飞秒激光烧蚀石英玻璃的实验与理论研究

实验研究了800nm飞秒激光作用下石英玻璃的破坏机理和烧蚀规律，给出了破坏阈值与脉冲宽度的关系.发展了雪崩击穿模型，计算了材料的烧蚀阈值与脉冲宽度的依赖关系，烧蚀深度、烧蚀体积与脉冲能量的依赖关系，研究了导带电子的扩散对材料中激光能量的沉积、分布，以及材料的破坏阈值和烧蚀规律的影响. 关键词： 飞秒激光脉冲 破坏机理 石英玻璃 电子扩散     

超短脉冲照射下氟化锂的烧蚀机理及其超快动力学研究

研究了超短脉冲激光照射下LiF晶体的破坏机理及其超快动力学过程,利用扫描电镜和原子力显微镜等测试手段,观测了飞秒激光照射下LiF晶体的烧蚀形貌。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的对数关系确定了LiF晶体的破坏阈值,并利用非线性玻璃棒展宽脉宽,得到了800nm激光作用下LiF破坏阈值对激光脉宽（50～1000fs）的依赖关系;利用抽运一探针超快探测平台,探测了LiF烧蚀过程中反射率的变化。采用雪崩击穿模型,并根据晶体材料反射率与材料的介电常量的依赖关系,通过数值计算,模拟了材料烧蚀阈值与脉宽的依赖关系及材料激发过程中反射率的变化关系。结果表明,理论结果与实验结果符合较好。讨论了飞秒激光照射下LiF晶体中导带电子数密度的变化规律,并解释了相应的实验结果。     

飞秒激光作用下全向高反膜破坏的激发过程

设计和制备了全向高反膜SiO₂/TiO₂，研究了它在不同脉冲宽度、不同脉冲能量的飞秒激光作用下的破坏阈值和烧蚀深度.利用发展的抽运-探针方法，研究了抽运脉冲作用下材料中导带电子的超快激发和能量沉积过程，建立并求解了飞秒激光激发材料和材料的激发对抽运光自身反作用的耦合动力学模型.模型较好地揭示了材料破坏的激发过程. 关键词： 飞秒激光 全向高反膜 激发过程 破坏机制     

飞秒激光对高反膜的破坏及其超快动力学过程

研究了800nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2-Si O2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌,测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50fs增加到900fs,其烧蚀阈值从0.35J/cm2增加到1.78J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时,材料很快被烧蚀到几百纳米,烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时,利用建立的抽运探针实验系统,测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化,揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。     

激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究

利用调Q的Nd: YAG激光器输出的纳秒激光脉冲诱导等离子体加工石英微通道, 显微镜下观察微通道深度可达4 mm, 通道周围没有发现热裂纹, 围绕通道内壁产生了固化层. 研究了纳秒脉冲下固体材料损伤的电离机理. 波长为1064 nm, 光强不很强的纳秒脉冲作用时, 光学击穿中等离子体的形成主要是雪崩电离的结果, 利用雪崩击穿的阈值理论得到了等离子体形成模型, 求出了等离子体形成范围, 理论模型结果与实验结果基本相符.最后基于激光支持的爆轰波模型, 利用流体力学理论求出了等离子体的温度、 速度、 压强等特征参数, 并分析了微通道的特点.高温高压的等离子体烧蚀出石英微通道, 等离子通过后, 在冲击波压力作用下微通道内壁熔化的 石英凝固形成固化层.     

飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究

用扫描电镜(SEM)研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌.根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系，测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线(55—750fs).计算了导带电子的双光子吸收，改进了多速率方程模型，很好地解释了实验结果. 关键词： 飞秒激光 氟化镁 烧蚀机理 双光子吸收     

纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料机理的耦合理论模型

基于电子能带理论,以动力论的Fokker_Planck方程为基础,从微观层次对超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料的机理进行分析研究.源项中分别考虑了雪崩电离、多光子电离机制,并考虑了电子能量与散射机制对电子弛豫时间的影响.建立了绝缘体烧蚀机理的耦合数学模型,其计算的激光烧蚀临界能量密度阀值与实验结果很好的吻合.定量描述了超短脉冲激光对绝缘体材料烧蚀微观过程的影响.     

超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料机理的耦合理论模型

基于电子能带理论,以动力论的Fokker_Planck方程为基础,从微观层次对超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料的机理进行分析研究.源项中分别考虑了雪崩电离、多光子电离机制,并考虑了电子能量与散射机制对电子弛豫时间的影响.建立了绝缘体烧蚀机理的耦合数学模型,其计算的激光烧蚀临界能量密度阀值与实验结果很好的吻合.定量描述了超短脉冲激光对绝缘体材料烧蚀微观过程的影响.     

