面向極紫外應用的激光燒蝕理論概述

摘 要：文章通過對極紫外激光燒蝕理論進行闡述，淺談了激光輔助放電等離子體燒蝕理論相對于激光產生等離子體（Laser Pro

duce Plasma，LPP）和放電產生的離子體（Discharge Produce Plasma，DPP）的優勢，同時對該理論和實驗裝置進行簡要的概述，力求通過文章，使人們能夠對該理論有更好的宏觀認識。

關鍵詞：激光輔助放電等離子體；激光燒蝕；宏觀認識

1 理論概述

近年來，研究者采用納秒激光誘導產生等離子體時發現，納秒激光作用靶材產生等離子體的同時會產生直徑大約在幾微米量級粒子，被稱為激發碎屑，研究發現碎屑的產生將對放電電極有污染和損傷。因此，為了彌補這一缺陷，采用飛秒激光作為誘導光源產生等離子體，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到最大時所對應等離子體示意圖，如灰色線圖內所示。此時的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為等離子體長度。通過下面的理論計算，可以得到所需要的燒蝕體積。在體積為Vz-pinch的等離子體內所需要包含電子個數為Ne=VZ-pinchx1018cm3，獲得高電子溫度時，所對應最多的正離子金屬價態為N，根據電荷守恒定律，可以獲得原子數Natom=Ne/N，對于材料來說，設其單位體積內所包含的原子數為Ni=ρNA/M，其中ρ為材料密度，NA為阿伏伽德羅常數，M為相對原子質量。通過理論計算原子數Natom=1/3πr2dxNi，式中r為燒蝕孔半徑，d為其燒蝕深度。通過上面理論計算，如果知道燒蝕斑半徑和每發脈沖燒蝕深度，就可以得到所要的電子密度值。

2 實驗裝置

在這個裝置中，電極的粗糙表面和高溫嚴重影響了極紫外的轉換效率。采用轉動的圓盤來作為電極。使部分圓盤浸沒在液體錫浴缸里，這樣，當圓盤轉過浴缸時，電極表面會換了一個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，其表面的溫度將迅速升高達到其沸點。由于蒸發出的物質密度遠遠小于固體的密度，根據質量守恒定律，粒子將以高速離開靶材表面。

激光燒蝕金屬使電極導通形成放電通道，形成的真空電弧和放電電流流過等離子體，因此變化的軸向電流產生了方位磁場，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。基于導體的趨膚效應，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動，由于洛倫茲力的作用，磁壓強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，通過激光燒蝕②位置處靶材產生金屬氣體，從而使陽極③和陰極④導通產生Z-pinch等離子體。其中圖中⑤為絕緣體。為了產生短脈沖高壓放電，采用圖中⑦磁脈沖開關進行放電控制。極紫外轉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（波長、脈沖持續時間、光強及光斑大小等）；靶材能級結構；產生等離子體光學薄膜厚度與環境參量（充入惰性氣體）等都對其轉化率有重要的影響。其中光學薄膜厚度由電子密度與電子溫度共同決定。

3 結束語

相對于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動，增加了對等離子體的控制，能夠形成穩定的等離子體，從而進一步提高了極紫外的轉化效率。此外，通過該方式能有效將電能轉換為等離子體能量，從而獲得電子溫度較高的等離子體，使產生的極紫外向波長較短方向發展

參考文獻

[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.

作者簡介：姚威，學位： 碩士研究生，單位：長春理工大學 理學院， 主要研究方向：極紫外應用的激光燒蝕理論研究。