多层薄膜表面飞秒激光微纳加工动态调控机理及方法研究

Based on the problem of real-time control of the femtosecond laser processing of multilayer film, this project establish the excitation system of single and double pulse , and to obtain the processing spectroscopy in steady. Simulate the blaze and diffuse of plasma under single and double ultra-short pulse explode. Investigating the characteristic of plasma which induced by femtosecond laser, meanwhile, research the mechanism of spectroscopy enhancement with double pulse, then to determine the characteristic parameters of the micro-machining process for LIBS detection, at the same time to optimize excitation system. We standardization the excitation characteristic spectral intensity, to research the relationship of ablation depth and pulse number and spectral intensity, to establish the relationship of spectral line intensity signal and the ablation depth and to achieve the depth detection in the micro-processing. Through develop two kinds of spectral line identification algorithms to rapid indentify the material which be processed.Empolder the laser energy control program to achieve the real-time control of laser miro-processing,ensure the consistency and high efficiency of laser processing, to realize the real-time control of femtosecond laser micromachining of thin film solar cell.

针对目前飞秒激光微加工多层薄膜的实时检测及调控的问题：本项目基于单脉冲及双脉冲激发系统的建立，实现加工过程中检测谱线的稳定获取；模拟超短单脉冲及双脉冲条件下等离子的激发及扩散，研究飞秒等离子体产生特性及双脉冲增强的机理，确定微加工过程中LIBS检测的特征参数，优化激发系统；通过对激发特征谱线强度的标准化，以及对单脉冲消融深度和脉冲个数与特征谱线强度之间关系的研究，建立谱线强度信号与消融深度的关系，实现加工过程的深度检测。基于两种谱线识别算法，实现快速识别激光加工的材料，开发激光能量控制程序，实现激光微加工的实时调控，保证激光微加工的连贯性及高效率，实现飞秒激光微加工薄膜太阳能电池的实时调控。

该项目旨在研究激光精细微加工及其过程监测技术，通过检测加工过程中所激发的元素特征谱线对加工信息进行在线表征。由于存在较多的外部因素对谱线强度产生扰动，通过计算等离子体的电子温度来判断等离子体满足的模型，进而提出自吸收系数对特征谱线进行修正。实验得出对于65Mn合金进行加工时，设定自吸收系为0.8时，会得到较理想的谱线信息，并通过对元素的定量计算验证了修正后的谱线强度符合实际情况。利用该修正谱线的方法，可以初步实现在线表征加工金膜的目的。激光精细加工时，由于不同尺度的微结构会对光学模组提出不同的要求，试验中采用振镜和Helical模组进行不同尺度的通孔加工，并分析每种加工技术的特征，实现了多尺度、高精度、大深宽比的通孔加工。提出通过光斑重叠率来合理的设定加工参数，可以有效的保证加工效率和加工精度。通过通孔的锥度和出入孔径的偏差两个值，建立了一种定量表征加工质量好坏的评估方法。实验发现，采用Helical模组加工时，当孔径小于200μm时，通孔边缘会存在一定的误差，加工质量不是特别稳定；而当孔径大于200μm时，评估结果显示加工质量较好且稳定。当加工高温合金时，光斑重叠率的数值控制在0.8到0.9之间，可以加工出高质量的通孔。通过本项目的执行，提出并研究了激光微纳加工过程的在线监测技术，发现通过激光诱导击穿光谱的元素特征谱线对加参数进行定性分析，保证了加工过程的连续性以及加工质量的稳定性。最后充分考虑加工过程的多个参数，建立定量评估加工效果的考核方法。