基于二維雙溫模型對(duì)金屬熱動(dòng)力學(xué)的研究

PAGE4第頁(yè)基于二維雙溫模型對(duì)金屬熱動(dòng)力學(xué)的研究摘要：對(duì)于雙溫模型要一直起源于關(guān)于歐姆定律的研究，主要用于預(yù)測(cè)極短時(shí)間內(nèi)受光照物質(zhì)內(nèi)的溫度變化。熱擴(kuò)散是一個(gè)基本的過(guò)程，在金屬納米結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。飛秒激光來(lái)誘導(dǎo)許多半導(dǎo)體與金屬等的材料表面的周期條紋屬于一個(gè)非?；A(chǔ)的現(xiàn)象。我們利用雙溫模型模擬與飛秒激光脈沖金屬表面的超快加熱動(dòng)力學(xué),并能夠通過(guò)利用Matlab方法軟件編程依照明確地有限差分法對(duì)與飛秒激光脈沖來(lái)燒蝕,并且可以分析激光照射金薄膜表面的電子溫度與晶格溫度的分布。從理論來(lái)研究使用飛秒激光去脈沖金屬的表面熱分布的超快擴(kuò)散進(jìn)程。關(guān)鍵詞：雙溫模型；熱擴(kuò)散；周期條紋；飛秒激光；顯式有限差分法目錄摘要 1引言 11.概述 41.1激光與材料作用 41.1.1概述 41.1.2飛秒激光的特點(diǎn)與機(jī)制 51.1.3飛秒激光的研究發(fā)展 51.1.4原理 71.1.5應(yīng)用 91.2雙溫模型的發(fā)展 101.2.1概述 101.2.2發(fā)展 101.3電聲耦合作用 111.4周期條紋 121.5基態(tài)介電常數(shù) 131.6表面等離激元 132.二維雙溫模型的建立分析 152.1概述 152.2雙溫模型的建立 152.3飛秒激光燒蝕金薄膜的數(shù)據(jù)處理 162.3.1顯式有限差分法 162.3.2處理邊界條件 162.3.3計(jì)算方法 172.4模擬飛秒激光與金作用 202.5結(jié)果和討論 222.5.1運(yùn)行結(jié)果 222.5.2在不同的能流密度下，激光脈沖形成周期條紋的變化 222.5.3討論 232.6小結(jié) 233.總結(jié)與展望 243.1總結(jié) 243.2未來(lái)展望 24參考文獻(xiàn) 25引言從一九六零年第一個(gè)激光器問(wèn)世至今,已經(jīng)四十余年的發(fā)展歷程。在過(guò)去的近四零年里,激光科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用突飛猛進(jìn)。尤其二十世紀(jì)末,飛秒激光的問(wèn)世給人們帶來(lái)了前所未有的新試驗(yàn)手段與物理?xiàng)l件,并有著非常廣闊的使用前景。結(jié)果顯示，飛秒激光的第一次脈沖只在鋁膜表面產(chǎn)生了隨機(jī)的納米結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)周圍的周期性條紋是在脈沖后形成的。在激光再次照射后，用光滑的鋁膜解釋周期條紋結(jié)構(gòu)。在使用雙溫模型時(shí)，在激光照射到Au的表面后，計(jì)算了電子和晶格溫度的動(dòng)態(tài)變化，并考慮到電子溫度和晶格溫度對(duì)電子散射頻率的影響。Drude-Lorentz模型還考慮了單光子吸收和熱電子的位置。飛秒激光在金屬材料表層、半導(dǎo)體和電介質(zhì)表面上形成的亞波段和深亞波段周期性條紋,是一個(gè)十分普遍的現(xiàn)象。其在金屬材料表面結(jié)構(gòu)顏色、潤(rùn)濕性調(diào)節(jié)、發(fā)光和增強(qiáng)吸收等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。周期性條紋的產(chǎn)生機(jī)理,歷來(lái)是科學(xué)研究的熱門話題。目前主流有表面輻射光模式和材料表面等離激元(Surface、PlasmonPolariton、SPP)模式。強(qiáng)SPP模式雖然能夠很好地解釋在磷酸鹽等導(dǎo)體表層上產(chǎn)生的條紋現(xiàn)象,但卻無(wú)法解釋在金屬材料表面上產(chǎn)生的深亞波段周期性條紋,尤其是在金和銀等貴金屬材料等強(qiáng)SPP材質(zhì)表層上產(chǎn)生的試驗(yàn)結(jié)果,這也是強(qiáng)SPP模擬中存在的重要挑戰(zhàn)。首先,運(yùn)用探測(cè)成像技術(shù)深入地研究了金、銀和鈷金屬材料薄膜上瞬態(tài)條紋的生成過(guò)程,進(jìn)而發(fā)展了SPP模式,系統(tǒng)闡述了金屬材料表面上亞波長(zhǎng)周期性條紋的生成機(jī)制。Kaganov、利夫希茨和Tanatarov提出的雙溫模型（2TM）被廣泛用于描述金屬薄膜電子-聲子系統(tǒng)的能量弛豫。同時(shí)，到目前為止，還沒有詳細(xì)考慮根據(jù)2TM（即基于電子和聲子溫度）描述電子-聲子系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在本文中，我們提出了金屬薄膜中瞬時(shí)加熱和電子冷卻的微觀理論。在該理論框架下，發(fā)現(xiàn)了厚膜和薄膜中電子冷卻的主要特征，并分析了低溫區(qū)的2TM精度。本文采用雙溫模型研究了金薄膜的飛秒燒蝕。使用電離的二維金屬模型，模擬燒蝕時(shí)電子和晶格之間的傳遞過(guò)程，電子和晶格相互連接;根據(jù)激光燒蝕特征，已經(jīng)確定了影響金屬燒蝕影響的區(qū)域，根據(jù)這一定義，金屬金屬對(duì)飛行秒激光的徑向熱影響被計(jì)算為nm級(jí);此外，還計(jì)算了晶體管晶體管在熱影響范圍內(nèi)冷卻的速度;隨著一次脈沖的強(qiáng)度和多次脈沖的整體累計(jì)效應(yīng)，分析了材料參數(shù)對(duì)它們的影響。獲得了電子和晶格體的溫度演化,給人們提供了在飛秒燒蝕過(guò)程中能量變化的過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)論和與模擬成果的對(duì)比證實(shí)了本文給出的計(jì)算模式的可行性。

1.概述1.1激光與材料作用1.1.1概述1960年，激光和材料之間的互相作用引起了相關(guān)學(xué)者注意，尤其是關(guān)于相關(guān)性的因素。在這方面存在非常復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,也存在某些科學(xué)家提出的熱模型和實(shí)際情況之間的誤差（1）。但數(shù)字計(jì)算方法顯示了在復(fù)雜問(wèn)題上的靈活性、能力以及對(duì)不同現(xiàn)實(shí)因素的全面分析，以及對(duì)具有經(jīng)濟(jì)和非實(shí)驗(yàn)性條件下的激光和金屬材料相互作用過(guò)程進(jìn)行更有效模擬。國(guó)內(nèi)外的研究人員都注意到，金屬的激光輻射是一個(gè)非常復(fù)雜的物質(zhì)化過(guò)程，輻射下的金屬溫度迅速上升，并迅速到達(dá)材料的熔點(diǎn)。