基于多孔氧化铝的激光诱导等离子体机理研究

论文摘要

多孔微纳材料比一般材料具有更强的光吸收系数,在激光与物质相互作用过程中是提高激光能量转化效率的理想材料。阳极氧化铝(AAO)模板表面为周期性孔洞结构,且制备方法简单,具有多孔微纳材料的典型特性。本文首先从实验和理论模拟仿真两个方面研究了二次阳极氧化法制备的AAO的激光吸收机理,并进行了对比分析。在此基础上,研究了激光诱导等离子体特性,并结合激光吸收机理进行分析。研究结果如下:通过二次阳极氧化法制备了三种不同孔径的AAO模板。通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对三种AAO模板进行了表征,结果表明,三种AAO模板的孔间距T为450 nm,氧化层厚度H为550 nm,孔径D分别为200、300、400 nm;多孔层孔呈周期性分布,孔径大小一致,均匀分布。通过近红外吸收光谱对AAO模板的光吸收特性进行了测试。并构建了AAO模板的光吸收微观结构模型,分为两个层面:第一层面为材料表面的孔结构;第二层面为AAO模板自身的多层膜结构:结构上层为多孔结构氧化铝,底层(基底)为铝材料,中间有一阻挡层氧化铝。运用光学理论分析了AAO模板微观结构的光波有效吸收机理,结果表明,AAO模板对光线的高吸收效应是由多个界面的多次反射、多层结构的薄膜干涉作用及表面周期性微观结构缺陷的散射和衍射等多个因素的光学效果共同作用的结果。运用时域有限差分法(FDTD)仿真计算得到了AAO模板的反射率,并与近红外吸收光谱实验数据进行对比,结果表明,实验与仿真结果吻合,且在孔径200~400 nm范围内,随着AAO孔径变小,光在样品内部反射次数增多,反射率降低,光的吸收率提高,这将增强AAO模板等离子体特性。当孔径小于100nm后,多孔结构的作用有所减弱,反射率会提高,这也符合实际情况。利用原子发射光谱法和高速摄影方法研究了AAO模板的激光诱导等离子体特性。结果表明,在孔径200~400 nm范围内,相同激光能量下,随着AAO孔径的减小,等离子体持续时间变长,发射光谱谱线强度变大,且等离子体电子温度和电子密度均增强。其中,AAO等离子体电子温度比普通抛光铝片要高出2000~3500 K,AAO等离子体电子密度比抛光铝片最多高出1倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及研究意义
•   1.2 微纳材料特性
•     1.2.1 表面效应
•     1.2.2 小尺寸效应
•     1.2.3 量子尺寸效应
•     1.2.4 宏观量子隧道效应
•   1.3 国内外周期性微纳结构材料的光学特性研究
•     1.3.1 周期性微纳结构材料的制备
•     1.3.2 周期性微纳结构材料光学特性仿真研究
•     1.3.3 纳米结构阵列在激光材料作用领域方面的应用
•   1.4 纳秒脉冲激光与材料的相互作用
•     1.4.1 材料的激光吸收特性
•     1.4.2 纳秒脉冲激光烧蚀过程
•     1.4.3 脉冲激光烧蚀等离子体研究概况
•   1.5 本文主要内容
• 2 多孔模板的制备与表征
•   2.1 试剂和设备
•   2.2 制备方法
•     2.2.1 抛光铝片的制备
•     2.2.2 多孔阳极氧化铝膜的制备
•   2.3 样品的表征
•     2.3.1 抛光铝片的SEM和 AFM表征
•     2.3.2 多孔阳极氧化铝膜的表征
•   2.4 本章小结
• 3 多孔模板的光吸收特性测试及机理分析
•   3.1 样品的光吸收特性测试
•     3.1.1 实验装置及方法
•     3.1.2 试验过程
•     3.1.3 实验结果分析
•   3.2 样品的光吸收机理分析
•     3.2.1 AAO三维模型的建立
•     3.2.2 多孔氧化铝膜三维结构模型分析
•     3.2.3 多孔氧化铝膜的光吸收机理分析
•   3.3 本章小结
• 4 多孔氧化铝膜的建模及FDTD Solutions软件仿真模拟
•   4.1 结构模型的建立与参数定义
•   4.2 时域有限差分法的原理
•     4.2.1 麦克斯韦方程的差分形式
•     4.2.2 时域有限差分法的数值稳定性和数值色散
•     4.2.3 时域有限差分法的吸收边界条件
•     4.2.4 时域有限差分法计算微纳结构反射特性的原理
•   4.3 FDTD Solutions软件仿真模拟
•     4.3.1 仿真模拟过程
•     4.3.2 仿真结果分析与讨论
•   4.4 本章小结
• 5 激光诱导多孔氧化铝等离子体特性研究
•   5.1 激光诱导等离子体特性的实验研究方法
•     5.1.1 等离子体电子温度的计算方法
•     5.1.2 等离子体电子密度的计算方法
•     5.1.3 实验装置与方法
•   5.2 实验结果分析
•     5.2.1 等离子体发射光谱谱线演变规律
•     5.2.2 AAO结构尺寸对于等离子体电子温度的影响
•     5.2.3 AAO结构尺寸对于等离子体电子密度的影响
•     5.2.4 局部热力学平衡验证
•     5.2.5 等离子体形态演变过程分析
•   5.3 本章小结
• 6 工作总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孟宁喜

导师: 吴立志

关键词: 激光物理,激光等离子体,电子温度,电子密度,时域有限差分法,光吸收

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 南京理工大学

分类号: TN249;TQ133.1

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001353

总页数: 70

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