飛秒脈沖激光對(duì)固體材料熱損傷的研究.pdf

1、隨著調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)成功地將超短脈沖激光的時(shí)間尺度從ns和ps量級(jí)壓縮到了fs量級(jí)；隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的不斷完善，人們已經(jīng)把激光脈沖的峰值功率提高了若干個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使激光與物質(zhì)相互作用這一研究領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。 同連續(xù)激光和其他時(shí)間尺度脈沖激光器一樣，在超短脈沖激光器的使用過(guò)程中，所面臨的一個(gè)主要問(wèn)題就是激光器的長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。而這必然涉及到激光系統(tǒng)中的工作物質(zhì)、諧振腔鏡和輸出光路等幾個(gè)環(huán)節(jié)

2、及其組成元件的激光損傷問(wèn)題。 其中的元件主要指的是激光器系統(tǒng)中的光學(xué)元件，如各種反射鏡、透鏡和窗口等，當(dāng)然也可以是整個(gè)激光檢測(cè)系統(tǒng)中所包含的各種光電元器件。除具體結(jié)構(gòu)上的差別之外，構(gòu)成各種元件的材料主要可以分為透明介質(zhì)、金屬和半導(dǎo)體等三大類。 以往的大量實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明，在入射激光的脈沖寬度(FWHM)τ大于約10皮秒的情況下，大多數(shù)光學(xué)元件及材料的激光損傷閾值均較好地符合著名的τ<'1/2>標(biāo)度律，即各類元件或材料的激

3、光損傷閾值通量密度均大致與τ<'1/2>成正比。而這一標(biāo)度律是與經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)理論相一致的，或者說(shuō)是經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)理論的必然結(jié)果。而當(dāng)脈寬降至約幾個(gè)皮秒以下后，激光損傷閾值通量密度F<,th>不再遵從τ<'1/2>標(biāo)度律?；蛘哒f(shuō)，以往用來(lái)處理ns以上脈沖寬度激光損傷問(wèn)題的經(jīng)典的傅立葉熱傳導(dǎo)方程以及經(jīng)典的熱應(yīng)力分析理論已經(jīng)失效，不再適用于飛秒激光條件下相關(guān)問(wèn)題的研究。 有鑒于此，在本論文中，我們針對(duì)飛秒脈沖激光作用下的透明介質(zhì)

4、、金屬和半導(dǎo)體三類主要材料的損傷機(jī)制等國(guó)際上的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，利用理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算等方法，進(jìn)行了以下的基礎(chǔ)性研究工作： 1．飛秒脈沖激光對(duì)透明介質(zhì)的損傷方面 在對(duì)材料的本征吸收和非本征吸收、雜質(zhì)和缺陷吸收、電子雪崩電離和多光子電離等損傷機(jī)制進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析后，介紹了Stuart等人所給出的描述透明介質(zhì)材料體內(nèi)自由電子密度變化過(guò)程的速率方程理論，并在光束尺寸遠(yuǎn)大于自由電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和激光脈寬可比擬于自由電子弛豫時(shí)

5、間的雙重條件下，分別就指數(shù)形式和雙曲正割形式兩種超短激光脈沖，對(duì)上述速率方程進(jìn)行了數(shù)學(xué)解析求解，求解的過(guò)程及對(duì)結(jié)果的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，在國(guó)際上均未見相關(guān)的類似報(bào)道。 之后，針對(duì)波長(zhǎng)為1053nm的飛秒脈沖激光，利用得到的一系列解析表達(dá)式，對(duì)不同時(shí)刻透明材料體內(nèi)的電子密度、損傷閾值與入射激光的脈沖寬度、峰值功率等諸多參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。具體結(jié)論如下： (1)當(dāng)用入射激光的峰值功率密度描述透明介質(zhì)的損傷閾值時(shí)，

6、入射激光的脈沖寬度越短，則其所對(duì)應(yīng)的損傷閾值越高。如：300fs脈沖激光對(duì)熔石英的損傷閾值約為3.5TW/cm<'2>，而100fs脈沖激光的損傷閾值則約7.5TW/cm<'2>，而這與前人所得的結(jié)果符合得比較好。 (2)當(dāng)激光脈沖的特征寬度小于1000fs時(shí)，介質(zhì)損傷閾值輻照通量與入射激光脈寬之間具有較好的線性關(guān)系。而這也與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 第三章中，首先對(duì)微分之差商的近似表達(dá)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、誤差、穩(wěn)定性、收斂性、差