發(fā)生激光和材料之間的相互作用這種現(xiàn)象時(shí),反射光線,光電效應(yīng)如何吸收物質(zhì),熱效應(yīng)激光和金屬材料之間則是激光照射階段的重要環(huán)節(jié),是激光作用的主要因素之一,以及應(yīng)用在許多領(lǐng)域,如激光加工和醫(yī)療方面。在20世紀(jì)90年代,國(guó)外開展了該項(xiàng)研究,并揭示了飛行秒激光與物質(zhì)燒蝕效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。與納米激光處理技術(shù)比較,飛秒激光效應(yīng)和表面熱量問(wèn)題的解決質(zhì)量都將有所提升。而盡管采用了上述激光處理方式,但如果不能合理選取引起材料表面熱能積聚的激光參數(shù),可能會(huì)對(duì)材料加工產(chǎn)生負(fù)面影響（2）。不同的激光參數(shù)影響復(fù)合材料，而不同的激光解釋不同的激光解釋金屬材料對(duì)形成的影響。1.1.2飛秒激光的特點(diǎn)與機(jī)制由于飛秒激光的脈沖長(zhǎng)度非常短,從而能夠在其聚焦后從相當(dāng)少的短脈沖能量中獲得相當(dāng)高的峰值功率的能量密度。它這些特點(diǎn)使它的加工原理與傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖與連續(xù)的激光加工不同，也使得它有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)在加工方面。較小的熱影響區(qū)精確而且很低的損傷閾值能夠突破衍射極限可加工各種材料在改進(jìn)的雙溫度模型的基礎(chǔ)上，有人提出了一項(xiàng)研究，研究一種能使金屬燒蝕的高速激光。對(duì)燒蝕過(guò)程的動(dòng)態(tài)描述考慮到樣品上材料的分解和它產(chǎn)生的能量損失。沸點(diǎn)被用作最初的燒蝕溫度，以捕捉多個(gè)燒蝕機(jī)制的作用。研究了鋁、銅和黃金的燒蝕周期、燒蝕深度、閾值流、剩余熱能和熔融層厚度。模擬結(jié)果與不同材料和激光參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量相匹配。發(fā)現(xiàn)電子聲子耦合的強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)是決定燒蝕行為的關(guān)鍵因素。在采用飛秒激光燒蝕材料時(shí),材料首先吸收激光的熱能,進(jìn)而完成了燒蝕。因?yàn)轱w秒激光強(qiáng)度非常高,而且材料在這個(gè)工作流程中還會(huì)有更強(qiáng)大的非線性吸收。因此飛秒激光在與材料作用時(shí),形成光學(xué)損傷的非線性步驟一般是用雪崩電離與多光子電離。與材料相互作用時(shí)，飛秒激光與材料中作用時(shí)具有很高的成本，因?yàn)樗哂懈邚?qiáng)度。帶電子能夠同時(shí)吸引多種光子來(lái)電離,這便是所謂的多光子電離現(xiàn)象。從離子中釋放出來(lái)的自由電子,就是經(jīng)過(guò)雪崩電離的電子。在激光場(chǎng)中,電子進(jìn)行焦耳的過(guò)程不斷地吸收能量。當(dāng)激光的總動(dòng)能達(dá)到或大于在動(dòng)能范圍內(nèi)電子電離的總勢(shì)能時(shí),就會(huì)和價(jià)格帶中的自由電子進(jìn)行碰撞。這就可以造成價(jià)帶電離,或者創(chuàng)造低于動(dòng)能的自由電子(碰撞電離)。兩個(gè)電子在這個(gè)過(guò)程中重復(fù),使得雪崩-自由電子數(shù)呈指數(shù)的上升,也被叫做雪崩離子化。當(dāng)自由電子產(chǎn)生足夠大能量的時(shí)候—一種具有"臨界密度"的電子或等離子結(jié)構(gòu),當(dāng)物質(zhì)開始吸收激光的能量,就產(chǎn)生或消除。1.1.3飛秒激光的研究發(fā)展因?yàn)轱w秒激光的脈寬非常短，具有巨大的功率，并且成本低，因此，自飛秒激光誕生以來(lái)，人們開始研究飛行激光處理機(jī)制。1975年，蘇聯(lián)科學(xué)家西西莫夫提出了一種雙溫度模型超短脈沖燃燒金屬（3）。隨后進(jìn)行了幾項(xiàng)基于雙溫模型的理論研究:在20世紀(jì)80年間,利用雙溫模式研究了電子晶格耦合的時(shí)間、飛秒能流、電子晶格耦合系數(shù)等的基本結(jié)果;電子晶格能量的耦合通常在1-4ps內(nèi)進(jìn)行(4),能量越大,耦合時(shí)間就越長(zhǎng)(5):通過(guò)計(jì)算電子晶格系數(shù),可以得出的模型可很好地分析激光與金屬材料之間的關(guān)系作用(6)。在九十年代,利用雙溫模式開展了另一個(gè)理論研究,主要的結(jié)論是:當(dāng)飛秒激光脈寬低于7ps的時(shí)刻,趨膚的深淺要低于擴(kuò)散的深淺,即傳遞能量的深淺是根據(jù)更深的點(diǎn)深度確定的;當(dāng)脈寬比7ps更寬時(shí),熱擴(kuò)散的寬度就等于再生深度,而能量傳輸?shù)纳疃染蜎Q定了熱擴(kuò)散的寬度(7);通過(guò)分析能量脈寬在不同范圍內(nèi)的約化后的方程,可以解析超短的能量脈沖金屬材料,可以得出結(jié)論,電子-晶格耦合可以在激光制造時(shí)在7皮秒內(nèi)進(jìn)行,在熱傳導(dǎo)過(guò)程中也可能省略(8)。小于1ps的脈沖長(zhǎng)度,低通量下是可以有效地經(jīng)過(guò)趨膚深度來(lái)確定,而和脈沖長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。對(duì)大于1ps激光脈沖來(lái)說(shuō),燒蝕的過(guò)程沒有深度光學(xué)的意義(9)。在飛秒燒蝕過(guò)程中,每一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的電能都取決于在第一個(gè)皮秒內(nèi)電子的熱擴(kuò)展,而飛秒激光的燒蝕電能的輸運(yùn)則是利用晶格的熱擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的(10);電子的峰值溫度確定了光學(xué)趨膚的深度和熱擴(kuò)散的直徑,使得激光通量與密度之間不會(huì)有二種不同的特性,且長(zhǎng)度為不同的熱燒蝕方程(11);而當(dāng)激光密度要高過(guò)金屬熔化的閾值時(shí),而非熱損傷則是由熱電的沖擊力所造成的,電流占據(jù)了主導(dǎo)地位。(12)雙溫模型則可以模擬飛秒激光燒蝕金屬的過(guò)程,只能得到電子晶格的時(shí)空分布,由于無(wú)法得到燒蝕材料密度、壓力、內(nèi)在能量后排放速率等，F(xiàn).Vidal等人,于2001年提出流體動(dòng)力模型,分析并說(shuō)明了燒蝕后的物體的脈沖而提出動(dòng)力理論(13),經(jīng)典力學(xué)定理,亦即根據(jù)能量守恒揮發(fā)激光的燒蝕,是由壓力梯度所造成的。這種模式也可用于研究物質(zhì)的密度變化,砍除時(shí)的壓力、強(qiáng)烈、高溫、內(nèi)部能量和在燒蝕物處理過(guò)程中的速率變化都能夠更好地說(shuō)明燒蝕期間發(fā)生的一些情形。