基于电子激发与键断裂机制的TiO2超快电子动力学及飞秒激光烧蚀模型修正研究

本文针对半导体/绝缘体超短脉冲激光烧蚀模型中临界电子密度判定不准、激发态光学性质计算效率低等问题，通过TDDFT+U框架研究TiO2的飞秒电子动力学，提出结合电子激发与有限电子温度的DFT新方法，建立分段式电子激发速率方程，创新性提出基于键断裂的临界电子密度判定标准（2.15×1028 m?3），其烧蚀阈值预测结果与240 fs-6 ps脉冲实验高度吻合，为精密激光加工提供理论突破。

　　

在精密激光加工领域，超短脉冲激光因其瞬时高能量和非热主导特性，成为半导体材料微纳加工的理想工具。然而，传统烧蚀模型面临两大瓶颈：一是依赖"等离子体频率=光子频率"的临界电子密度判定标准，忽略了原子键断裂的直接作用；二是激发态光学参数获取需耗时巨大的TDDFT+U计算，难以满足工程需求。这些问题导致烧蚀阈值预测偏差，制约着高精度加工的发展。

针对上述挑战，西安交通大学的研究团队以金红石相TiO₂为研究对象，在《Optics》发表创新成果。研究通过整合第一性原理计算与宏观模型，构建了修正的飞秒激光烧蚀理论框架。关键技术包括：采用瞬态吸收光谱验证激发态介电函数；基于0.5 mm厚(001)晶面TiO₂单晶（合肥科晶提供）进行泵浦-探测实验；开发TDDFT+U与有限电子温度DFT的混合算法。

电子激发速率方程构建
通过求解含Hubbard U修正的实时TDKS方程，发现1064 nm波长下TiO₂的电子激发不符合传统三光子吸收规律，据此建立分段速率方程。关键突破在于修正了传统模型中电子密度随时间凹函数变化的错误，更准确反映TDDFT+U揭示的激发饱和趋势。

激发态光学性质计算
创新提出"电子激发+有限电子温度DFT"组合方法，其计算的介电函数实部/虚部与TDDFT+U结果高度一致，且计算效率提升显著。通过HARPIA-TA瞬态吸收光谱仪实验验证，理论透射率差异<5%，证实了方法的可靠性。

键断裂临界标准确立
首次将原子尺度结构弛豫与宏观烧蚀关联，通过激发态TiO₂的晶格重构模拟，确定键断裂对应的临界电子密度为2.15×10²⁸ m^?3，较传统等离子体频率标准更具物理意义。

烧蚀阈值验证
在240 fs-6 ps脉冲范围内，理论预测烧蚀阈值与实验数据误差<8%，显著优于传统模型。特别是发现ps级脉冲下键断裂机制起主导作用，为长脉冲加工参数优化提供新依据。

该研究由Aifei Pan、Wenjun Wang等学者完成，获得国家自然科学基金（52335009）支持。其核心价值在于：首次将电子激发-键断裂-光学响应多尺度耦合，建立的修正模型既保持TDDFT精度又具备工程适用性；提出的临界密度新标准突破了波长依赖的传统认知，为宽谱激光加工奠定理论基础。这些发现不仅适用于TiO₂，其方法论可推广至SiC、SiO₂等宽带隙材料体系，推动超快激光加工向原子级精度迈进。