超快激光加工可以实现常规加工方式难以实现的高、精、尖、硬、难等加工，已成为精密精细制造技术的最佳选择。超快激光加工理论研究是超快激光微纳可控制造的基石，笔者着重介绍了超快激光作用下的电子动力学行为以及光子-电子-离子耦合过程中原子尺度的理论研究，探讨了目前针对超快激光加工的多物理场跨尺度耦合模型，分析了这些模型的仿真结果及局限性，总结了超快激光加工理论模型所面临的挑战，并对未来的研究重点进行了展望。

通过引入双温方程电子数密度模型, 德鲁德模型和波纹间隔理论?撰=?姿/2S, 得到高频波纹周期具有波长依赖性的特点, 分析了在辐射光通量接近损伤阈值时, 高频周期波纹在一定范围内接近λ/6~λ/4, 且随入射激光通量近似成正比。同时基于时域有限差分法(FDTD)的方法对飞秒激光辐照硅表面电场分布进行数值仿真, 在初始脉冲形成近波长波纹的情况下, 硅表面的电场再分布使得激光能量大多沉积在凹槽边缘, 产生高频周期性结构。在此基础上对初始凹槽深度和激发态下硅表面的光学性质(介电常数)进行分析, 得到了形成高频周期波纹的条件。该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要的参考意义。

在飞秒激光打孔硅材料过程中, 为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响, 建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21 J/cm2, 符合实验模型测得的阈值0.20～0.25 J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr, 等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5 J/cm2增大到3.0 J/cm2, 烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1 μm, 同时脉宽从150 fs减小到50 fs, 烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时, 基于时域有限差分法, 控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃, 激光能量越接近孔底中心, 越易引发该范围内的等离子体激发; 且在不同偏振态光束辐照下, 孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构, 可使后续脉冲能量集中孔底中心区域, 打孔效果更好.

采用结合双温模型的分子动力学的方法, 数值模拟了脉宽100 fs, 能量密度为40~200 mJ/cm2的飞秒激光与CuZr非晶合金的相互作用过程。低能量密度下, 靶材的烧蚀机制主要表现为机械破碎; 高能量密度下, 热机械蚀除和相爆炸共同存在于靶材的烧蚀过程, 随着能量密度的增加, 相爆炸成为主要蚀除机制。利用径向分布函数分析了CuZr非晶合金结构的无序性, 分析结果表明, 激光能量密度由80 mJ/cm2增加到120 mJ/cm2时, 飞秒激光与靶材相互作用过程中, 材料内部的原子保持着无序状态, 材料未发生明显晶化。

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。

为研究Al膜受短脉冲激光作用时的能量传输过程, 建立了一维半经典双温热传导模型。根据材料加工过程的熔化现象, 对模型的相变区域进行有效设置。通过有限元法求解, 得到晶格温度随时间分布的规律。根据自由电子气理论优化了模型, 得到Al膜表面反射率和热吸收系数随时间的分布图。得到了激光辐照所产生热电场的分布规律, 并分析了电子温度梯度对其影响。描绘出电子漂移运动速度的分布规律, 证实激光作用产生的热电场是电子漂移运动的主导因素, 发现最大漂移速度位置随时间的延长而加深。对激光作用后的晶格温度进行了区域性分析, 定义了过热加热区, 并得到激光烧蚀深度随时间的变化关系。实验结果表明, 不同功率皮秒激光烧蚀Al膜的深度接近于理论计算结果。

为研究双温方程中电子热传导项和电子与晶格耦合项对激光辐照物体表面温度场求解的影响, 对这两项施加了约束条件。由于飞秒和亚皮秒激光与物质相互作用时间短, 电子与晶格来不及耦合, 所以对耦合项施加时间约束; 根据相分离条件(CPPS), 对热传导项施加空间约束。利用有限元方法建立了激光烧蚀金属铜膜表面的有限元模型。通过分析双温方程中热传导项和耦合项对计算结果的影响, 发现短脉冲激光与铜金属相互作用过程中电子与晶格耦合项可以忽略, 而传导项不可忽略。求解适当激光功率下的双温方程, 得到了激光作用中心电子与晶格在不同脉冲宽度激光辐照下的温度变化关系。根据100 fs激光作用后晶格温度场的空间分布情况, 研究了激光作用的相分离区域、相爆炸区域以及熔融区域的分布情况。

利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟, 并结合合适的初始条件和边界条件, 研究了在飞秒、皮秒激光作用下, 脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明：激光功率密度是影响载流子温升的主要因素, 矩形脉冲激光烧蚀Si靶表面载流子的峰值温度最高, 而高斯分布的脉冲引起靶面载流子峰值温度最低。可见, 激光脉冲波形对Si靶表面载流子的温度分布具有重要影响。所得结果可为制备高质量的薄膜提供理论依据。

为了研究超短激光辐照下半导体表面的热效应，采用有限差分法对双温方程进行了数值模拟，研究了飞秒、皮秒激光作用下，半导体表面载流子和晶格的温度分布情况。结果表明，载流子与晶格的温度耦合时间和金属耦合时间大致相同，激光功率密度是影响载流子温升的主要因素，超短脉冲激光入射时能量主要被半导体表层载流子吸收，所得结论与实验结果较吻合。

为了描述不同脉冲激光烧蚀金属表面作用过程，从双温模型出发，用有限元差分法对飞秒、皮秒和纳秒脉冲烧蚀金属表面的温度场进行了数值求解，将结果与不同的激光脉冲宽度内约化双温方程得到的解析解和简化方程进行了比较，并讨论了这些简化方程的适用范围和简化的合理性，还讨论了电子热流表达式与辐照激光光强的关系。计算结果表明，在不同脉冲宽度内的约化方程所得结果与双温模型数值求解符合得很好，证明了在飞秒领域，晶格温度可认为是常数，双温模型被简化为自由电子的温度变化方程；在皮秒激光领域，要用完整的双温方程描述；纳秒脉冲期间认为电子晶格温度相等，双温模型被简化为热传导方程。