還有一種分子動(dòng)力學(xué)模式,其核心思想是將連續(xù)介質(zhì)看成N個(gè)分子或由分子所組成的粒子系統(tǒng),而微粒間的相互作用又可通過(guò)量子動(dòng)力學(xué)的勢(shì)能函數(shù)產(chǎn)生,利用牛頓的經(jīng)典力學(xué)原理來(lái)創(chuàng)建微粒運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,然后我們可以利用數(shù)值解得到相位在真空體系中的微粒,以及它們之間的運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)而在統(tǒng)計(jì)物理原理中可以得到相應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué),靜態(tài)特征。分子動(dòng)力學(xué)的起點(diǎn)是對(duì)物理體系的精確與微觀描述,這意味著它是一個(gè)特定的方面。分子動(dòng)力學(xué)基于兩個(gè)基本的假設(shè):1所有粒子的運(yùn)動(dòng)都遵循牛頓經(jīng)典運(yùn)動(dòng)定律2粒子之間的相互作用符合相互疊加的原則這也表明了分子動(dòng)力學(xué)從原子層面上探討而忽視了量子效應(yīng),主要原因這種分子物質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型仍然是通過(guò)近似的計(jì)算機(jī)模擬。所以,你就能夠獲得燒蝕材料的壓力、能量、溫度和速度分布等等,使飛行激光在顯微鏡下腐蝕—且不止一個(gè)，這是一個(gè)非常詳細(xì)的描述。1.1.4原理來(lái)自鈦石振蕩器的飛秒激光的強(qiáng)度并不滿足工程與科學(xué)上的需要。而當(dāng)脈沖激光能量太大時(shí),人們也能夠利用引入的非線性效應(yīng)來(lái)破壞激光效果。為解決困難的事,就像Mourou等人使用增強(qiáng)脈沖技術(shù)(CPA)實(shí)現(xiàn)了飛行激光的功率增強(qiáng)。如圖1.1(14)所示。CPA技術(shù),即飛秒激光脈沖,輸出生成器,擴(kuò)展和擴(kuò)展脈沖能量。隨著脈沖能量的增加,我們得到了脈沖技術(shù)。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后的激光束,其峰值輸出功率能夠超過(guò)1021W/cm2。圖1激光放大系統(tǒng)框圖飛秒激光光存在著超短的脈寬與超功率。由于上述特性，激光會(huì)進(jìn)行脈沖。與長(zhǎng)脈沖激光和連續(xù)光相比，結(jié)構(gòu)處理有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):首先，相對(duì)較長(zhǎng)的脈沖激光和連續(xù)光，當(dāng)不同的材料被加工時(shí)，飛行激光會(huì)輻射材料。它的持續(xù)時(shí)間比能量從物質(zhì)中釋放的時(shí)間要短得多，而且?guī)缀鯖]有熱量擴(kuò)散。在圖2中表明，材料輻射時(shí)揮發(fā)激光的相互作用與有效的長(zhǎng)脈沖激光器非常不同，通過(guò)避免熱效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)冷處理。用飛秒激光處理材料的邊緣是整潔的，材料使用水平更高，如圖3所示(15-16)。圖2飛秒激光與長(zhǎng)脈沖的激光的加工過(guò)程圖3納秒激光(b)與飛秒激光(a)在鋼片的材料表面打孔的電鏡圖片又由于飛秒激光激光的峰值特別高,所以它在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)。材料需要可以同時(shí)吸收多個(gè)光子的能力,以克服在紫外線處理中的問(wèn)題。為處理飛秒激光,你還需要滿足相應(yīng)的能力閾值。當(dāng)激光強(qiáng)度被控制時(shí),在高斯區(qū)產(chǎn)生了分布式激光,而只有在中心區(qū)附近的小部分閾值還需要進(jìn)行處理。在這個(gè)情形下為了克服光衍射效應(yīng)的限制,達(dá)到比微納波長(zhǎng)小的波長(zhǎng)。再次，三維微加工可以通過(guò)脈沖脈沖激光器的輻射在材料中實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)飛秒激光去照射。2001年日本大阪大學(xué)kawata研究小組使用飛行激光技術(shù)進(jìn)行三維處理（17）。1.1.5應(yīng)用因?yàn)樘幚盹w秒激光器的方法的熱影響區(qū)很小，閾值可以在不同材料的亞微米加工中實(shí)現(xiàn)擁有著很多優(yōu)點(diǎn)。因此，精密處理亞微米的許多好處都得到了現(xiàn)實(shí)的利用。飛秒激光也可以被拿來(lái)修復(fù)由導(dǎo)體工廠來(lái)制造的掩模。因?yàn)檠谀：苜F。一旦有問(wèn)題,這種缺陷可能會(huì)使涂層損壞,使得制造商蒙受很大的損失。所以如果我們使用飛秒激光修正就可以降低了廢品的總量,質(zhì)量大大提高了經(jīng)濟(jì)效益(18)。飛秒激光正常用于處理各種精細(xì)的金屬儀器(19)。飛秒激光可以在透明材料中產(chǎn)生光導(dǎo)(20，21)。由于脆性材料的透明材料源,由長(zhǎng)脈沖激光加熱所形成的強(qiáng)熱張力,可以在損傷和碎片脫落的同時(shí)碎裂。雖然超短脈沖激光器的熱影響范圍極小,但它們可以被回收利用。還能夠通過(guò)飛秒激光來(lái)儲(chǔ)存光線。在可能被燒傷的透明材料中,聚焦強(qiáng)激光束高溫和高壓等離子體在靠近點(diǎn)的區(qū)域產(chǎn)生,在聚焦中心形成一個(gè)非常小的洞，微型相機(jī)周圍的所有材料均被壓縮。由于身體內(nèi)的微爆炸而產(chǎn)生了非常小的黑洞,你就能夠進(jìn)行很精準(zhǔn)的三維存儲(chǔ),存儲(chǔ)密度甚至達(dá)1012bit/cm3。圖4是空氣彎曲器的使用。光儲(chǔ)存主要是通過(guò)材料內(nèi)部的光實(shí)現(xiàn)。(22)。圖4-D光存貯記錄數(shù)據(jù)位列的(左)SEM圖像,和使用顯微投射光讀取的(右)照片另外,由于飛秒激光作用時(shí)的閾值更準(zhǔn)確并且基本不會(huì)影響到環(huán)境物質(zhì)。所以也可進(jìn)行生物治療,包括眼科、牙科等。圖5是飛秒激光對(duì)視網(wǎng)膜上的細(xì)胞覆蓋物和染色體組型切割的過(guò)程結(jié)果(23,24)。飛秒激光切割角質(zhì)覆蓋物對(duì)染色體的切割圖5飛秒激光對(duì)生物組織的加工因?yàn)槔蔑w秒激光加工處理材料的諸多優(yōu)點(diǎn),使得飛秒激光技術(shù)在很多領(lǐng)域都被受到了重視,同時(shí)很多新興的技術(shù)應(yīng)用也被出現(xiàn):超微細(xì)材料、無(wú)熱損傷和三D空間加工處理材料等。飛行激光處理技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括微電子、光子晶體、高速信號(hào)的傳送。