飛秒激光超短雙脈沖序列燒蝕增強現象＊

紀煦，付宏鴿，2，張莉英，丁紅軍，呂玉梅，何健

（1.北華航天工業學院機電工程學院，河北廊坊065000；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

飛秒激光超短雙脈沖序列燒蝕增強現象＊

紀煦1，付宏鴿1，2，張莉英1，丁紅軍1，呂玉梅1，何健1

（1.北華航天工業學院機電工程學院，河北廊坊065000；2.北京理工大學機械與車輛學院，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，這種現象在高通量時由于很強的等離子屏蔽效應，燒蝕效率增強趨勢被抑制。建立原子模型分析可知，在脈沖序列延時超過1 ps時，增強是由熔融硅轉換成金屬特性所對應的吸收率改變導致；在脈沖延時小于1 ps時，增強是由第1個脈沖激發電子導致。

飛秒激光；超短雙脈沖；脈沖延時；燒蝕深度

飛秒激光具有獨特的屬性、高峰值功率密度、局域熱影響區和低的殘余損壞，在過去十幾年的研究中被證實是一個非常強大的材料處理工具。將飛秒激光脈沖在時間尺度上分開，能夠帶來激光與物質相互作用的不同機理，為材料處理提供了一種新的途徑，比如，通過雙脈沖激發裝置激光誘導擊穿光譜增強和表面納米結構增強都有被報道。由于第2個子脈沖引起的沖擊波抑制了第1個脈沖的作用效果，當延時大于電子晶格馳豫時間時，抑制了燒蝕效率。半導體材料擁有不同的載流子動態和其他特性，因此在雙脈沖燒蝕時顯示不同的現象，硅離子噴發劇烈增強。當脈沖延時從幾皮秒到十幾皮秒時，燒蝕效率大大提高。然而，在超短脈沖延時范圍內，如何優化脈沖延時，達到燒蝕增強，以及如何開展機理研究仍不是非常清楚。本文通過實驗和數值模擬研究超短雙脈沖燒蝕硅，為此揭示潛在的物理機制和優化燒蝕條件。

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的關系。脈沖延時從10 fs到20 ps，脈沖通量為1 J/cm2，模擬結果與測量結果很吻合。比較相同能量下單脈沖燒蝕每脈沖的燒蝕深度發現，在一定的脈沖延時范圍內，通過脈沖序列燒蝕硅的燒蝕深度明顯增強。增強出現在2個范圍內，一個在超短延時范圍內（小于1 ps），另一個在短脈沖延時范圍內（1～20 ps之間）。當脈沖延時大于1 ps時，燒蝕深度開始增加，在10 ps處達到最大，然后迅速下降。相似的現象在1 ps以下范圍內也有出現，燒蝕深度最大出現在150 fs處，這個現象在之前并未探討。不同延時范圍內的燒蝕增強現象是由不同的物理機制導致。1～20 ps之間的增強現象應該是由熔融硅的金屬特性導致，熱熔硅有非常多的自由電子，導致與第2個脈沖有很強的耦合產生。圖2顯示了在單脈沖燒蝕時間分別為1 ps、10 ps、20 ps時的空間晶格溫度分布。為了解釋在不同延時范圍內的不同燒蝕增強，選擇時間點先于第2個脈沖激發。晶格溫度從表面到材料內部迅速降低，局部溫度超過1 687 K的硅被看作是熔融態。

圖1 不同脈沖延時的燒蝕深度（激光通量為1 J/cm2）

圖2 空間晶格溫度分布（單脈沖燒蝕時間分別為1，10，20 ps）

圖2顯示在激發后10 ps時，晶格溫度達到最大值，產生最厚的熔融層。在這個熔融層，由于自由電子的增加，吸收系數明顯增加，這也是在延時為10 ps時燒蝕深度有所增強的原因。

2 超短雙脈沖序列燒蝕特性理論分析

由圖1發現，在脈沖延時小于1 ps的范圍內出現了另一個燒蝕增強，最大的增強出現在150 fs處。在燒蝕初始階段，晶格溫度仍然很低，且并未出現熔融態。因此，另一個不同的機制導致該增強現象。圖3顯示了第1個脈沖激發后自由電子密度的演化、表面反射和吸收系數的變化。第1個脈沖激發后，束縛電子從價帶激發到導帶，產生大量的自由電子。自由電子密度迅速增加，在130 fs時達到最大值。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，在這個過程，吸收率占據主導作用，導致第2個脈沖能量耦合增強。這個結論支持了最大吸收系數延遲時產生最大燒蝕增強。在此期間，很強的電子激發明顯消弱了原子間價帶，導致晶格亂序，引發了非熱熔。燒蝕可能增強，是由于原子鍵能的減弱和冷液態比固態更易于燒蝕，尤其是非熱熔的臨界電子密度是1021～1022cm-3。

圖3 第1個脈沖激發后電子密度演化過程、反射率和吸收系數

如圖3所示，電子密度在起初的幾百飛秒內超過了臨界值，暗示了非熱熔態發生。該研究中采用S-W勢不能明確地說明非熱熔態。捕獲該現象，當電子密度為2.74×1021cm-3時，可將硅視為液態。

通過計算燒蝕深度來分析非熱熔效應，并考慮非熱熔效應燒蝕深度增加4%.因此，非熱熔的晶格無序對燒蝕深度增強效應貢獻不大，在超短脈沖延時區間燒蝕深度增強起主導機制是由電子激發引起吸收率增強導致。

3 結束語

脈沖序列在2個延時范圍內對硅的燒蝕效率有增強體現。這2個范圍的增強是由不同機制導致。在延時大于1 ps范圍內的增強是由于硅轉換成金屬態所致，第2個脈沖會有很高的耦合效率。最強的增強發生在10 ps處，此時產生最厚的熔融層。

在延時小于1 ps時，增強是由第1個脈沖激發的電子所致，激發自由電子明顯增加，吸收效率和高能量密度下很小的區域內抑制第2個脈沖能量。激光通量效應研究顯示，在低、中激光通量下燒蝕增強，但是在高激光通量下，由于等離子體屏蔽效應增強受到抑制，激光通量在1 J/cm2下最大的增強發生在10 ps。

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

［2］紀煦，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］.科技創新與應用，2017（4）：38-39.

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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

廊坊市科技計劃項目（2017011016）；北華航天工業學院博士啟動基金項目（BKY-2015-01）

紀煦（1980—），男，蒙古族，內蒙古赤峰人，博士，講師，研究方向為精密加工制造技術和微納制造技術。