留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究

邵俊峰 郭劲 王挺峰

邵俊峰, 郭劲, 王挺峰. 飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2419-2424.
引用本文: 邵俊峰, 郭劲, 王挺峰. 飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2419-2424.
Shao Junfeng, Guo Jin, Wang Tingfeng. Theoretical research on dynamics of femto-second laser ablation crystal silicon[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(8): 2419-2424.
Citation: Shao Junfeng, Guo Jin, Wang Tingfeng. Theoretical research on dynamics of femto-second laser ablation crystal silicon[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(8): 2419-2424.

飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究

基金项目: 

激光与物质相互作用国家重点实验室自主基金课题(SKLLIM-1303)

详细信息
    作者简介:

    邵俊峰(1984- ),男,助理研究员,博士生,主要从事激光辐照效应方面的研究。Email:shaojunfeng1984@163.com

  • 中图分类号: TN249

Theoretical research on dynamics of femto-second laser ablation crystal silicon

  • 摘要: 理解超短激光与材料的相互作用过程与机理是开展超短激光加工等工程应用的基础。首先引入电子激发项、双光子吸收、俄歇复合项等改进双温,使其较准确地适应于飞秒激光与半导体硅材料的相互作用过程。然后,分析了热损伤效应和非热损伤效应的影响。最后,开展了双脉冲飞秒激光与硅的相互过程研究,并分析了电子密度、晶格温度对于损伤积累效应的影响。理论模型得到单脉冲激光损伤阈值为0.25 J/cm2,此时主要表现为热损伤;当入射能量密度大于0.53 J/cm2 时,主要表现为非热损伤。双脉冲激光作用表明,脉冲间隔不大于100 ns(激光重频10 MHz)表现出明显的热积累效应,并显著降低损伤阈值。此时,第一个脉冲造成的电子密度升高(1026/m3)对损伤的贡献较小;而第一个脉冲引起的晶格温升将导致极高的电子激发以及晶格温升(800 K),对损伤起主要贡献作用。该研究对于激光微加工、激光防护等领域具有参考意义。
  • [1]
    [2] Fedosejevs R, Kirkwood S E, Holenstein R. Femtosecond interaction processes near threshold: damage and ablation [C]//SPIE, 2007, 6403 (02): 1-10.
    [3] Crawford T H, Yamanaka J, Hsu E M, et al. High-resolution observations of an amorphous layer and subsurface damage formed by femtosecond laser irradiation of silicon[J]. Applied Physics, 2008, 103(053104): 1-7.
    [4]
    [5]
    [6] Rublack T, Hartnauer S, Mergner M, et al. Mechanism of selective removal of transparent layers on semiconductors using ultrashort laser pulses[C]//SPIE, 2012, 8247(0Z): 1-10.
    [7] Zhao Gang. Thermal damage of solid-state materials by femto-second laser[D]. Chengdu: Sichuan University, 2007. (in Chinese)
    [8]
    [9] Korfiatis D P, Thoma K A, Vardaxoglou J C. Conditions for femtosecond laser melting of silicon[J]. Applied Physics, 2007, 40: 6803-6808.
    [10]
    [11] Borowiec A, Mackenzie M. Transmission and scanning electron microscopy studies of single femtosecond laser-pulse ablation of silicon[J]. Appl Phys A, 2003, 76: 201-207.
    [12]
    [13] Phinney L M, Tien C L. Electronic desorption of surface species using short-pulse lasers[J]. ASME J Heat Transfer, 1998, 120: 765-771.
    [14]
    [15]
    [16] Bonse J, Baudach S, Krger J, et al. Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology[J]. Appl Phys, 2002, 74 (1): 19-25.
    [17]
    [18] Jeschke H O, Garcia M E, Lenzner M, et al. Laser ablation thresholds of silicon for different pulse durations: threory and experiment[J]. Appl Surf Sci, 2002, 197: 839-844.
    [19]
    [20] Stampfli P, Bennemann K H. Theory for the instability of the diamond structure of Si, Ge, and C induced by a dense electron-hole plasma[J]. Phys Rev, 1990, 42: 7163-7173.
    [21] Zhang Hao, Oosten D, Krol D M, et al. Saturation effects in femtosecond laser ablation of silicon-on-insulator[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99: 231108(1-3).
    [22]
    [23] Choi T Y, Grigoropoulos C P. Observation of femtosecond laser-induced ablation in crystalline silicon[J]. J Heat Transfer, 2004, 126(5): 723-725.
  • [1] 商涛, 邓国亮, 王俊, 伍杰, 蔡睿, 陈茹波, 许云龙.  飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值及孵化效应研究 . 红外与激光工程, 2024, 53(3): 20230583-1-20230583-9. doi: 10.3788/IRLA20230583
    [2] 张子浩, 王旭, 黄怡晨, 李福泉, 李俐群, 蔺晓超, 杨诗瑞, 郭鹏.  供油孔流量数值模拟及其飞秒激光加工工艺优化 . 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220454-1-20220454-10. doi: 10.3788/IRLA20220454
    [3] 张泽, 侯国忠, 邓岩岩, 章媛, 张德林, 李兢兢, 王雨雷, 吕志伟, 夏元钦.  小鼠大脑飞秒双光子荧光三维显微成像研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230201-1-20230201-11. doi: 10.3788/IRLA20230201
    [4] 任乃飞, 杨华宇, 夏凯波.  不同水辅助方法对高温合金飞秒激光逐层逐圈切孔质量的影响 . 红外与激光工程, 2022, 51(12): 20220143-1-20220143-10. doi: 10.3788/IRLA20220143
    [5] 周伟杰, 马文强, 李娆, 褚珞耀, 宋宝安, 戴世勋, 徐铁峰, 张培晴.  Ge-As-Se-Te硫系玻璃的飞秒激光损伤特性 . 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210222-1-20210222-8. doi: 10.3788/IRLA20210222
    [6] 廖小杰, 林素颖, 韩冰.  超快激光诱导单晶硅瞬态光学性质演化机理 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20210907-1-20210907-9. doi: 10.3788/IRLA20210907
    [7] 岳端木, 孙会来, 杨雪, 孙建林.  飞秒激光环切加工不锈钢微孔工艺及其质量控制神经网络模型 . 红外与激光工程, 2021, 50(10): 20200446-1-20200446-10. doi: 10.3788/IRLA20200446
    [8] 王华丰, 孙轲, 孙盛芝, 邱建荣.  飞秒激光诱导金刚石微纳结构及其应用(特邀) . 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201057-1-20201057-11. doi: 10.3788/IRLA20201057
    [9] 皮一涵, 王春泽, 宋有建, 胡明列.  极低时间抖动的飞秒激光技术(特邀) . 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201058-1-20201058-13. doi: 10.3788/IRLA20201058
    [10] 张钊, 陈勰宇, 田震.  使用太赫兹快速探测器测量硅少数载流子寿命 . 红外与激光工程, 2019, 48(9): 919003-0919003(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0919003
    [11] 许孝芳, 李晓良, 王庆伟, 杨逢逢, 高永锋, 李晓天.  三束飞秒激光辐照下铜膜内电子非平衡热输运 . 红外与激光工程, 2019, 48(2): 206001-0206001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0206001
    [12] 孙树峰, 王萍萍.  飞秒激光双光子聚合加工微纳结构 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1206009-1206009(5). doi: 10.3788/IRLA201847.1206009
    [13] 张明鑫, 聂劲松, 孙可, 韩敏.  组合激光辐照单晶硅的热作用数值分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1106011-1106011(8). doi: 10.3788/IRLA201847.1106011
    [14] 胡瑜泽, 聂劲松, 孙可, 王磊.  不同能量背景的环形艾里飞秒激光光束大气成丝特性 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 806005-0806005(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0806005
    [15] 刘伟伟, 赵佳宇, 张逸竹, 王志, 储蔚, 曾斌, 程亚.  飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(4): 402001-0402001(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0402001
    [16] 袁伟, 邢昕, 韩冬佳, 李泽汉, 薛冰, 小林孝嘉, 杜鹃, 赵元安, 冷雨欣, 邵建达.  高反Al2O3/SiO2膜内超快激光预损伤动力学过程 . 红外与激光工程, 2016, 45(12): 1206013-1206013(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1206013
    [17] 于军立, 孟庆龙, 叶荣, 钟哲强, 张彬.  飞秒激光作用下光整流晶体的损伤阈值分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 106004-0106004(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0106004
    [18] 吴东江, 周思雨, 姚龙元, 马广义, 庄娟.  飞秒激光烧蚀石英玻璃微槽截面形状仿真 . 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2243-2249.
    [19] 谢雨江, 张锦龙, 王占山, 刘华松, 焦红飞.  宽带啁啾镜的制备及其损伤特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1544-1548.
    [20] 邱冬冬, 王睿, 程湘爱, 张震, 江天.  超短脉冲激光对单晶硅太阳能电池的损伤效应 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 112-115.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  516
  • HTML全文浏览量:  110
  • PDF下载量:  262
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2013-12-07
  • 修回日期:  2014-01-06
  • 刊出日期:  2014-08-25