光纖耦合(1Tbit/s),微機(jī)械加工,新的三維光學(xué)記憶,和微醫(yī)學(xué)儀器制造和細(xì)胞生物工程等方面的應(yīng)用廣泛?？梢灶A(yù)見,飛秒激光技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn),已經(jīng)具有了無(wú)法取代的優(yōu)越性,技術(shù)也必將作為一種高新技術(shù)在二十一世紀(jì)中快速發(fā)展。1.2雙溫模型的發(fā)展1.2.1概述激光和各種材料發(fā)生作用的問(wèn)題,一直是個(gè)很積極的課題。目前有多個(gè)理論模型(如熱傳導(dǎo)模式、水動(dòng)力模型、分子動(dòng)力學(xué)模型、雙熱傳導(dǎo)模型、經(jīng)典熱傳導(dǎo)模式等)主要用于長(zhǎng)脈沖燒蝕(如納秒)的研究領(lǐng)域,在激光脈沖到達(dá)第二階段目標(biāo)后,自由電子與晶格數(shù)量相互之間的熱量傳遞時(shí)間,在激光燒蝕過(guò)程中顯然低于長(zhǎng)脈沖光柱照射目標(biāo)的持續(xù)時(shí)間。為了在超短程脈沖激光中分離電子和離子系統(tǒng),需要引入一個(gè)雙溫模型。雙溫模型在激光和冶金材料起作用的領(lǐng)域取得了許多成果,并得到了廣泛應(yīng)用。1.2.2發(fā)展雙溫模型來(lái)源于一九零七年物理學(xué)家們對(duì)歐姆定律的分析。J.J.Thomson在和TheCorpuscularTheoryofMatter1中,第一次寫出了關(guān)于歐姆定律在無(wú)效于強(qiáng)場(chǎng)情形下的問(wèn)題,第一次有人質(zhì)疑歐姆定律在強(qiáng)大的磁場(chǎng)下是否有效。在此模式中,金屬材質(zhì)中的陽(yáng)離子是自我電荷的載體,而金屬材質(zhì)中的分子則是以分子(晶格體系)當(dāng)作穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)的障礙物,原子當(dāng)作電子的障礙物,當(dāng)電子遇到原子之后,它的狀態(tài)會(huì)改變?yōu)橐粺o(wú)所有。LIUXila和HORVATHC等人曾在上世紀(jì)九十年代關(guān)于飛秒激光物質(zhì)燒蝕效應(yīng)的探索(25,26)。以金為研究對(duì)象,開展了雙溫模型準(zhǔn)確性的初步研究,利用兩個(gè)溫度方程的定量光學(xué)與熱參數(shù),準(zhǔn)確地預(yù)言了閾值和加工的條件深度(27,28)。在國(guó)內(nèi)，張偉等人還研制了飛秒激光在影響鎳合金時(shí)損耗范圍和閾值的機(jī)理,和閾值(29);李舒安對(duì)金屬材料發(fā)射的電子輻射進(jìn)行了詳細(xì)的研究(30)。1.3電聲耦合作用聲子是準(zhǔn)粒子，本質(zhì)是晶格振動(dòng)，電子聲子耦合即電子與原子核相互作用。在雙溫模型(TTM)的基礎(chǔ)上，建模、對(duì)比和分析了電子的熱熔(Ce)和電子聲子耦合系數(shù)(G)和熱傳導(dǎo)系數(shù)(Ke)的影響。在駕駛激光下的800納米Au虹膜中，在60ps激光下1.5Jcm-2下進(jìn)行3個(gè)燒蝕的變量。選擇最大的電子溫度、時(shí)間和電聲耦合溫度來(lái)描述燒蝕的三個(gè)特性。結(jié)果顯示，這三種熱物理參數(shù)(Ce、G和Ke)同時(shí)對(duì)三種形式的燒蝕具有不同的影響程度。Ce對(duì)最大的電子溫度影響最大，而G對(duì)最大的電聲時(shí)間影響最大，而Ke是電聲耦合溫度變化的關(guān)鍵因素。最后，分析和解釋了影響燒蝕結(jié)果的三個(gè)參數(shù)的物理力學(xué)，得出的結(jié)論是，電子中熱能的量描述了電子系統(tǒng)中的熱能的量。2003年，普盧默等人闡明了金屬和金屬之間電聲學(xué)聯(lián)系現(xiàn)象的概念和進(jìn)展，并預(yù)測(cè)了未來(lái)在界面物理領(lǐng)域的電聲學(xué)聯(lián)系的發(fā)展。表明，隨著實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展，過(guò)去理論在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域的逐步突破;使用高分辨率來(lái)確定光電發(fā)射，可以看到費(fèi)米附近的表面有二維扭曲，由電聲耦合引起，第一個(gè)原則也可以解釋區(qū)域結(jié)構(gòu)的變化?？偨Y(jié)一下，因?yàn)殡姾吐晫W(xué)相互作用，表面狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，聲學(xué)光譜也會(huì)隨之變化，可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，具體結(jié)果并與伊利亞什伯格函數(shù)相匹配。當(dāng)金屬以飛秒的速度燒蝕時(shí),燒蝕時(shí)間是電子加熱的時(shí)刻間隔和晶格加熱到燒蝕溫度的總和,通常在脈沖的長(zhǎng)度內(nèi)加熱電子。在內(nèi)部,也是脈沖寬度,自由電子來(lái)吸收激光能量和加熱;晶體溫度的提高主要發(fā)生在脈沖加工完成后,電子和晶格線被釋放至體外,以達(dá)到有關(guān)的燒蝕溫度。所以在飛秒激光的燒蝕過(guò)程里,電子與晶格之間的關(guān)系就顯得格外關(guān)鍵,因?yàn)樗请S著電子與晶格之間的能量變化,系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程。所以,在飛秒激光的燒蝕剝離過(guò)程中,電子和晶格間的相互作用被研究起來(lái)用于量化研究飛秒激光的砍除時(shí)間,也需要時(shí)間來(lái)衡量研究飛秒激光燒蝕的時(shí)間。1.4周期條紋自從出現(xiàn)了由激光感應(yīng)又到周期條紋現(xiàn)象以來(lái),它的產(chǎn)生機(jī)理就始終影響著研究人員們。從早期散射光干涉模式與入射光入射模式出發(fā),由sip所提供的理論模型逐漸被轉(zhuǎn)到了表面的電磁波相互作用和激光。交互模型也被廣泛使用,以描述條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。近年來(lái),基于飛秒激光所產(chǎn)生的周期條紋結(jié)構(gòu),很容易在大型面積制備和激光刺激，傳導(dǎo)的循環(huán)帶比連續(xù)光和長(zhǎng)脈沖激光器更復(fù)雜。飛秒激光光感應(yīng)電路的機(jī)制處于開放和儲(chǔ)存階段,無(wú)法達(dá)到單一的觀點(diǎn)。飛秒激光感應(yīng)循環(huán)帶形成的機(jī)制需要更多的實(shí)驗(yàn)和理論研究。在八十年代早期,由基爾曼與很多研究家共同發(fā)展了一個(gè)光散射模型,指出了條紋是由入射激光所產(chǎn)生的,而激光作用在了表面極化子中(31)。后來(lái),Sipe等人解釋了周期條紋的第一原則。形成,將效率因子μ引入理論與實(shí)驗(yàn)。電磁輻射可以被分析到在具有微觀表面特征的上層表面,與波矢量預(yù)測(cè)間的相互作用(32,33)并可能在表層產(chǎn)生的條紋波矢量。