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脉冲激光沉积过程中的一个新的综合模型

作　者: 胡德志
导　师: 张端明
学　校: 华中科技大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 脉冲激光沉积技术飞秒激光双温方程烧蚀阈值电声作用弛豫时间 saha方程
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

脉冲激光沉积技术(Pulsed Laser Deposition简称PLD)是新近发展起来的一项技术,继20世纪80年代末成功制备出高临界温度的超导薄膜之后,它的独特的优点和潜力逐渐被人们认识和重视。该项技术在生成复杂的化合物薄膜方面得到了非常好的结果。PLD技术较其他薄膜制备技术有激光能量高、薄膜的化学成分比与靶材一致、沉积速率高、基片温度要求低等优点,已经成功地制备了多种铁电、压电功能薄膜材料。随着激光技术的不断发展,激光器由微秒、纳秒激光向皮秒、飞秒激光转变,而脉冲激光沉积技术也逐渐向超短快方向发展。近年来,我们课题组一直对PLD过程中各个阶段进行着系统、全面而深入的研究,已经取得显著的成绩。本文主要对不同频段脉冲激光烧蚀的物理本质进行深入的研究,并初步建立起了一个有效的综合模型,其特点是可以描述从纳秒到皮秒,乃至飞秒级高能脉冲激光烧蚀过程中的热传导现象。通过它得到的激光烧蚀阈值与实验符合得非常好。本文首先详细分析了从纳秒级脉冲激光到飞秒级激光与靶材相互作用:激光与电子相互作用、电子与电子相互作用和电子与晶格相互作用;对于飞秒级激光烧蚀主要由激光与电子的相互作用支配,热传导不再遵从傅立叶传导定律,而对于纳秒级激光烧蚀由于电声耦合弛豫时间t ie大大小于脉冲宽度t p,热传导满足通常的傅立叶传导定律。在此基础上,我们利用了一个连接因子exp( ?t i e / tp) ,建立了新的烧蚀热传导方程组,其特点是当激光为纳秒级时,方程基本上回复到经典的热传导方程,而当激光为飞秒级时,方程则变为著名的双温方程。对于皮秒级激光,则两种热传导机制均起作用。因此,我们将新的热传导方程组称为综合模型。以金靶材为例,在综合模型框架下,利用时域有限差分法(FDTD),研究了从纳秒级频段到飞秒级频段,电子、离子亚系统温度随时间和位置演化的图像,以及激光烧蚀阈值与激光脉宽变化规律。模拟计算结果表明,对于波长大于800nm的红外激光,理论值与实验数据符合得很好。而对于较小波长的激光两者有一定的误差,其原因在于可能在这种条件下,靶材对激光的吸收系数有变化。上述结果表明,本文建立的新的综合模型确实是描述从纳秒级到飞秒级不同频段的激光烧蚀过程的有效的理论框架。但是为了更精确的描写短波长的激光烧蚀现象,还应该考虑靶材吸收系数随波长的变化,其中对于长脉冲激光烧蚀还应该考虑等离子体屏蔽效应的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 PLD 技术发展的历史  10-11
  1.3 PLD 技术实验工艺  11-12
  1.4 PLD 技术特点  12-13
  1.5 PLD 技术的机理研究概况  13-19
2 PLD 技术中烧蚀机理的研究概况  19-31
  2.1 脉冲激光烧蚀靶材的物理图像  19-21
  2.2 纳秒脉冲激光烧蚀的理论模型  21-27
  2.3 飞秒脉冲激光烧蚀的理论模型  27-30
  2.4 小结  30-31
3 脉冲激光烧蚀的综合模型  31-43
  3.1 引言  31-32
  3.2 烧蚀的综合模型  32-34
  3.3 激光烧蚀综合模型的差分方程  34-35
  3.4 靶材温度随时间、位置的变化规律（靶材Au）  35-38
  3.5 激光烧蚀阈值的理论和实验研究  38-42
  3.6 小结  42-43
4 总结与展望  43-45
  4.1 总结  43
  4.2 本文的创新之处  43-44
  4.3 展望  44-45
致谢  45-46
参考文献  46-52
附录1 硕士研究生期间完成论文情况  52

脉冲激光沉积过程中的一个新的综合模型

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