面向極紫外應(yīng)用的激光燒蝕理論概述

摘 要：文章通過(guò)對(duì)極紫外激光燒蝕理論進(jìn)行闡述，淺談了激光輔助放電等離子體燒蝕理論相對(duì)于激光產(chǎn)生等離子體（Laser Pro

duce Plasma，LPP）和放電產(chǎn)生的離子體（Discharge Produce Plasma，DPP）的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)該理論和實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述，力求通過(guò)文章，使人們能夠?qū)υ摾碚撚懈玫暮暧^認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：激光輔助放電等離子體；激光燒蝕；宏觀認(rèn)識(shí)

1 理論概述

近年來(lái)，研究者采用納秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體時(shí)發(fā)現(xiàn)，納秒激光作用靶材產(chǎn)生等離子體的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生直徑大約在幾微米量級(jí)粒子，被稱為激發(fā)碎屑，研究發(fā)現(xiàn)碎屑的產(chǎn)生將對(duì)放電電極有污染和損傷。因此，為了彌補(bǔ)這一缺陷，采用飛秒激光作為誘導(dǎo)光源產(chǎn)生等離子體，去減少碎屑[1]。

想要得到短波極紫外輻射，需要電子密度為1018/cm3和電子溫度為120eV。圖1（a）為放電原理示意圖。圖1（b）為電子密度和電子溫度達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)等離子體示意圖，如灰色線圖內(nèi)所示。此時(shí)的Z-pinch等離子體體積最小，我們將其近似看成圓柱，因此可以計(jì)算得到Z-pinch等離子體的體積Vz-pinch=πr2L。r為等離子體半徑，L為等離子體長(zhǎng)度。通過(guò)下面的理論計(jì)算，可以得到所需要的燒蝕體積。在體積為Vz-pinch的等離子體內(nèi)所需要包含電子個(gè)數(shù)為Ne=VZ-pinchx1018cm3，獲得高電子溫度時(shí)，所對(duì)應(yīng)最多的正離子金屬價(jià)態(tài)為N，根據(jù)電荷守恒定律，可以獲得原子數(shù)Natom=Ne/N，對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，設(shè)其單位體積內(nèi)所包含的原子數(shù)為Ni=ρNA/M，其中ρ為材料密度，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，M為相對(duì)原子質(zhì)量。通過(guò)理論計(jì)算原子數(shù)Natom=1/3πr2dxNi，式中r為燒蝕孔半徑，d為其燒蝕深度。通過(guò)上面理論計(jì)算，如果知道燒蝕斑半徑和每發(fā)脈沖燒蝕深度，就可以得到所要的電子密度值。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

在這個(gè)裝置中，電極的粗糙表面和高溫嚴(yán)重影響了極紫外的轉(zhuǎn)換效率。采用轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤來(lái)作為電極。使部分圓盤浸沒(méi)在液體錫浴缸里，這樣，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)過(guò)浴缸時(shí)，電極表面會(huì)換了一個(gè)新位置并保證每次靶材都是新的和帶走電極上面多余的熱量[2]。采用高功率激光作用于靶材時(shí)，其表面的溫度將迅速升高達(dá)到其沸點(diǎn)。由于蒸發(fā)出的物質(zhì)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固體的密度，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，粒子將以高速離開靶材表面。

激光燒蝕金屬使電極導(dǎo)通形成放電通道，形成的真空電弧和放電電流流過(guò)等離子體，因此變化的軸向電流產(chǎn)生了方位磁場(chǎng)，等離子體中的帶電粒子受到洛倫茲力J×B的作用，洛倫茲力的方向指向放電通道。如圖2所示?；趯?dǎo)體的趨膚效應(yīng)，只有等離子體最外層攜帶著脈沖電流。因此等離子體最外層的帶電粒子在洛倫茲力的作用下向著軸心運(yùn)動(dòng)，由于洛倫茲力的作用，磁壓強(qiáng)作用在等離子體上并指向軸心，使等離子體變成針狀形成Z-pinch等離子體。

如圖3所示，在裝置中①位置加入高壓直流電，通過(guò)激光燒蝕②位置處靶材產(chǎn)生金屬氣體，從而使陽(yáng)極③和陰極④導(dǎo)通產(chǎn)生Z-pinch等離子體。其中圖中⑤為絕緣體。為了產(chǎn)生短脈沖高壓放電，采用圖中⑦磁脈沖開關(guān)進(jìn)行放電控制。極紫外轉(zhuǎn)化率即極紫外輻射能量與激光入射能量之比，就LDP而言：激光參數(shù)（波長(zhǎng)、脈沖持續(xù)時(shí)間、光強(qiáng)及光斑大小等）；靶材能級(jí)結(jié)構(gòu)；產(chǎn)生等離子體光學(xué)薄膜厚度與環(huán)境參量（充入惰性氣體）等都對(duì)其轉(zhuǎn)化率有重要的影響。其中光學(xué)薄膜厚度由電子密度與電子溫度共同決定。

3 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于LPP和DPP而言，它可以使等離子體中的電子沿著電流的方向運(yùn)動(dòng)，增加了對(duì)等離子體的控制，能夠形成穩(wěn)定的等離子體，從而進(jìn)一步提高了極紫外的轉(zhuǎn)化效率。此外，通過(guò)該方式能有效將電能轉(zhuǎn)換為等離子體能量，從而獲得電子溫度較高的等離子體，使產(chǎn)生的極紫外向波長(zhǎng)較短方向發(fā)展

參考文獻(xiàn)

[1]Qiushi Zhu. Plasma Dynamics in a 13.5 nm Laser-assisted discharge plasma extreme ultraviolet source[D].Tokyo Institute of Technology，2012：1-3.

[2]Pease R S. Equilibrium Characteristics of a Pinched Gas Discharge Cooled by Bremsstrahlung Radiation[J].Proceedings of the Physical Society，1957， vol： b70（70）：11-23.

作者簡(jiǎn)介：姚威，學(xué)位： 碩士研究生，單位：長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院， 主要研究方向：極紫外應(yīng)用的激光燒蝕理論研究。