μ系數(shù)理論會(huì)起到解釋形成的作用。這些作品都能夠說(shuō)明了周期中經(jīng)典的條紋形成。理論模型也被稱之為Sipe模式。在二十一世紀(jì)之初,隨著激光技術(shù)的發(fā)展,尤其是隨著飛秒激光器等新機(jī)器的問(wèn)世,有很多小組報(bào)道激光脈沖之間的相互作用與各種材料(34.35)。不僅觀察周期條紋,近波長(zhǎng)光線,而且還有周期的時(shí)間，遠(yuǎn)條紋的周期小于波長(zhǎng)激光。納米結(jié)構(gòu)歸因于循環(huán)周期內(nèi)玻璃米結(jié)構(gòu)之間周期性條紋與干涉輸入光場(chǎng)和等離子波(36)。Guo等人利用了這一點(diǎn)。飛秒激光會(huì)輻射黃金、銀、銅等珍貴金屬，它們會(huì)發(fā)現(xiàn)銅條是最清晰的，在最壞的情況下，黃金認(rèn)為電聲耦合在條紋的形成中起著重要的作用。Reif和其他人將其歸因于表面的不穩(wěn)定帶的形成（37）。為了研究條紋形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程,人們使用來(lái)探測(cè)超高速圖像,形成一條直接的探測(cè)線。檢測(cè)方法可以分成二大類,其中一種是共線成像(38~41),而另一種非共線成像技術(shù)(42-44)。墨菲等人通過(guò)非共線性探測(cè)技術(shù),去探索了在第二次脈沖中出現(xiàn)的硅表面條紋的動(dòng)態(tài)生成過(guò)程。此后,50ps觀測(cè)了周期條紋,表明條紋的產(chǎn)生過(guò)程中包括材料爆發(fā)等的現(xiàn)象(43)。賈慶林等人利用共線泵技術(shù)來(lái)測(cè)定了在第二次測(cè)量到的硅表面形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)經(jīng)過(guò)幾十皮秒的能量脈沖后,條紋就產(chǎn)生了,而它的位置也不會(huì)發(fā)生變化,這說(shuō)明了它是周期性的能量,沉積在形成條紋中起了關(guān)鍵的影響作用(41)。Zhou和其他人使用高維和時(shí)空技術(shù)來(lái)研究圖像。在黃金表面的循環(huán)帶驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了大量的脈沖揮發(fā)激光器,脈沖不會(huì)產(chǎn)生條紋,而第二脈沖可以在幾百秒到幾納秒之間觀察到。但最終,條紋不會(huì)持續(xù)下去,他們聲稱瞬間條紋的出現(xiàn)與激光束的刺激有關(guān)?；ハ喔蓴_的SPP會(huì)導(dǎo)致能量的循環(huán)沉積,而條紋會(huì)因?yàn)檫^(guò)度熱量而消失(40)。1.5基態(tài)介電常數(shù)當(dāng)我們?cè)诤暧^介質(zhì)場(chǎng)中工作時(shí)，分子中會(huì)發(fā)生一些變化，使平均電場(chǎng)小于額外電場(chǎng)。這種效應(yīng)被稱為電介質(zhì)效應(yīng)。電介質(zhì)效應(yīng)與經(jīng)典光學(xué)有關(guān)。介電常數(shù)的微觀機(jī)制是：在不同的頻率下，固定介質(zhì)的主導(dǎo)微機(jī)制是不同的，下面的圖是一個(gè)很好的總結(jié)。在低頻率下，電介質(zhì)效應(yīng)主要與自由電荷(如離子、電子)的運(yùn)動(dòng)有關(guān);在微波范圍內(nèi)，分子的偶極矩在電場(chǎng)的反轉(zhuǎn)下會(huì)產(chǎn)生電介質(zhì)效應(yīng);紅外頻率的電介質(zhì)效應(yīng)主要導(dǎo)致電場(chǎng)下的負(fù)離子釋放電荷;可見光范圍(可見光折射率)的電介質(zhì)效應(yīng)主要來(lái)自于原子核和原子電子之間的電荷。當(dāng)然，每個(gè)效應(yīng)都有一定的分離。這一次，產(chǎn)生了一個(gè)虛幻的空間，導(dǎo)致了介質(zhì)常數(shù)的產(chǎn)生。Drude-Lorentz模型被用于研究基本狀態(tài)下材料介質(zhì)常數(shù)。然而，飛秒激光當(dāng)材料被發(fā)射時(shí)，介質(zhì)常數(shù)的變化很大，所以介質(zhì)常數(shù)則需要修正(45)。超快的時(shí)空差異允許條紋形成。很多資料都描述了材料的表面，條紋周期與位置幾乎沒有變化(46,47)，主要是因?yàn)镾PP刺激導(dǎo)致了循環(huán)能量沉積，以及條紋的形成（48,49）。SPP一般會(huì)小于1ps，激光的脈沖壽命要小于150fs。所以，能量的沉積一般發(fā)生在第一個(gè)ps。下一個(gè)理論是，電子的溫度和晶格的溫度，對(duì)電子的散射溫度和頻率去研究，這些散射是在電子溫度和晶格溫度下用激光產(chǎn)生的平均大小而且去研討對(duì)介質(zhì)常數(shù)的影響。1.5表面等離激元表面等離激元(surfaceplasmon,SP)是指金屬材料表層與周圍介質(zhì)界面區(qū)域內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立電子與光子相互作用產(chǎn)生的電磁模。這一概念于一九五七年Huffman等人首先提出,并指出金屬中的自由電子在被外加電磁場(chǎng)技術(shù)所激活后,會(huì)在正電離的背景之下發(fā)生高度量子化的電子振蕩,即等距激元。這一現(xiàn)象由Powell等人于一九五九年在一個(gè)金屬鋁的化學(xué)試驗(yàn)中首先證明。當(dāng)光波進(jìn)入到金屬材料表層的電導(dǎo)體分表層之后,對(duì)金屬材料表層的獨(dú)立電子產(chǎn)品進(jìn)行集中振蕩,電子產(chǎn)品磁波和金屬材料表層獨(dú)立電子相互作用后所生成的一條沿著金屬材料表層流動(dòng)的近場(chǎng)波,只要電子產(chǎn)品的振動(dòng)頻段和入射光波的頻段保持一致就會(huì)出現(xiàn)共振,而在共振條件下由于電磁場(chǎng)強(qiáng)度造成的能被相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化為金屬材料表層獨(dú)立電子產(chǎn)品的集中振蕩能量,這時(shí)就出現(xiàn)的一個(gè)特定的電磁狀態(tài):由于電磁場(chǎng)強(qiáng)度被限制在金屬材料表層極小的區(qū)域內(nèi)而被激發(fā),所以這個(gè)現(xiàn)象也可以叫做表面上的等離激元現(xiàn)象。由于表面等離激元理論研究的開展和不同尺寸的元件的成功制造,它在光學(xué)各方向應(yīng)用中有著極大的發(fā)展?jié)摿?特別在解決了許多以往光學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期無(wú)法克服的技術(shù)難題,當(dāng)中尤其涉及金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料的增透效應(yīng)以及在超高分辨率納米光刻、高密度信息儲(chǔ)存、近場(chǎng)光學(xué)研究等中的廣泛應(yīng)用。