飞秒激光与硅的相互作用过程理论研究

    作者简介:

    邵俊峰(1984- ),男,助理研究员,博士生,主要从事激光辐照效应方面的研究。Email:shaojunfeng1984@163.com

基金项目:

激光与物质相互作用国家重点实验室自主基金课题(SKLLIM-1303)

  • 中图分类号: TN249

摘要: 理解超短激光与材料的相互作用过程与机理是开展超短激光加工等工程应用的基础。首先引入电子激发项、双光子吸收、俄歇复合项等改进双温,使其较准确地适应于飞秒激光与半导体硅材料的相互作用过程。然后,分析了热损伤效应和非热损伤效应的影响。最后,开展了双脉冲飞秒激光与硅的相互过程研究,并分析了电子密度、晶格温度对于损伤积累效应的影响。理论模型得到单脉冲激光损伤阈值为0.25 J/cm2,此时主要表现为热损伤;当入射能量密度大于0.53 J/cm2 时,主要表现为非热损伤。双脉冲激光作用表明,脉冲间隔不大于100 ns(激光重频10 MHz)表现出明显的热积累效应,并显著降低损伤阈值。此时,第一个脉冲造成的电子密度升高(1026/m3)对损伤的贡献较小;而第一个脉冲引起的晶格温升将导致极高的电子激发以及晶格温升(800 K),对损伤起主要贡献作用。该研究对于激光微加工、激光防护等领域具有参考意义。

English Abstract

参考文献 (23)

目录

    /

    返回文章
    返回