超短激光脈沖序列燒蝕鎳薄膜的研究

韓 飛，閆 寒，周海波，王瓊娥

（北京航星機(jī)器制造公司，北京100013）

超短激光脈沖序列燒蝕鎳薄膜的研究

韓 飛，閆 寒，周海波，王瓊娥

（北京航星機(jī)器制造公司，北京100013）

超短（飛秒）激光脈沖序列技術(shù)能有效地提高激光加工金屬的加工精度，它在微/納制造中具有重要的理論意義和生產(chǎn)價值。為了研究脈沖間隔對激光燒蝕金屬加工精度的影響，以過渡金屬鎳為研究對象，采用雙溫模型和分子動力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，對飛秒激光脈沖序列（脈沖間隔不同）燒蝕金屬鎳的過程、現(xiàn)象進(jìn)行了研究，取得了脈沖序列燒蝕鎳薄膜的動態(tài)表層電子溫度和晶格溫度隨時間演化的數(shù)據(jù)和燒蝕區(qū)域在不同時刻的快照。結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)，隨著脈沖間隔的增加，脈沖序列燒蝕鎳薄膜所產(chǎn)生的納米粒子更加均勻，燒蝕平面更加平整，初始熔化速度、燒蝕率呈降低趨勢，有利于提高加工的精度。

激光技術(shù)；脈沖序列；飛秒激光；雙溫模型；分子動力學(xué)；脈沖間隔

引 言

脈沖序列是由時間間隔為飛秒到皮秒的多個激光脈沖組成。研究表明，調(diào)制脈沖序列可控制電離過程［1-2］、選擇性地電離原子［1，3］，能夠顯著提高被加工材料的表面質(zhì)量、減少溝槽底部的尖峰和凹坑，從而獲得更光滑的表面，并能有效地提高激光微/納制造的加工精度［4］。超短激光脈沖序列微加工技術(shù)已經(jīng)成為激光精密微加工領(lǐng)域中非常重要和前沿的研究方向之一，加緊對超短激光脈沖序列進(jìn)行研究，意義尤為重大。

然而，飛秒激光脈沖序列與物質(zhì)的相互作用是一個非線性、非平衡的過程，涉及到等離子體形成、多光子吸收、相爆炸、臨界點(diǎn)相分離等，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法或者理論模型很難達(dá)到要求。本文中以典型過度態(tài)金屬鎳為研究對象，通過分子動力學(xué)模擬和雙溫模型結(jié)合的方法［5］，建立比較完善的理論模型，同時考慮了激光能量吸收、電子熱傳導(dǎo)和電子-晶格能量交換，對飛秒激光脈沖序列燒蝕金屬的現(xiàn)象和過程進(jìn)行了詳細(xì)研究，揭示飛秒激光脈沖序列的重要參量脈沖間隔對提高加工精度的影響，達(dá)到優(yōu)化脈沖序列的目的。

1 模擬系統(tǒng)的建立

本文中選擇圖1所示的脈沖序列重點(diǎn)研究脈沖間隔對脈沖序列加工精度的影響。選擇3組脈沖序列，它們的脈沖數(shù)目都為3，每個單脈沖的能量都為（0.3115/3）J/cm2，脈寬為120fs。飛秒激光脈沖序列在時間上按高斯分布，空間上是均勻分布。

Fig.1 Pulse-traina—theseparationofpulseis0ps，thetotalfluenceis0.3115J/cm2b—theseparationofpulseis4ps，thetotalfluenceis0.3115J/cm2c—the separationofpulseis8ps，thetotalfluenceis0.3115J/cm2

當(dāng)飛秒激光加工金屬鎳薄膜時，被加工材料從概念上可分為3個子系統(tǒng)：電子系統(tǒng)、原子系統(tǒng)和材料系統(tǒng)，如圖2所示。電子系統(tǒng)將通過雙溫模型來描述，原子系統(tǒng)將通過分子動力學(xué)模擬和雙溫模型來描述。