表面等離激元是由內(nèi)外光場(chǎng)和金屬材料表層中獨(dú)立電子相互作用的電磁模,在這些相互作用下內(nèi)外光場(chǎng)被表層上集體振蕩的金屬離子所捕獲,從而形成了一個(gè)帶有獨(dú)特作用的SPPs。在均勻的金屬材料表層/介質(zhì)表層,SPPs通過(guò)表層傳遞,但隨著金屬材料表層的歐姆熱效應(yīng),它將慢慢消耗熱量,可以傳遞到有限的空間,一般為納米至微米數(shù)量級(jí)。唯有在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度能夠和SPPs的距離相比擬的時(shí)候,SPPs特征和效果才能夠顯露出來(lái)。而由于技術(shù)的不斷進(jìn)展,現(xiàn)今人們已能夠生產(chǎn)特征尺度在微米和納米級(jí)之間的電子元件和回路,在這個(gè)方向上的科學(xué)研究工作也迅速開展了起來(lái)。表面等離激元主要具備以下的的基本特性:1.在垂直于界面的方向場(chǎng)強(qiáng)呈指數(shù)衰減;2.能夠突破\t"/item/%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E7%AD%89%E7%A6%BB%E6%BF%80%E5%85%83/_blank"衍射極限;3.具有很強(qiáng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng);4.只能出現(xiàn)于與介電參數(shù)(實(shí)部)符號(hào)對(duì)立(即金屬和介質(zhì))界面的兩邊。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天,對(duì)器件微型化與高集成的需求愈來(lái)愈高,如何在納米尺度的層面上進(jìn)行信號(hào)傳輸處理成為研究的一項(xiàng)重大課題。表面等離激元能夠沖破光繞射限制,并且具備了強(qiáng)大的局域性場(chǎng)增強(qiáng)特點(diǎn),因此能夠進(jìn)行納米尺寸的光學(xué)信號(hào)傳遞和處理。此外表面等離激元的獨(dú)有特點(diǎn),也促使了其在高靈敏生物檢測(cè)、傳感器,以及新型光源等應(yīng)用領(lǐng)域中得到了更廣闊的運(yùn)用。

2.二維雙溫模型的建立分析2.1概述與長(zhǎng)脈沖激光與金屬材料的作用原理不同,電子在短脈沖過(guò)程中吸收電能到高溫,導(dǎo)致晶體管處于"冷"狀態(tài)。在脈沖能量耗盡時(shí),電子和晶體間迅速相互作用,晶體獲得噴發(fā)時(shí)的最高燒蝕溫度,并由此完成了燒蝕。所以,利用飛秒激光在金屬原子與晶體間的作用,即可將其分解成兩種單獨(dú)的體系。飛秒激光燒蝕固態(tài)的工作過(guò)程是很復(fù)雜的,涉及固態(tài)中電子和激光輻射之間的能量耦合、電子和能量間的相互作用和激光的發(fā)射,并由此產(chǎn)生熱能經(jīng)電子傳遞至固態(tài)晶格。但因?yàn)轱w秒激光與金屬材料的相互作用持續(xù)時(shí)間很短,宏觀行為的熱傳導(dǎo)模式已不能表述金屬材料和飛秒激光之間的工作過(guò)程。玻爾茲曼的電子輸運(yùn)方程的簡(jiǎn)化一維和二維模式,可在電子與聲子耦合體系中加以研究。在飛秒的脈沖寬度條件下,簡(jiǎn)化了雙溫模型,并創(chuàng)立了電子與晶格溫度變化的有限差分法,以便進(jìn)一步研究飛秒激光。雙溫方程描述了金屬的溫度圖像,與電子溫度有關(guān)的熱導(dǎo)率非常重要(50)。大多數(shù)作者不認(rèn)為電子熱導(dǎo)率會(huì)影響金屬溫度的變化。本文對(duì)金薄膜進(jìn)行了模擬和分析,計(jì)算了電子熱導(dǎo)率不同時(shí),電子溫度、晶格溫度的變化。2.2雙溫模型的建立金膜表面的多脈沖、超快顯微圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,金表面的等離子體激元和高入射量激光的相互作用很可能會(huì)在金膜表面產(chǎn)生中間地帶,但強(qiáng)烈的熱效應(yīng)會(huì)使它們消失。另外,通過(guò)觀察,我們可以認(rèn)為在暴露于金下后并沒有強(qiáng)烈的燒蝕,動(dòng)態(tài)過(guò)程主要與熱熔有關(guān)。為支撐這些觀點(diǎn),使用了一個(gè)雙溫模型,聯(lián)和Matlab等軟件,并仿真了電子和晶格的升溫過(guò)程。1974年,S.I.Anisimov根據(jù)飛秒激光與金屬作用時(shí)的特殊機(jī)制,給出了關(guān)于飛秒激光與金屬作用時(shí)的雙溫模型(51)?？紤]到整個(gè)過(guò)程的能量平衡,再考慮光、電子產(chǎn)品與晶體內(nèi)部的作用,可以給出關(guān)于電子產(chǎn)品與晶體內(nèi)部工作溫度變化規(guī)律的微分方程,而雙溫模型的基本思路就是把晶體中的電子系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)視為兩個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng),在這種情形下激光與金屬內(nèi)部作用的作用過(guò)程,一般可包括:光子與電子的相互作用（Q(r，t））電子與電子的相互作用（Ke▽2Te）電子與晶格的相互作用（G（Te-T1））晶格與晶格的相互作用（K1▽T1）樣品與環(huán)境的相互作用雙溫方程：Ce?Te?C1?T1?t=▽(K1▽T1)+g(T下標(biāo)e與1分別代表了電子和晶格的體系,因此Te、Ce和Ke依次代表了電子系統(tǒng)的溫度、電子比熱容和電子導(dǎo)熱系數(shù);TL、C1和K1,依次代表了晶格溫度、電子晶體的比熱容和晶格導(dǎo)熱系數(shù);G則是電聲晶體耦合系數(shù),和電子晶格的工作溫度無(wú)關(guān),也體現(xiàn)了與電子晶格的能量相互作用的強(qiáng)度;S（x，z，t）為光源項(xiàng)。Ce?Te?t為電子系統(tǒng)的能量，▽(Ke▽Te)為電子碰撞的熱能，g(Te-T1)為電聲耦合傳導(dǎo)能量，C1S(x,z,t)=x=βπ（1?R）Iot其中α=0.5L=800nmβ=2.77tp=50fs為激光的脈寬δs2.3飛秒激光燒蝕金薄膜的數(shù)據(jù)處理2.3.1顯式有限差分法有限差分法:對(duì)某個(gè)偏微分方程,若將微分方程中的每個(gè)偏導(dǎo)數(shù)都類似地使用代數(shù)差(AlgebraicDifferenceQuotient)取代,則就可用一種代數(shù)方程式類似地取代這些偏微分方程,進(jìn)而獲得數(shù)量解,該種方式稱之為有限差分方式(FiniteDifferenceMethod)。有限差分法是一個(gè)數(shù)值方法,它的基本思路是首先將原問(wèn)題的確定域通過(guò)方格剖分,而后在網(wǎng)格點(diǎn)上,按相應(yīng)的小數(shù)微分公式將原定解問(wèn)題中的均微商改為差分商,這樣就將原問(wèn)題變成了差分格式,從而求出數(shù)值求解。?u?t=γ求解率：（x，t）∈[0,1]×[0,∞]初始條件：u(x,0)=f(x)邊界條件：u(0,t)=a(t),u(1,t)=b(t)要用有限差分方法解式,就必須將它們的偏導(dǎo)數(shù)表現(xiàn)為代數(shù)形式,因此,首先要將自變數(shù)從連續(xù)性的分布改為離散形式。