7、分格式的精確度等進(jìn)行了初步的介紹，并展開了必要的討論。其次，給出了在一維和高維空間中數(shù)值求解經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)方程的Crank-Nicolson隱式格式和D'Yakonov交替方向格式。最后，對(duì)用以描述熔融和汽化過(guò)程的、傅立葉熱傳導(dǎo)理論中的界面移動(dòng)問(wèn)題等，作了理論描述和公式推導(dǎo)，得出了界面位置的離散化方程。 第四章中，在對(duì)非Fourier熱傳導(dǎo)模型的發(fā)展歷程及其幾個(gè)有代表性的階段性理論，如：CV波理論、雙相遲滯模型、廣義時(shí)間遲滯模

8、型、拋物兩步模型、雙曲兩步模型等進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，在對(duì)非Fourier熱傳導(dǎo)的理論分析方法(如Boltzmann輸運(yùn)理論和量子分子動(dòng)力學(xué)方法等)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹之后，又對(duì)微觀熱傳導(dǎo)模型的數(shù)學(xué)求解方法，如解析法和數(shù)值法的內(nèi)涵及發(fā)展歷程等進(jìn)行了必要的歸納和總結(jié)。 在此基礎(chǔ)上，并基于Qiu，Chen和Kaiser等人的工作，提出了自己的雙溫雙曲模型。并詳細(xì)地介紹了該模型的建立過(guò)程及數(shù)值求解方法-具有人工粘性和時(shí)間步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的前

9、向差分算法。利用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編制了計(jì)算程序，在普通個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了模擬計(jì)算。對(duì)特定參數(shù)條件下的特定金屬材料薄膜-金膜表面及體內(nèi)的電子溫度、晶格溫度、電子熱流、晶格熱流等參量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律等，進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與分析，所作的工作內(nèi)容在國(guó)際上均未見過(guò)類似的報(bào)道。具體的研究結(jié)論如下： (1)在t<,p>=0.14ps，J<,0>=4700J/m<'2>激光輻照下，計(jì)算所得到的厚度為200nm的金膜的損傷閾值為4700J/m<'2

10、>，而Al-Nimr等人在相同參數(shù)條件下所得到的實(shí)驗(yàn)值為0.43±0.04J/cm<'2>。兩者之間符合得相當(dāng)好，也就驗(yàn)證了所提出的理論模型的合理性和程序的正確性。 (2)在理論模型中，電子熱容這一參數(shù)選擇得是否合理，對(duì)電子的最大溫度及電子與晶格的熱平衡時(shí)間等，均會(huì)產(chǎn)生較大的影響，而電子熱導(dǎo)率對(duì)自由電子溫度的影響并不顯著。此外，電子-晶格之間的能量耦合過(guò)程對(duì)晶格溫度分布的影響，明顯低于晶格間熱傳導(dǎo)過(guò)程的影響。 (3)電子

11、熱流與電子溫度一樣，都具有明顯的尖峰結(jié)構(gòu)；而除了薄膜前表面以外，其他位置的熱流還都具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。 (4)電子熱流達(dá)到最大值比電子溫度達(dá)到最大值的時(shí)間稍微早一些：而在同一深度處，電子溫度較高時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電子熱流也比較大。 此外，盡管與電子熱流相比，晶格熱流的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但需要注意的是：在材料的光學(xué)吸收深度范圍內(nèi)，在越深的地方晶格的熱流也越大。而這也是單純的經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)理論所根本無(wú)法解釋的。其主要原因在于體系

12、高度的復(fù)雜性，如電子溫度概念的引入、電子與晶格相互作用過(guò)程的高度非線性等，具體原因的揭示也有待更加深入的理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算等工作。 2．飛秒脈沖激光對(duì)半導(dǎo)體材料的損傷方面 由于無(wú)論是從電學(xué)特性還是從光學(xué)特性上講，金屬材料和透明介質(zhì)材料都應(yīng)該看作是半導(dǎo)體材料的一種極限情況——當(dāng)半導(dǎo)體材料中的自由載流子僅僅為電子而并非包含空穴的成分時(shí)，并且當(dāng)自由電子這種單純載流子的濃度趨近于材料中的晶格原子的濃度時(shí)，半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性