Fig.2 Combinedmethodsofmoleculardynamicsimulationandtwo-temperaturemodel

1.1 雙溫模型

與長脈沖激光相比，飛秒激光脈寬窄、強(qiáng)度高，從根本上改變了激光與物質(zhì)的作用機(jī)制［6］。就飛秒激光燒蝕金屬靶材而言，飛秒激光與物質(zhì)相互作用包括3個階段［7］：（1）飛秒激光強(qiáng)度高，金屬中的電子吸收光子順勢偏離Fermi-Dirac分布達(dá)到很高的溫度，此時晶格仍處于冷狀態(tài)，該過程持續(xù)時間為飛秒量級；（2）飛秒激光脈沖持續(xù)時間很短，電子和晶格之間能量交換發(fā)生在激光脈沖之后，通過電子熱傳導(dǎo)，激光能量迅速傳到材料內(nèi)部，同時通過電子聲子之間的散射實(shí)現(xiàn)電子和晶格的熱平衡，該過程持續(xù)時間為皮秒量級；（3）電子和晶格平衡后由表層向材料內(nèi)部熱擴(kuò)散，最終達(dá)到整個材料的熱平衡。眾多學(xué)者對飛秒激光燒蝕材料的物理過程進(jìn)行了描述。其中得到大家一直認(rèn)同的是最早由ANISIMOV等人［8］提出的雙溫模型，該模型將電子和晶格看成兩個系統(tǒng)，其中電子溫度和晶格溫度隨時間的演化過程表示為：

式中，Jn為第n個脈沖的有效激光通量，δ為光穿透深度，tp為激光脈寬，tn為第n個高斯脈沖中心時刻，z0為激光輻照的鎳薄膜表面，它是時間t的函數(shù)，z為位置（薄膜初始表面z=0）。本文中取δ= 13.5nm［7］，脈沖寬度tp=120fs。雙溫模型采用有限差分方法描述，如下式所示：

有限差分方法迭代的步長dt選擇為1.25fs，給定晶格和電子的初始溫度都為300K。雙溫模型能很好地描述低通量下激光加工金屬的過程，然而由于無法引入被加工材料相變過程，本文中引入分子動力學(xué)模擬很好地解決了這個問題。

1.2 分子動力學(xué)模擬

從統(tǒng)計物理學(xué)中衍生出來的分子動力學(xué)模擬方法（molecular dynamics，MD）是用來計算經(jīng)典體系的平衡和傳遞性質(zhì)的確定性方法，其優(yōu)點(diǎn)是跟蹤每個原子的運(yùn)動軌跡，從而準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。

模擬基于以下兩個基本假設(shè)：（1）所有粒子的運(yùn)動都遵循經(jīng)典牛頓力學(xué)規(guī)律；（2）粒子之間的相互作用滿足疊加原理。

模擬時選取200nm厚度的鎳薄膜作為研究對象，總共有240000個原子，取前70nm用分子動力學(xué)模擬，給每個原子賦予一個初始位置和速度，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)知識，可以計算其溫度、壓強(qiáng)等物理量；對勢函數(shù)微分，可以計算每個原子受到的其它原子對它的作用力，根據(jù)牛頓第二定律，可以確定每個原子一定時間步長后的新的位置和速度。系統(tǒng)平衡后，加入激光能量，薄膜溫度上升，反映為原子平均動能增加，這是通過給每個原子乘以相同的系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。一定時間后，原子達(dá)到新的平衡，這個過程中可以計算各個時刻，位置的溫度、壓強(qiáng)、原子密度等物理量。這就是分子動力學(xué)模擬的基本原理。