這種過(guò)程也叫做問(wèn)題求解域的離散化。過(guò)程：空間求解域的離散化時(shí)間變量的離散化解的離散表示導(dǎo)數(shù)的數(shù)值逼近2.3.2處理邊界條件在開始時(shí)刻時(shí)即k=1的時(shí)候所有空間的溫度都是室溫，室溫為300K，對(duì)樣品的表層和底層都進(jìn)行了處理,對(duì)表層絕熱處理后,在樣品的底層由于所取了較厚的厚度,所以并沒有把傳導(dǎo)熱量給材料的底面,所以在材料的底面的晶格和電子溫度也都是在三百K光斑的中心和計(jì)算邊界相同,因?yàn)橛玫氖瞧巾斆}沖,它的中心光斑約為10μm,所以雖然在材料邊緣因?yàn)橛袦囟鹊奶荻榷a(chǎn)生強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo),但是因?yàn)楣獍咻^大,所以材料邊緣熱傳導(dǎo)并沒有影響到這么大的范圍,所以我們模擬中的徑向中最大的邊界為計(jì)算,要比光斑的半徑1μm要大,因?yàn)樵诖颂幰矝]有涉及熱傳導(dǎo),故也無(wú)法影響到電子和晶格的溫度。2.3.3計(jì)算方法首先去計(jì)算某一個(gè)時(shí)刻的溫度，然后把這個(gè)溫度帶入到電子溫度中，會(huì)得到電子的溫度迭代公式。在進(jìn)行最后的化簡(jiǎn)和整理,將會(huì)得出最后的迭代方程式。在計(jì)算結(jié)果時(shí),我們所選擇的方法是gauss-seidel迭代法,最初始的樣品底面溫度約為三百K,這是對(duì)每一個(gè)都要進(jìn)行迭代的計(jì)算公式,進(jìn)而按照從下至上,由外至里的順序依次迭代,其中被允許產(chǎn)生的最大誤差值約是0.1K;厚度約為1μm,這就可以來(lái)確定樣品的底部沒有在燒蝕進(jìn)程中受熱傳導(dǎo)和激光脈沖的影響,并且最后說(shuō)明了在整個(gè)燒蝕的流程里,樣品底部的電子溫度和晶格溫度都為三百K,即室溫。2.4模擬飛秒激光與金作用使用雙溫模型來(lái)計(jì)算的金薄膜參數(shù)g=2.1×1016Wm-3K-1Ae=71Jm-3K-2C1=2.5×106Jm-3K-1Ce=70Jm-3K-2Ke0=318Wm-1K-1Tmelt=1080KTvapor=3150KδsR=0.45α=15nmTp=50fsA=0.032.5模擬飛秒激光與金作用二維TTM顯式結(jié)果圖T=10fs圖6圖7T=100fs圖8圖9T=1ps圖10圖11T=10ps圖12圖131ps結(jié)束后表層的電子和晶格溫度2.5.1運(yùn)行結(jié)果圖14圖151ps結(jié)束后金薄膜表層的電子和晶格溫度圖16圖171ps時(shí)的電子溫度和晶格溫度光強(qiáng)最強(qiáng)處的與最弱處的電子、晶格溫度差圖18在不同的激光照射的時(shí)間，其熱擴(kuò)散的時(shí)間也不同。對(duì)于電子溫度的最大和最小值對(duì)應(yīng)的是光強(qiáng)調(diào)制的波峰和波谷，其隨時(shí)間變化的圖像如圖18所示。圖為1ps時(shí)經(jīng)過(guò)光場(chǎng)調(diào)制后電子表面溫度，MAXTe是表層調(diào)制后最高的電子溫度，MINTe是表層調(diào)制后最低的電子溫度。兩個(gè)電子溫度都在剛開始的時(shí)候快速上升，隨后保持持平，此時(shí)電子溫度沒有下降是因?yàn)殡娮泳Ц癯谠r(shí)間通常為幾皮秒，電子溫度還未來(lái)得及完全傳遞給晶格。明顯發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)光源調(diào)制后，表層電子溫度在X方向上呈周期分布，與光源調(diào)制相一致。圖19我們?cè)O(shè)置一個(gè)電子溫度差，定義為△Te。從圖19我們可以看出當(dāng)時(shí)間t小于臨界值N時(shí)，電子熱擴(kuò)散的速度要慢于NT電子的局部能量松弛。這種情況下大多數(shù)的電子熱量在從最大值降到最小值之前就以及轉(zhuǎn)移到晶格中，電子的溫度差會(huì)隨著時(shí)間而不斷變大。當(dāng)時(shí)間t大于臨界值N時(shí)，電子熱擴(kuò)散的速度要快于NT電子的局部能量松弛。這種情況下，電子的熱擴(kuò)散會(huì)限制被照亮區(qū)域的加熱，從而加速未被照亮部分的加熱，在臨界值N之后電子的溫度差保持不變。對(duì)于這兩個(gè)極端之間任何參數(shù)的選擇，一個(gè)不可忽略的熱量是從最大值轉(zhuǎn)移到最小值之前的點(diǎn)。圖20在不同的激光照射的時(shí)間，其熱擴(kuò)散的時(shí)間也不同。對(duì)于晶格溫度的最大和最小值對(duì)應(yīng)的是光強(qiáng)調(diào)制的波峰和波谷。如圖20所示，MAXT1是表層調(diào)制后最高的晶格溫度，MINT1是表層調(diào)制后最低的晶格溫度。從圖中我們可以看出隨著時(shí)間的變化，最高與最低的晶格溫度在最開始會(huì)有個(gè)短暫的恒定，然后就會(huì)持續(xù)的升高，即光強(qiáng)調(diào)制的波峰和波谷會(huì)逐漸升高。圖21我們?cè)O(shè)置一個(gè)晶格溫度差，定義為△T1。從圖21我們可以看出當(dāng)時(shí)間t小于臨界值N時(shí)，晶格的溫度差會(huì)隨著時(shí)間而快速不斷升高。當(dāng)時(shí)間t大于臨界值N時(shí)，晶格的溫度差在臨界值之后仍不斷上升，但上升的速率會(huì)變慢。我們可以通過(guò)數(shù)值的方法確定雙溫模型，電子溫度和晶格溫度可以快速發(fā)展，展示了50fs脈寬、800納米中心波長(zhǎng)、1.0J/cm2密度,以及100fs中心激光脈沖的結(jié)果。123fs之后，電子溫度迅速增加到了5.55×104K的峰值，晶格的溫度則維持在常溫(52,53,54)。通過(guò)與電聲耦合的方式來(lái)傳輸電子的能量,從而增加了晶格的溫度,在超過(guò)30ps時(shí)3150K的溫度,對(duì)表面材料產(chǎn)生了蒸發(fā)和噴發(fā)(54,55)。在幾十皮秒內(nèi)，就產(chǎn)生了瞬態(tài)條紋。計(jì)算結(jié)果很好地說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：能流密度是1.0J/cm2時(shí)，在65±20ps中條紋就已經(jīng)出現(xiàn)。而隨著這能流的密度上升,到沸點(diǎn)速度越快(56),就可以很好地說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)的結(jié)論中,條紋數(shù)量與能流密度之間的關(guān)系。2.5.2討論光和物質(zhì)之間的相互作用只用于來(lái)分離熱效應(yīng)與電子效應(yīng)，同時(shí)也在許多應(yīng)用程序中起著關(guān)鍵的作用，尤其是熱在許多納米光子的應(yīng)用與光催化里有著關(guān)鍵性的作用。