13、和光學(xué)特性就會(huì)強(qiáng)烈地體現(xiàn)出一種金屬材料的性質(zhì)；而當(dāng)半導(dǎo)體材料中的自由載流子的濃度趨近于無(wú)窮小或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料晶格原子的濃度時(shí)，半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性和光學(xué)特性就會(huì)強(qiáng)烈地體現(xiàn)出一種透明介質(zhì)材料的性質(zhì)。 第五章中，對(duì)已有的半導(dǎo)體材料的激光損傷機(jī)制等進(jìn)行了比較深入的分析、歸納和總結(jié)。具體內(nèi)容包括： (1)各類激光系統(tǒng)中用到的半導(dǎo)體材料可以分為無(wú)源光學(xué)材料和有源光學(xué)材料這樣兩類。無(wú)源光學(xué)材料的光學(xué)強(qiáng)度由激光損傷閾值(LIDT)來(lái)決

14、定，通常用能量密度(J/cm<'2>)或功率密度(W/cm<'2>)等來(lái)描述。而有源光學(xué)材料對(duì)應(yīng)的光學(xué)強(qiáng)度是由自損傷(Self-damage)現(xiàn)象的判斷來(lái)獲得，其對(duì)應(yīng)的是災(zāi)變光學(xué)損傷(COD)發(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的功率密度或能量密度。 (2)在LIDT的測(cè)量過(guò)程中，采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)既可以是光學(xué)損傷，也可以是電學(xué)損傷，還可以是表面形貌損傷。而有關(guān)COD的檢測(cè)，最早是以其電光曲線的突然非可逆性變化的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并在此之后附以表面損傷形貌的檢

15、測(cè)來(lái)完成的。 (3)與半導(dǎo)體材料的COD現(xiàn)象密切相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題就是LD系統(tǒng)的輸出功率與其壽命之間的關(guān)系問(wèn)題：盡管材料的COD通常是采用逐漸增加激光系統(tǒng)輸出功率的測(cè)試方法獲得的。然而COD對(duì)LD系統(tǒng)的壽命也會(huì)產(chǎn)生一種必然的影響，其結(jié)果也是導(dǎo)致LD工作系統(tǒng)的突然失效。 此外，在本章中，還對(duì)半導(dǎo)體材料COD的機(jī)制和過(guò)程，以及改善半導(dǎo)體激光材料抗損傷閾值的方法等，作了概括性的說(shuō)明。為下一章“飛秒脈沖激光對(duì)半導(dǎo)體材料損傷過(guò)程的理論

16、分析”打下了必要的理論基礎(chǔ)。 第六章中，基于對(duì)前一章內(nèi)容的總結(jié)，并在深入查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各類半導(dǎo)體材料的激光損傷機(jī)制及其過(guò)程等有了更深一步的認(rèn)識(shí)： 當(dāng)亞皮秒超短脈沖激光與材料相互作用時(shí)，入射激光可以將材料價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，并可以使激發(fā)出的電子具有非常高的密度(10<'21>～10<'22>/cm<'3>)和溫度(>=1000K)。同時(shí)使大量的共價(jià)鍵遭到破損，產(chǎn)生一個(gè)以等離子體為中介的相變過(guò)程。在晶格

17、聲子加熱產(chǎn)生之前，晶格的穩(wěn)定性就已遭到了破壞，這就是所謂的非熱熔化過(guò)程。 基于上述的認(rèn)識(shí)以及Chen等人于2005年公開發(fā)表的工作內(nèi)容，在本章中給出了一個(gè)比較完全的自恰場(chǎng)模型，其基于的是弛豫時(shí)間近似的Boltzmann方程，所考查的參量有電子和空穴等兩類載流子的密度、密度流、能流密度、載流子和晶格的溫度等之間的關(guān)系。 利用上述的自恰場(chǎng)模型及包含粘滯項(xiàng)的有限差分解法，即可完成超短脈沖激光輻照過(guò)程中，相應(yīng)半導(dǎo)體材料的載流子濃