2 結(jié)果分析

圖3中給出脈沖間隔分別為0ps，4ps和8ps、脈沖數(shù)目為3、脈沖寬度為120fs、總激光通量為0.3115J/cm2的激光脈沖序列燒蝕鎳薄膜的動態(tài)表面電子溫度和晶格溫度隨時間的演化。從圖3中可以看出，脈沖間隔為0ps的脈沖序列（單脈沖）燒蝕鎳薄膜時，電子溫度變化是單峰值，上升速度較快，表層電子溫度較高，在加入激光后0.15ps達(dá)到峰值溫度17073K，此時表層晶格溫度為624.4K；脈沖間隔為4ps和8ps的脈沖序列燒蝕鎳薄膜時，表層電子溫度隨時間的變化是多峰值，電子溫度變化比單脈沖的緩和，電子溫度分別在加入激光后8.5ps和13ps時達(dá)到最高值14180K和13553K，此時表層晶格溫度分別為5105K和6805K。在一定范圍內(nèi)隨著脈沖間隔的增加，晶格溫度上升的速度明顯減低，但是晶格加熱的時間延長，有利于表層電子能量沉積。圖4為對應(yīng)的熱導(dǎo)率隨時間的演化。從圖4看出，脈沖間隔為4ps和8ps的脈沖序列電子熱導(dǎo)明顯小于單脈沖，這導(dǎo)致脈沖序列表層電子沉積的能量向薄膜內(nèi)部傳導(dǎo)速度明顯降低。

Fig.3 Electron and lattice temperatures of the layers next to dynamic film surfaces

Fig.4 Thermal conductivity of the layers next to dynamic film surfaces

總之，隨著脈沖間隔的增加，表層電子溫度變化速度降低，峰值溫度減小，表層晶格溫度明顯升高，熱導(dǎo)率減小，這說明脈沖間隔的增大有利于能量在表層的沉積，沉積在底層的能量明顯較少，有利于表層材料的去除和熱影響區(qū)的減少。

Fig.5 Snapshots of nickel thin films irradiated by the single femtosecond laser pulse with total fluence of0.3115J/cm2and delay of 0ps

圖5為激光通量為0.3115J/cm2、脈沖寬度為120fs的單脈沖飛秒激光燒蝕鎳薄膜時燒蝕區(qū)域分別在0ps，15ps，32ps，92ps，150ps，200ps的快照。其中z軸表示激光脈沖序列照射的方向，x軸平行于鎳薄膜表面方向。脈沖間隔為0ps即單脈沖燒蝕鎳薄膜時，薄膜在7.5ps時開始融化，此時薄膜向外膨脹了3.5nm，平均膨脹速率為0.538nm/ps。10ps時薄膜向外膨脹了5.5nm，此時固液接觸面位于4nm處，10ps時的平均膨脹速率為0.55nm/ps，7.5ps到0ps時的平均融化速率為1.6nm/ps，而此處溫度為032K，鎳的熔點(diǎn)為1453℃，存在明顯的過熱現(xiàn)象。5ps時，氣相出現(xiàn)在薄膜的動態(tài)表面上方，固液接觸面出現(xiàn)在20nm處，此時氣泡開始在薄膜表面和靠近表面的內(nèi)部形成。32ps時，鎳薄膜固液接觸面出現(xiàn)在40nm處，氣泡繼續(xù)在薄膜表面和靠近表面的內(nèi)部形成和增大。92ps時，鎳薄膜固液接觸面出現(xiàn)在62nm處，氣泡迅速增大，在薄膜內(nèi)部形成很明顯的空洞，材料基本完成去除過程；從92ps到50ps，氣泡擴(kuò)張導(dǎo)致薄膜從內(nèi)部發(fā)生斷裂。在50ps到200ps，薄膜沒有發(fā)生很明顯的變化，只是液相和氣相繼續(xù)膨脹，材料形成新的平衡。

