞秒激光激发双层金属膜的超快热动力学过程，并对双层金属膜系的温度场分布特点进行了细致的研究，这些研究为提高超快激光金属反射膜的损伤阈值提供了理论依据。构建了时间整形飞秒激光诱导周期性纳米条纹结构的超快热动力学模型，研究获得了整形脉冲参数（脉冲数、脉冲间隔和能量比等）和材料参数（电子热导系数和电声耦合强度）对于纳米条纹结构特征的影响规律，这为提高飞秒激光加工微纳条纹结构质量提供了理论依据。基于飞秒激光与材料相互作用的非线性特性，通过调控时间整形飞秒激光脉冲参数构建了不同形貌的微透镜以及微透镜阵列结构。该研究为提高硬质功能材料飞秒激光微纳加工的精度和质量、发展基于时间脉冲整形的飞秒激光微加工的新原理、新方法提供重要的理论和实践基础。