论文摘要
能量转换与传递过程的微观机理是能源、信息技术、材料科学和微加工等领域中的重要基础科学。能量转换与传递过程在微观层面都体现为载能粒子间的相互作用，其时间一般都处在皮秒-飞秒量级。飞秒瞬态热反射（FTTR）技术，可以分辨并观测这些载能粒子间的相互作用过程，进而成为微观能量转换与传递过程观测及规律研究的实验手段，这也是观测载能粒子微观相互作用过程的唯一手段。本工作建立了基于FTTR技术的飞秒激光抽运-探测（又称泵浦-探测）热反射实验系统。此系统主要包括：飞秒激光器系统、光学系统、信号采集系统和控制系统。飞秒激光器系统是整个实验系统的光源，由飞秒光纤激光器、倍频器和温度控制器组成。光学系统是整个实验系统的核心部分，由分束模块、抽运光光路、探测光光路、延迟系统、调制系统和投射光路组成。光学系统的主要功能包括：产生抽运光和探测光；实现对抽运光的调制以及探测光的延迟控制；保证抽运光与探测光共同聚焦于样品表面同一点。信号采集系统由光电探测器和锁相放大器组成，其功能是对测量信号进行提取和放大。控制系统由安装在工控机上的控制软件及工控机与各系统之间的数据传输线构成，其功能是实现光学系统和信号采集系统的自动运行。在系统建立过程中，解决了采用自相关方法标定系统零点的关键技术；设计了系统控制软件，实现了整个实验系统的自动运行；针对光学系统中的关键环节，设计了多种实施方案，其中采用共线投射方案的光学系统（共线系统）具有自主知识产权。超短激光脉冲加热，可能会在金属中产生非常复杂的温度分布。如果加热时间和电-声子相互作用时间在量级上相当，电子温度会高于周围晶格温度，出现非平衡热输运过程。目前，用于描述金属中微尺度非平衡热输运过程的模型主要有抛物两步（PTS）模型和双相滞（DPL）模型。本文通过对比PTS模型和DPL模型发现：两个模型在描述金属中非平衡热输运过程时并不一致；有热源项的DPL模型描述的温度与PTS模型描述的晶格温度和电子温度都不相符；DPL模型在描述超短激光脉冲加热金属出现的非平衡热输运过程时，存在一定的局限性。在极低温度条件下，电子还可能以波动的形式在金属中传递热量，这种热量传递方式一般用热波（CV-Wave）模型或DPL模型描述。针对波动导热方式，本文提出了一种间接数值模拟方法。针对脉冲激光加热问题，利用这种方法对DPL模型进行了数值模拟。通过一维直角坐标系和二维圆柱坐标系中的数值模拟结果展示了热波、类热波、扩散和过扩散导热方式在两种坐标系中的表现形式。利用飞秒激光抽运-探测热反射实验系统，在低能量激光脉冲激发条件下，对金膜中的热输运过程进行了实验研究。在此实验研究中，激光脉宽为140fs，最高电子温升不超过10K。实验结果与PTS模型、POS模型以及DPL模型的预测结果进行了对比。对比发现只有PTS模型能够对实验结果进行预测。同时也发现，在低能量激光脉冲激发条件下得到的电-声子耦合因子G值为4．5×1016W／（m3K），与Brorson等以及Qiu等在高能量激光脉冲激发条件下实验结果拟合出来的G值，2．8×1016W／（m3K），有所区别。