圖6和圖7為脈沖間隔分別為4ps和8ps的脈沖序列燒蝕鎳薄膜時燒蝕區(qū)域在不同時刻的快照。其中z軸表示激光脈沖序列照射的方向，x軸平行于鎳薄膜表面方向。脈沖間隔為4ps的脈沖序列燒蝕的鎳薄膜在10ps時開始融化，此時薄膜向外膨脹了4.0nm，平均膨脹速率為0.444nm/ps，脈沖間隔為8ps的脈沖序列燒蝕的鎳薄膜在15ps時表面剛開始融化，此時薄膜向外膨脹了3.0nm，平均膨脹速率為0.2nm/ps。可以看出，隨著脈沖間隔的增加，薄膜的初始熔化速度和膨脹速度明顯減小，這是因?yàn)槊}沖間隔的增加，延長了電子和晶格熱化時間，從而減小了薄膜材料電子和晶格溫度上升的速度和薄膜材料膨脹的速度。32ps時，脈沖間隔為4ps的脈沖序列的固液接觸面出現(xiàn)在32nm處，此時材料去除比較均勻，材料內(nèi)部無明顯的氣泡；脈沖間隔為ps的脈沖序列固液接觸面出現(xiàn)在30nm處，此時材料去除更加均勻，材料內(nèi)部無氣泡。92ps時，脈沖間隔為4ps的脈沖序列燒蝕的薄膜材料內(nèi)部氣泡增大，使材料內(nèi)部出現(xiàn)空隙，但是形成的納米粒子比單脈沖燒蝕時均勻，材料基本完成去除過程；此時，脈沖間隔為8ps的脈沖序列燒蝕的薄膜，材料膨脹，原子間距離增大，使材料內(nèi)部出現(xiàn)空隙，但是形成的納米粒子比單脈沖和脈沖間隔為4ps的脈沖序列燒蝕時均勻，材料基本完成去除過程。在150ps到00ps，薄膜沒有發(fā)生很明顯的變化，只是液相和氣相繼續(xù)膨脹，材料形成新的平衡，此時脈沖間隔為ps，4ps，8ps的脈沖序列燒蝕的鎳薄膜的燒蝕率分別為21.5nm，16nm，13nm。

Fig.6 Snapshots of nickel thin films irradiated by the femtosecond laser pulse trains with total fluence of 0.3115J/cm2and delay of 4ps

同單脈沖相比，脈沖間隔為4ps和8ps的脈沖序列燒蝕鎳薄膜產(chǎn)生的納米粒子明顯小而均勻、初始熔化速度慢、膨脹速度小、而且燒蝕率較低，有利于提高加工的精度。

3 結(jié) 論

同單脈沖燒蝕相比較，脈沖序列加工金屬鎳薄膜產(chǎn)生的納米粒子明顯小而均勻、燒蝕平面更加平整、初始熔化速度慢、熱影響區(qū)小，而且燒蝕率較低，有利于提高加工的精度。在一定范圍內(nèi)，隨著脈沖間隔的增加，所產(chǎn)生的納米粒子更加均勻，初始熔化速度、燒蝕率呈降低趨勢，熱影響區(qū)明顯減少，有利于加工精度的提高。

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Study on ablation of Ni film by ultrashort laser pulse-train

HAN Fei，YAN Han，ZHOU Hai-bo，WANGQiong-e
（Beijing Hangxing Technology Development Co.，LTD，Beijing 100013，China）

Micromaching by ultrashort laser pulse-train can effectively improve femtosecond laser ablation ofmetal，which are important both theoretically and practically in micro/nano-laser fabrication applications.In order to study the effect of separation of pulse on the accuracy of laser ablation，the phenomena and process of laser ablation with different separation of pulse train were studied in detail by combining themolecular dynamic simulation and two-temperaturemodel，the electron and lattice temperatures of the layers next to dynamic film surfaces and the snapshots of nickel thin films irradiated by the femtosecond laser pulse trainswere obtained.The result is that，within a certain range，as the increase of the separation of pulse，femtosecond pulse train laser ablation of Ni films can apparently cause more flat ablation plane，slower initialmelting speed，smaller and more uniform nanoparticles，smaller ablation ratio，which can effectively improve femtosecond laser ablation ofmetal.

laser technique；pulse train；femtosecond laser；two-temperature model；molecular dynamics；separation of pulse

TB43

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.014

1001-3806（2013）04-0478-05

韓 飛（1985-），男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事激光微納制造的研究。

E-mail：hanfei0604＠yahoo.com.cn

2012-08-21；

2012-10-29