飛秒激光超短雙脈沖序列燒蝕增強(qiáng)現(xiàn)象＊

紀(jì)煦，付宏鴿，2，張莉英，丁紅軍，呂玉梅，何健

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北廊坊065000；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

飛秒激光超短雙脈沖序列燒蝕增強(qiáng)現(xiàn)象＊

紀(jì)煦1，付宏鴿1，2，張莉英1，丁紅軍1，呂玉梅1，何健1

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北廊坊065000；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

飛秒激光超短雙脈沖序列與硅相互作用研究顯示，相對于激光通量較低的單脈沖燒蝕硅材料，同等能量下的雙脈沖燒蝕效率明顯增加，這種現(xiàn)象在高通量時(shí)由于很強(qiáng)的等離子屏蔽效應(yīng)，燒蝕效率增強(qiáng)趨勢被抑制。建立原子模型分析可知，在脈沖序列延時(shí)超過1 ps時(shí)，增強(qiáng)是由熔融硅轉(zhuǎn)換成金屬特性所對應(yīng)的吸收率改變導(dǎo)致；在脈沖延時(shí)小于1 ps時(shí)，增強(qiáng)是由第1個(gè)脈沖激發(fā)電子導(dǎo)致。

飛秒激光；超短雙脈沖；脈沖延時(shí)；燒蝕深度

飛秒激光具有獨(dú)特的屬性、高峰值功率密度、局域熱影響區(qū)和低的殘余損壞，在過去十幾年的研究中被證實(shí)是一個(gè)非常強(qiáng)大的材料處理工具。將飛秒激光脈沖在時(shí)間尺度上分開，能夠帶來激光與物質(zhì)相互作用的不同機(jī)理，為材料處理提供了一種新的途徑，比如，通過雙脈沖激發(fā)裝置激光誘導(dǎo)擊穿光譜增強(qiáng)和表面納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)都有被報(bào)道。由于第2個(gè)子脈沖引起的沖擊波抑制了第1個(gè)脈沖的作用效果，當(dāng)延時(shí)大于電子晶格馳豫時(shí)間時(shí)，抑制了燒蝕效率。半導(dǎo)體材料擁有不同的載流子動(dòng)態(tài)和其他特性，因此在雙脈沖燒蝕時(shí)顯示不同的現(xiàn)象，硅離子噴發(fā)劇烈增強(qiáng)。當(dāng)脈沖延時(shí)從幾皮秒到十幾皮秒時(shí)，燒蝕效率大大提高。然而，在超短脈沖延時(shí)范圍內(nèi)，如何優(yōu)化脈沖延時(shí)，達(dá)到燒蝕增強(qiáng)，以及如何開展機(jī)理研究仍不是非常清楚。本文通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究超短雙脈沖燒蝕硅，為此揭示潛在的物理機(jī)制和優(yōu)化燒蝕條件。

1 超短雙脈沖序列燒蝕特性

圖1所示為燒蝕深度和雙脈沖序列延時(shí)的關(guān)系。脈沖延時(shí)從10 fs到20 ps，脈沖通量為1 J/cm2，模擬結(jié)果與測量結(jié)果很吻合。比較相同能量下單脈沖燒蝕每脈沖的燒蝕深度發(fā)現(xiàn)，在一定的脈沖延時(shí)范圍內(nèi)，通過脈沖序列燒蝕硅的燒蝕深度明顯增強(qiáng)。增強(qiáng)出現(xiàn)在2個(gè)范圍內(nèi)，一個(gè)在超短延時(shí)范圍內(nèi)（小于1 ps），另一個(gè)在短脈沖延時(shí)范圍內(nèi)（1～20 ps之間）。當(dāng)脈沖延時(shí)大于1 ps時(shí)，燒蝕深度開始增加，在10 ps處達(dá)到最大，然后迅速下降。相似的現(xiàn)象在1 ps以下范圍內(nèi)也有出現(xiàn)，燒蝕深度最大出現(xiàn)在150 fs處，這個(gè)現(xiàn)象在之前并未探討。不同延時(shí)范圍內(nèi)的燒蝕增強(qiáng)現(xiàn)象是由不同的物理機(jī)制導(dǎo)致。1～20 ps之間的增強(qiáng)現(xiàn)象應(yīng)該是由熔融硅的金屬特性導(dǎo)致，熱熔硅有非常多的自由電子，導(dǎo)致與第2個(gè)脈沖有很強(qiáng)的耦合產(chǎn)生。圖2顯示了在單脈沖燒蝕時(shí)間分別為1 ps、10 ps、20 ps時(shí)的空間晶格溫度分布。為了解釋在不同延時(shí)范圍內(nèi)的不同燒蝕增強(qiáng)，選擇時(shí)間點(diǎn)先于第2個(gè)脈沖激發(fā)。晶格溫度從表面到材料內(nèi)部迅速降低，局部溫度超過1 687 K的硅被看作是熔融態(tài)。

圖1 不同脈沖延時(shí)的燒蝕深度（激光通量為1 J/cm2）

圖2 空間晶格溫度分布（單脈沖燒蝕時(shí)間分別為1，10，20 ps）

圖2顯示在激發(fā)后10 ps時(shí)，晶格溫度達(dá)到最大值，產(chǎn)生最厚的熔融層。在這個(gè)熔融層，由于自由電子的增加，吸收系數(shù)明顯增加，這也是在延時(shí)為10 ps時(shí)燒蝕深度有所增強(qiáng)的原因。

