短脉冲激光脉宽对材料损伤关键影响研究

本文主要探讨了脉冲宽度在短脉冲激光诱导薄膜材料损伤中的关键作用。脉冲宽度不仅影响激光能量的集中程度，而且显著影响了多光子离化（Multi-Photon Ionization, MPI）和雪崩离化（Avalanche Ionization, AI）这两种主要的激光材料损伤机制。多光子离化是指单个光子激发一个原子或分子内的多个电子跃迁，而随着脉冲宽度的减小，单个光子的贡献增加，导致阈值功率密度降低，即需要更小的能量密度就能引发电子的大量跃迁。另一方面，雪崩离化则涉及电子的非线性放大效应，当电子受到足够的激发后能够释放出更多的电子，形成链式反应，脉宽较小时，这种效应可能会更加显著。 通过Stuart等人的电子密度演化模型，作者采用数值模拟方法深入分析了单脉冲激光在熔融石英中电子密度的动态变化过程。研究发现，随着脉宽的增加，材料的损伤阈值可能会有所提高，因为较长的脉宽使得能量分布更为均匀，可能不足以瞬间引发高强度的多光子或雪崩效应。反之，短脉宽的激光更容易触发高能事件，造成局部区域的快速加热和电子浓度急剧上升，从而导致材料损伤。 因此，脉冲宽度的选择对于控制激光加工过程中材料的精确热处理和表面完整性至关重要。工程师们可以根据具体的应用需求，如微加工、切割或表面改性，调整激光器的脉冲宽度，以优化工艺参数，减少不必要的损伤并提高工作效率。这篇论文的研究成果对于激光技术在精密制造业、微电子等领域具有重要的理论指导意义。