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飞秒激光作用下金属—电介质多层薄膜的热响应特性

作　者: 朱江华
导　师: 姜永远
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 微尺度热传输双曲两步模型 ITF结构飞秒激光
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,器件的小型化成为微电子制造行业的发展趋势趋势,极大地带动了以集成电路为代表的微电子制造业的发展。随着集成度的提高,工业加工与制造业已经进入微观世界。随之而来的量子效应、尺寸效应等经典规律无法解释的现象,使得微尺度科学的研究和发展成为必需。器件的高集成度必然伴随着高的功耗和发热,因而微尺度热输运特性的研究逐渐受到人们的关注。由于金属、电介质等薄膜是微电子器件的重要组成部分,其热特性决定着微电子器件的稳定性与可靠性,随着短脉冲激光在薄膜结构生产和热处理中的广泛应用,对薄膜在短脉冲激光作用下热响应特性的分析对器件的研究和发展具有重要意义。本论文从能量守恒方程和玻耳兹曼方程出发,建立了特定边界条件下用于描述微尺度热传输效应的双曲两步模型。应用双曲两步模型,对单层金属薄膜的超快热输运现象进行模拟计算,并与之前学者的研究结果相比较以验证使用的理论模型和计算方法,进而将该模型推广到在工程应用领域使用更为广泛的电介质薄膜材料,对由电介质以及金属/电介质材料构成的单层/多层纳米薄膜结构的微尺度热效应进行模拟计算,分析不同结构纳米薄膜在超短脉冲激光作用下的热响应特性,以期对微尺度热输运机理有进一步的理解。与其他材料相比,金属拥有更强的非线性光学效应,然而这种非线性特性很难被观察到,因为金属有很高的反射率,并且没有被反射的光又有一大部分被金属吸收。由于这个原因,不能够用块体金属来测量非线性效应,需要制备具有一定结构的金属薄膜来得到这种非线性特性。最近,诸如金属-电介质光子晶体带隙(Mental-dielectric photonic band-gap, MDPBG)等包含一系列金属薄膜的结构的非线性效应引起了广泛关注。这些消反结构使得入射光能够穿过金属薄膜层,进而直接观得到非线性特性。本文最后一部分将研究微尺度热传输理论在ITF结构中的应用,讨论诱导透射滤光片(Induced transmission filter, ITF)结构对金属非线性光学效应的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-12
    1.1.1 物质的导热机理  10-11
    1.1.2 空间微尺度效应  11-12
    1.1.3 时间微尺度效应  12
  1.2 国内外研究概况  12-16
    1.2.1 理论研究  12-14
    1.2.2 实验研究  14-16
  1.3 主要研究内容  16-17
第2章微尺度热传输的双曲两步模型  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 飞秒激光作用下的场控制方程  17-21
    2.2.1 能量守恒方程  17-19
    2.2.2 玻耳兹曼输运方程  19-20
    2.2.3 微尺度热传输的场控制方程  20-21
    2.2.4 初始条件和边界条件  21
  2.3 纳米薄膜热传输行为的数值计算方法  21-26
    2.3.1 半隐式差分格式  22-24
    2.3.2 三对角阵算法  24
    2.3.3 边界条件的处理  24-25
    2.3.4 程序计算流程  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章薄膜热传输特性的数值模拟分析  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 参数选取  27-28
  3.3 模拟结果与分析  28-32
    3.3.1 单层金属薄膜  28-30
    3.3.2 三层金属薄膜  30-31
    3.3.3 金属/电介质多层薄膜  31-32
  3.4 两束相干激光入射时薄膜的热响应  32-36
    3.4.1 相干光入射的场控制方程  33
    3.4.2 两束相干光加热问题的数值计算  33-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章微尺度热传输特性对金属非线性光学效应的影响  37-43
  4.1 引言  37
  4.2 ITF 的结构及其对金属非线性特性的影响  37-39
    4.2.1 ITF 的结构  37-38
    4.2.2 Drude 模型  38-39
  4.3 模拟结果及分析  39-42
  4.4 本章小结  42-43
结论  43-45
参考文献  45-51
致谢  51

飞秒激光作用下金属—电介质多层薄膜的热响应特性

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