2 超短雙脈沖序列燒蝕特性理論分析

由圖1發(fā)現(xiàn)，在脈沖延時(shí)小于1 ps的范圍內(nèi)出現(xiàn)了另一個(gè)燒蝕增強(qiáng)，最大的增強(qiáng)出現(xiàn)在150 fs處。在燒蝕初始階段，晶格溫度仍然很低，且并未出現(xiàn)熔融態(tài)。因此，另一個(gè)不同的機(jī)制導(dǎo)致該增強(qiáng)現(xiàn)象。圖3顯示了第1個(gè)脈沖激發(fā)后自由電子密度的演化、表面反射和吸收系數(shù)的變化。第1個(gè)脈沖激發(fā)后，束縛電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量的自由電子。自由電子密度迅速增加，在130 fs時(shí)達(dá)到最大值。因此在圖3（b）中，表面反射率起初減小隨后增加的現(xiàn)象是由于自由電子密度的變化引起。另外，隨著電子密度的增加，硅的吸收率明顯增加。表面反射率和吸收率的增加起著相反的作用，前者減弱了激光能量沉積，后者有增強(qiáng)作用。圖3（b）顯示表面反射率變化僅僅為50%，然而吸收率卻增加了幾百倍。因此，在這個(gè)過程，吸收率占據(jù)主導(dǎo)作用，導(dǎo)致第2個(gè)脈沖能量耦合增強(qiáng)。這個(gè)結(jié)論支持了最大吸收系數(shù)延遲時(shí)產(chǎn)生最大燒蝕增強(qiáng)。在此期間，很強(qiáng)的電子激發(fā)明顯消弱了原子間價(jià)帶，導(dǎo)致晶格亂序，引發(fā)了非熱熔。燒蝕可能增強(qiáng)，是由于原子鍵能的減弱和冷液態(tài)比固態(tài)更易于燒蝕，尤其是非熱熔的臨界電子密度是1021～1022cm-3。

圖3 第1個(gè)脈沖激發(fā)后電子密度演化過程、反射率和吸收系數(shù)

如圖3所示，電子密度在起初的幾百飛秒內(nèi)超過了臨界值，暗示了非熱熔態(tài)發(fā)生。該研究中采用S-W勢不能明確地說明非熱熔態(tài)。捕獲該現(xiàn)象，當(dāng)電子密度為2.74×1021cm-3時(shí)，可將硅視為液態(tài)。

通過計(jì)算燒蝕深度來分析非熱熔效應(yīng)，并考慮非熱熔效應(yīng)燒蝕深度增加4%.因此，非熱熔的晶格無序?qū)g深度增強(qiáng)效應(yīng)貢獻(xiàn)不大，在超短脈沖延時(shí)區(qū)間燒蝕深度增強(qiáng)起主導(dǎo)機(jī)制是由電子激發(fā)引起吸收率增強(qiáng)導(dǎo)致。

3 結(jié)束語

脈沖序列在2個(gè)延時(shí)范圍內(nèi)對硅的燒蝕效率有增強(qiáng)體現(xiàn)。這2個(gè)范圍的增強(qiáng)是由不同機(jī)制導(dǎo)致。在延時(shí)大于1 ps范圍內(nèi)的增強(qiáng)是由于硅轉(zhuǎn)換成金屬態(tài)所致，第2個(gè)脈沖會(huì)有很高的耦合效率。最強(qiáng)的增強(qiáng)發(fā)生在10 ps處，此時(shí)產(chǎn)生最厚的熔融層。

在延時(shí)小于1 ps時(shí)，增強(qiáng)是由第1個(gè)脈沖激發(fā)的電子所致，激發(fā)自由電子明顯增加，吸收效率和高能量密度下很小的區(qū)域內(nèi)抑制第2個(gè)脈沖能量。激光通量效應(yīng)研究顯示，在低、中激光通量下燒蝕增強(qiáng)，但是在高激光通量下，由于等離子體屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)受到抑制，激光通量在1 J/cm2下最大的增強(qiáng)發(fā)生在10 ps。

［1］紀(jì)煦，丁紅軍，張莉英，等.超快激光單脈沖誘導(dǎo)硅表面火山坑形貌［J］.科技與創(chuàng)新，2017（4）：20-21.

［2］紀(jì)煦，張莉英，丁紅軍，等.飛秒激光燒蝕硅表面彈坑形貌偏振依賴性研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（4）：38-39.

［3］紀(jì)煦.超快激光誘導(dǎo)硅表面微/納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2015.

［4］周明.仿生功能表面微結(jié)構(gòu)的超快激光制備與應(yīng)用研究［J］.功能材料，2009，6（3）：14-19.

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〔編輯：劉曉芳〕

2095－6835（2017）16－0025－02

TN249

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.025

廊坊市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017011016）；北華航天工業(yè)學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BKY-2015-01）

紀(jì)煦（1980—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，講師，研究方向?yàn)榫芗庸ぶ圃旒夹g(shù)和微納制造技術(shù)。