高重復頻率飛秒激光在透明材料中輻照的熱積累效應

高重復頻率飛秒激光入射到透明材料內(nèi)部會產(chǎn)生很強的熱積累效應，這個效應能對輻照區(qū)域所誘導的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。通過三年的實驗研究，我們發(fā)現(xiàn)熱積累效應會引起輻照區(qū)域材料的基團重組、元素再分布、離子定向遷移等微區(qū)結(jié)構(gòu)改性，而這些物理過程在宏觀上又可以表現(xiàn)為飛秒激光空間選擇性誘導玻璃晶化和分相、貴金屬納米顆粒的沉積和三維納米光柵的形成等現(xiàn)象。我們在理論方面建立了一個三維熱擴散模型，通過引入球差效應調(diào)制函數(shù)，模擬的非對稱溫度場分布與實驗結(jié)果基本一致，特別在系統(tǒng)地研究各項入射參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)聚焦深度和數(shù)值孔徑兩個參數(shù)是影響溫度場分布的關(guān)鍵因素。我們還用飛秒激光在多種薄膜材料上制備了具有功能化特性的微納結(jié)構(gòu)，以光子和聲子之間的能量傳遞機制為研究主線，重點分析了輻照時產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度場對所誘導微納結(jié)構(gòu)的影響。此外，我們還在理論上探索了飛秒脈沖光譜全息實現(xiàn)脈沖時空整形的方案。上述研究成果豐富了我們對飛秒激光熱積累效應的認識，對其在推動和誘導某些特殊功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生時的物理機制和內(nèi)在規(guī)律有了進一步的理解，為飛秒激光與凝聚態(tài)物質(zhì)相互作用這個研究領(lǐng)域提供了一些可供借鑒的科研素材。 2100433B

高重復頻率飛秒激光脈沖入射到玻璃和晶體等透明材料內(nèi)部后，除了飛秒激光誘導的多光子非線性效應外，還會由于能量的連續(xù)注入沉積而導致熱積累效應的出現(xiàn)，從而使得材料出現(xiàn)熱致熔融、離子遷移或相變等一系列與溫度有關(guān)的結(jié)構(gòu)變化，本項目研究這種高重復頻率飛秒激光輻照形成的熱積累效應對材料結(jié)構(gòu)變化的影響。實驗上主要在輻照區(qū)域運用顯微拉曼、SEM、EPMA和XPS等微區(qū)表征手段系統(tǒng)地研究熱效應推動下材料結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在規(guī)律和動力學過程，并探索熱效應在各向異導熱材料中誘發(fā)方向差異性結(jié)構(gòu)變化的物理機制；在理論上以熱傳導方程為基礎(chǔ)，構(gòu)建點熱源在各項同性和各項異性材料中的三維熱擴散溫度模型，模擬熱積累效應在輻照區(qū)域形成的溫度場分布。因為熱積累效應誘發(fā)的這些結(jié)構(gòu)變化將呈現(xiàn)新的光學和物理特性，因此開展這方面的研究能為飛秒激光在透明材料中誘導光功能微結(jié)構(gòu)提供一條新的途徑。

庫侖阻塞效應和自旋積累效應之間的相互影響是納米尺度下電子電荷和電子自旋動態(tài)過程相互關(guān)聯(lián)的物理問題。由此而產(chǎn)生的自旋相關(guān)單電子隧穿器件是納米自旋電子學的一個基本構(gòu)成單元。本項目擬采用物理沉積和化學自組裝方法，通過對絕緣勢壘層上納米顆粒的形貌，尺寸和空間排布的控制，制備出含有非磁性納米顆粒的單電子隧穿磁性隧道結(jié)，通過偏壓和門電壓調(diào)控納米顆粒的庫倫荷電能，來影響其自旋積累效應，實現(xiàn)利用庫侖阻塞效應調(diào)控納米顆粒上自旋積累效應。采用考慮自旋積累的單電子隧穿正統(tǒng)理論分析其磁電輸運特性，進一步理解納米尺度下電子電荷和自旋之間的相互影響機理，從物理機制上理清二者的關(guān)聯(lián)，最終揭示庫侖阻塞對自旋積累操控的規(guī)律和物理機制，為設計以庫侖阻塞調(diào)控自旋積累為機制的器件提供理論依據(jù)。

輻照熱收縮材料可應用于能源、電力、交通、工礦等領(lǐng)域。國外的輻照熱收縮材料主要以聚烯烴和含氟聚合物為原料,主要用于電器、汽車、食品包裝等領(lǐng)域。我國的輻照熱收縮材料產(chǎn)品以聚烯烴為主要原料，作為電線電纜的接續(xù)材料和地下輸油管道防腐材料獲得廣泛應用 。

輻照裝置有兩種：一種是伽瑪射線輻照裝置，一種是電子加速器輻照裝置（分為X線輻照裝置和電子線輻照裝置，主要是電子線輻照裝置）2100433B