眾所周知的雙溫模型是熱在金屬中的產(chǎn)生與動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。這之中電子系統(tǒng)中有著區(qū)別，并且會(huì)假定電子系統(tǒng)為瞬態(tài)熱化，所以在滿足這些條件下。電子與聲子發(fā)生顯著的能量的轉(zhuǎn)移之前，電子與聲子的動(dòng)力學(xué)方程會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的線性耦合，即雙溫模型的方程。為保證計(jì)算，我們會(huì)使用一種能夠保證能量守恒的獨(dú)特的模型，這是從玻爾茲曼方程所推導(dǎo)而成的TTM的擴(kuò)展。通過(guò)對(duì)精確電子的分布與非熱電子的總能來(lái)解釋了電子系統(tǒng)升溫的早期階段，特點(diǎn)是上升的時(shí)間非?？烨宜p的時(shí)間非常慢，正好能夠?qū)?yīng)到電子系統(tǒng)的熱化。這正好可以證明之前的唯象模型。迄今為止，對(duì)于金屬熱動(dòng)力學(xué)的研究主要是集中在其性質(zhì)的推導(dǎo)方面、電聲耦合的細(xì)節(jié)以及溫度與電場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)方面。讓人感到奇怪的是，早期階段并沒有考慮到熱擴(kuò)散。恰巧這種方法能夠適用于實(shí)驗(yàn)所研究的很多構(gòu)造。而事實(shí)上，這些納米的薄膜或者是顆粒的特征之一都是均勻的電場(chǎng)，即便是能夠延伸至幾十納米更甚者數(shù)百納米的結(jié)構(gòu)，它們也是均勻的，這就是因?yàn)樵诮饘僦械膹?qiáng)烈熱擴(kuò)散。之外，當(dāng)使用一個(gè)亮光來(lái)進(jìn)行照明時(shí)，熱擴(kuò)散卻是一個(gè)很慢的過(guò)程，并且只會(huì)發(fā)生在照明那點(diǎn)的邊緣部位，會(huì)遠(yuǎn)離感應(yīng)發(fā)生的中心位置。但是，在另一個(gè)方面，幾種特殊情況下的熱擴(kuò)散不能夠被忽略是可以被理解的。比如：金屬-介電復(fù)合材料，局部的光斑在金屬薄膜里的擴(kuò)散等。在這些情況下，熱擴(kuò)散會(huì)使照亮的部分達(dá)到最大的溫度。擴(kuò)展的雙溫模型，它描述了電子的能量與電子和聲子溫度的超快動(dòng)力學(xué)。在這種方法中，熱化的過(guò)程并沒有找到由電子到晶格的轉(zhuǎn)化速率的增加，不過(guò)這樣的影響對(duì)于現(xiàn)在的工作去討論的問(wèn)題最多也只能產(chǎn)生適度的數(shù)量影響。用這些模型來(lái)表征周期性的照明金屬的薄膜中的超快熱擴(kuò)散現(xiàn)象。這里我們強(qiáng)調(diào)，為了達(dá)到簡(jiǎn)單性而又不失去一般性，我們會(huì)對(duì)光學(xué)與熱參數(shù)溫度的依賴性去進(jìn)行更深的研究，尤其是參數(shù)的各向異性，但為了量子力學(xué)效應(yīng)于不同金屬之間的不同，會(huì)有意的去避免討論，以達(dá)到討論的普遍性與簡(jiǎn)單性，這些將會(huì)在未來(lái)進(jìn)行研討。2.6小結(jié)通過(guò)合理的方法建立了雙溫模型，利用Matlab軟件編程，研究了用雙溫模型模擬飛秒激光脈沖金薄膜表面的熱分布，并由此得出實(shí)驗(yàn)之后照射Au薄膜表面時(shí)隨著時(shí)間的變化和能流密度的不同的情況下電子和晶格溫度變化。

3.總結(jié)與展望3.1總結(jié)時(shí)光荏苒，日月如梭，轉(zhuǎn)眼已經(jīng)過(guò)了四年的大學(xué)時(shí)光，最后一學(xué)期經(jīng)過(guò)以上詳細(xì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)架，終于完成了畢業(yè)論文選題基于擴(kuò)展雙溫模型對(duì)金屬熱動(dòng)力學(xué)的研究。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了很多的困難。包括Matlab軟件使用、對(duì)于雙溫模型的理解等方面。同時(shí)，我也受到了很大的啟發(fā)，希望通過(guò)今后的學(xué)習(xí)，能夠?qū)Ρ緦I(yè)在其他的研究方面進(jìn)行進(jìn)一步的完善。3.2未來(lái)展望與致謝碩士論文完成了,不過(guò)這只是我科研生活的一個(gè)開始,我的科研道路還很長(zhǎng)很長(zhǎng)。在這種過(guò)程中,我感受到了科研的第一次感受,這種第一次感覺對(duì)我而言是很寶貴的。也或許,在幾年之后,再看到這些文章的時(shí)候,我會(huì)對(duì)自己的稚嫩與膚淺深感羞恥,但我還是無(wú)法忘卻了自己在書寫這些文章時(shí)候的興奮和自豪,因?yàn)槲矣赂业靥こ隽说谝徊?即將開始新的征程。越面對(duì)競(jìng)爭(zhēng),就越能表現(xiàn)自己,不受壓力之所難,應(yīng)化艱辛為力量!因此作為一名應(yīng)屆大學(xué)生要作好心理準(zhǔn)備,堅(jiān)持"天生我才必有用"的信心。非常感激我的導(dǎo)師,是你的用心引導(dǎo)與關(guān)懷,讓我們能夠成功的進(jìn)行設(shè)計(jì)。在教師的認(rèn)真治學(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、忘我的付出中讓我得到了啟迪。不惜勞累和艱辛地為我們爭(zhēng)得了時(shí)機(jī)和效益,給我們指導(dǎo)了設(shè)計(jì)要調(diào)適和改變的方向。從尊敬的老師身:上,我不但掌握了堅(jiān)實(shí)、廣泛的知識(shí),而且懂得了行為辦事的道德。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,已經(jīng)無(wú)數(shù)次的問(wèn)題和技術(shù)困難地折磨著我,也曾一度有過(guò)舍棄本課題的念頭,也曾一度有過(guò)敷衍著事的念頭,但是在上海應(yīng)用科技學(xué)院的光伏發(fā)電信息科學(xué)與工程專業(yè)同學(xué)們?cè)诠餐闹С窒乱约跋嗷ラg的鼓勵(lì)下,將所有遇到的技術(shù)問(wèn)題都一步一步地克服了。每一個(gè)人實(shí)現(xiàn)突破的喜悅,都給了我堅(jiān)實(shí)的必勝的信心。使我深刻地感受到,進(jìn)行學(xué)術(shù)研究開發(fā)并非一個(gè)單純的事,因?yàn)樗笤O(shè)計(jì)師必須具備全面的知識(shí)、慎密的思想、認(rèn)真的工作態(tài)度和以較高水平的能力分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力強(qiáng),但自己在很多方面還是不足。雖然如此,我一直都相信,whenthereisawill,thereisaway.(有志者事竟成)。

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