线偏振光和圆偏振光下ZrO_2和Al_2O_3陶瓷材料的飞秒激光烧蚀性能

将不同脉冲数的飞秒激光作用于陶瓷材料表面,研究了线偏振和圆偏振激光对氧化锆和氧化铝陶瓷材料烧蚀阈值的影响,利用光学显微镜和扫描电子显微镜分析了烧蚀坑表面形貌,利用激光扫描共聚焦显微镜确定了烧蚀坑深度.结果表明:两种材料在线偏振光下的饱和烧蚀阈值均小于在圆偏振光下的值;当偏振态相同时,氧化锆饱和烧蚀阈值小于氧化铝.随脉冲数增加,线偏振和圆偏振光下氧化锆烧蚀坑表面结构均由无序向有序发展,出现了周期性环形波纹结构和纳米孔洞阵列.与线偏振光相比,圆偏振光对烧蚀坑深度的作用更明显,且烧蚀坑表面形貌对能量密度变化比较敏感,更容易产生周期性结构.     

Aluminum thin film enhanced IR nanosecond laser-induced frontside etching of transparent materials

Laser processing of glass is of significant commercial interest for microfabrication of precision optical engineering devices. In this work, a laser ablation enhancement mechanism for microstructuring of glass materials is presented. The method consists of depositing a thin film of aluminum on the front surface of the glass material to be etched. The laser beam modifies the glass material by being incident on this front-side. The influence of ablation fluence in the nanosecond regime, in combination with the deposition of the aluminum layer of various thicknesses, is investigated by determining the ablation threshold for different glass materials including soda-lime, borosilicate, fused silica and sapphire. Experiments are performed using single laser pulse per shot in an air environment. The best enhancement in terms of threshold fluence reduction is obtained for a 16 nm thick aluminum layer where a reduction of two orders of magnitude in the ablation threshold fluence is observed for all the glass samples investigated in this work.     

Femtosecond laser ablation of silicon–modification thresholds and morphology

We investigated the initial modification and ablation of crystalline silicon with single and multiple Ti:sapphire laser pulses of 5 to 400 fs duration. In accordance with earlier established models, we found the phenomena amorphization, melting, re-crystallization, nucleated vaporization, and ablation to occur with increasing laser fluence down to the shortest pulse durations. We noticed new morphological features (bubbles) as well as familiar ones (ripples, columns). A nearly constant ablation threshold fluence on the order of 0.2 J/cm² for all pulse durations and multiple-pulse irradiation was observed. For a duration of ≈100 fs, significant incubation can be observed, whereas for 5 fs pulses, the ablation threshold does not depend on the pulse number within the experimental error. For micromachining of silicon, a pulse duration of less than 500 fs is not advantageous. Received: 4 December 2000 / Revised version: 29 March 2001 / Published online: 20 June 2001     

Femtosecond pulsed laser ablation of 3CSiC thin film on silicon

A femtosecond pulsed Ti:sapphire laser (pulse width=120 fs, wavelength=800 nm, repetition rate=1 kHz) was employed to perform laser ablation of 1-m-thick silicon carbide (3CSiC) films grown on silicon substrates. The threshold fluence and ablation rate, useful for the micromachining of the 3CSiC films, were experimentally determined. The material removal mechanisms vary depending on the applied energy fluence. At high laser fluence, a thermally dominated process such as melting, boiling and vaporizing of single-crystal SiC occurs. At low laser fluence, the ablation is a defect-activation process via incubation, defect accumulation, formation of nanoparticles and final vaporization of boundaries. The defect-activation process reduces the ablation threshold fluence and enhances lateral and vertical precision as compared to the thermally dominated mechanism. Helium, as an assistant gas, plays a major role in improving the processing quality and ablation rate of SiC thin films due to its inertness and high first ionization energy. PACS 79.20.Ds; 42.62.Cf; 42.70.Qs; 61.72; 61.46     

Dynamics of excimer laser ablation of polyimide determined by time-resolved reflectivity

The time-dependent intensity profile of pulsed KrF excimer laser radiation reflected from polyimide is determined over a range of laser fluences, from well below to above the ablation threshold. The reflected laser beam is truncated once the incident laser radiation exceeds a threshold fluence, i.e., truncation depends on the energy per unit area and not on the intensity, analogous to results for the ablation threshold and the etch depth per pulse. The threshold fluence for pulse truncation corresponds to the onset of ablation. The results indicate that the truncation is not due to laser plasma interactions at these fluences. A general mechanism is discussed involving a time dependent index of refraction.     

飞秒激光的波长对SiC材料烧蚀的影响

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面,研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明,可见光区随波长增加,烧蚀阈值从0.29J/cm2增加到0.67J/cm2;而在近红外区,SiC的烧蚀阈值为0.70J/cm2左右,基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果,可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中,在近红外区,光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区,光致电离的作用相对大一些。     

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

飞秒激光微加工Au膜

飞秒激光微加工薄膜对于MEMS设备的制造是一个急需的技术。文章使用波长为775 nm的Ti: sapphire飞秒激光器(脉宽约为130 fs, 频率为1 000 Hz)研究厚度为4 μm的Au薄膜,在不同加工参数下的结构特性,发现单脉冲消融时消融直径随着脉冲能量的增大而增大。当单脉冲能量一定时,消融直径随着脉冲的个数变化不大。计算得到Au膜的单脉冲消融阈值为F_th＝0.7 J·cm-2,使用脉冲能量略大于阈值时,在薄膜上所划出的线为凸起状;当超过阈值时所得直线为凹起状。同时发现在脉冲能量一定时所得线宽随着加工速度的增加而减小;当加工速度一定时线宽随着能量的增加而增大。