飞秒激光与透明晶体作用机理及微加工可行性研究

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近年来,由于飞秒激光烧蚀透明材料时所独有的特性,使得飞秒激光对透明材料的微加工研究成为了人们广泛关注的焦点,但多集中于研究与玻璃、石英、晶体等一些硬质材料相互作用,而对传统的容易解理材料,如冰洲石、云母晶体等的损伤阈值和微加工研究还鲜有报道。尤其是云母材料切割、钻孔加工技术还存在诸多的技术问题难以解决,严重制约了此优质光学双折射材料的利用。因此,研究飞秒激光与云母晶体的相互作用有着非常重要的实际意义,这一研究项目也得到了省主管部门的资金支持。本论文对飞秒激光微加工云母晶体进行了部分的理论与实验研究工作,主要包括以下几个部分的内容:(1)介绍了飞秒激光与透明材料的微细加工研究现状,总结探讨了飞秒激光烧蚀透明材料的物理机制,其中,重点讨论了雪崩电离及多光子电离的过程,理论分析了激光脉冲烧蚀透明材料的烧蚀阈值、烧蚀深度与脉宽和光子能量之间的关系。(2)实验测量了飞秒激光烧蚀不同厚度的云母材料的损伤阈值,研究了材料厚度与损伤阈值的关系,验证了飞秒激光与透明材料相互作用的多光子电离损伤机制,得出了损伤阈值与材料的厚度无关,而只与材料本身的性质有关的结论,并为飞秒激光微加工透明晶体的研究打下了基础。(3)利用飞秒激光对云母晶体进行微加工可行性实验研究,并尝试了制备微型实验器件的研究工作;针对云母材料孔加工技术,详细比较了飞秒激光孔加工与机械孔加工这两种工艺之间的优劣性。本文的主要创新点如下:(1)首次提出通过云母晶体的飞秒激光能量透射比的迅速变化来判断材料损伤阈值点的观点,并利用这一方法测量了厚度在45μm~138μm内的云母晶体的损伤阈值。实验发现,在特定脉宽的飞秒脉冲激光作用下,其损伤阈值与材料的厚度无关,而只与材料本身的性质有关。(2)研究了飞秒激光对云母材料孔加工工艺的可行性,实验结果表明,其具有传统的机械孔加工云母材料所无可比拟的优势。成功用飞秒激光加工出了直径小到了几百微米的微小型云母波片,为将来云母材料微型化的应用提供了重要的借鉴意义。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第一章 绪论第9-14页
    1.1 飞秒激光加工的特点第9-11页
    1.2 飞秒激光加工透明材料研究现状与进展第11-13页
    1.3 本论文的主要内容第13-14页
第二章 飞秒激光与透明材料相互作用的机制与理论分析第14-19页
    2.1 飞秒激光烧蚀透明材料的物理机制第14-16页
        2.1.1 雪崩电离第14-15页
        2.1.2 多光子电离第15-16页
    2.2 飞秒激光烧蚀电介质材料的理论分析第16-18页
    2.3 本章小结第18-19页
第三章 飞秒激光烧蚀微加工实验系统第19-24页
    3.1 飞秒激光器的工作原理第19-21页
    3.2 三维数控高精度微加工实验平台第21-22页
    3.3 微加工系统光路装置及其工作原理第22-23页
    3.4 本章小结第23-24页
第四章 飞秒激光烧蚀云母晶体的实验研究第24-29页
    4.1 云母晶体的物理特性与应用第24-25页
    4.2 飞秒激光烧蚀云母晶体的损伤阈值分析第25-28页
        4.2.1 损伤阈值的确定方法第25-26页
        4.2.2 损伤阈值的测量第26-27页
        4.2.3 损伤阈值的误差来源分析第27-28页
    4.3 本章小结第28-29页
第五章 飞秒激光对云母晶体微加工实验研究第29-33页
    5.1 飞秒激光微加工云母晶体第29-31页
        5.1.1 实验装置第29-30页
        5.1.2 钻孔第30-31页
        5.1.3 微型云母波片的制备第31页
    5.2 与传统孔加工技术的优劣比较第31-32页
    5.3 本章小结第32-33页
参考文献第33-36页
在校期间发表的论文和完成的课题第36-37页
致谢第37页
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