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     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

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。     

飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好.     

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。     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

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     

超短脉冲激光烧蚀石墨产生的喷射物的时间分辨发射光谱研究

本文使用不同激光能流(18 J/cm²–115 J/cm²)和脉冲宽度(50 fs–4 ps)的超短脉冲激光在真空中(4×10^-4 Pa)烧蚀高定向热解石墨. 通过测量烧蚀喷射物的时间分辨发射光谱研究喷射物的超快时间演化. 在喷射物发射光谱中, 观察到了C₂基团的天鹅带光谱系统, 416 nm附近C₁₅基团的由电子能级¹Σ_u⁺ 和¹Σ_g⁺之间的振动跃迁产生的光谱峰以及连续谱. 50 fs, 115 J/cm²的脉冲激光烧蚀产生的喷射物的连续谱的强度衰减分为快速下降和慢速下降两个阶段(以20 ns时间延迟为分界). 这表明连续谱是由两种不同的组分贡献的. 快速下降阶段, 连续谱主要由碳等离子体通过韧致辐射产生; 慢速下降阶段, 连续谱主要由烧蚀后期产生的大颗粒碳簇的热辐射贡献. 实验结果还揭示了激光能流的提高, 会明显增加喷射物中碳等离子体和激发态C₂的含量, 但对质量稍大的C₁₅的影响较小; 此外, 50 fs脉冲激光烧蚀产生的连续谱的存在时间会随着激光能流的减小而增大, 这说明低能流更有利于在烧蚀后期产生碳簇. 脉宽主要影响喷射物连续谱的时间演化. 4 ps脉冲激光烧蚀产生的连续谱的整个时间演化过程明显慢于50 fs脉冲产生的连续谱.     

飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金的蚀除机理

结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光脉冲辐照B2结构镍钛合金时烧蚀阈值附近的靶材蚀除机制,数值模拟了中心波长为800nm,脉宽为100fs,能量密度为25~50mJ/cm2的激光与90nm厚B2结构镍钛合金薄膜相互作用过程。确定了脉宽为100fs的脉冲激光与镍钛形状记忆合金相互作用的烧蚀阈值,发现烧蚀阈值条件下,靶材的蚀除机制是单纯基于应力作用的机械破碎;烧蚀阈值附近,未蚀除靶材受热影响发生无序化相变的区域较小,且随激光能量密度的降低而减小。提高激光功率密度,烧蚀同时呈现热机械蚀除和机械破碎机制。     

硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化

 对飞秒激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了实验测量，对从1s到60fs不同脉宽激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了讨论。实验数据表明，在1s到10ns脉宽范围内损伤所需能量密度近似而非严格地与脉宽的平方根成正比。信号分析表明硅光电二极管的损伤主要由热效应造成，而60fs激光辐照下的损伤阈值为0.1J/cm2，明显偏离普通温度分布预言的趋势。     

单脉冲飞秒脉冲激光对单层和高反光学薄膜的损伤

用电子束蒸发的方法在BK7玻璃上制备了ZrO2单层膜和ZrO2/SiO2高反膜,利用掺Ti:sapphire飞秒激光系统输出的中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲对这两种样品进行了激光损伤阈值测试.实验结果表明,ZrO2单层膜的阈值比ZrO2/SiO2高反膜的高;这与传统的纳秒脉冲激光的损伤情况相反.利用光离化和碰撞离化激发电子到导带,形成电子等离子体基本模型并对此现象进行了解释.同时,用显微镜对样品的损伤形貌进行了观测,对损伤的特点进行了表征.     

Femtosecond and nanosecond laser damage thresholds of doped and undoped triazenepolymer thin films

The influence of pulse duration on the laser-induced damage in undoped or infrared-absorbing-dye doped thin triazenepolymer films on glass substrates has been investigated for single, near-infrared (800 nm) Ti:sapphire laser pulses with durations ranging from 130 fs up to 540 fs and complementarily for infrared (1064 nm) Nd:YAG ns-laser single-pulse irradiation. The triazenepolymer material has been developed for high resolution ablation with irradiation at 308 nm. Post-irradiation optical microscopy observations have been used to determine quantitatively the threshold fluence for permanent laser damage. In contrast to our previous studies on a triazenepolymer with different composition [J. Bonse, S.M. Wiggins, J. Solis, T. Lippert, Appl. Surf. Sci. 247 (2005) 440], a significant dependence of the damage threshold on the pulse duration is found in the sub-picosecond regime with values ranging from ∼500 mJ/cm² (130 fs) up to ∼1500 mJ/cm² (540 fs). Other parameters such as the film thickness (50 nm and 1.1 μm samples) or the doping level show no significant influence on the material behavior upon irradiation. The results for fs- and ns-laser pulse irradiation are compared and analyzed in terms of existent ablation models.     

Selective ablation of thin SiO<Subscript>2</Subscript> layers on silicon substrates by femto- and picosecond laser pulses

The selective ablation of thin (∼100 nm) SiO₂ layers from silicon wafers has been investigated by applying ultra-short laser pulses at a wavelength of 800 nm with pulse durations in the range from 50 to 2000 fs. We found a strong, monotonic decrease of the laser fluence needed for complete ablation of the dielectric layer with decreasing pulse duration. The threshold fluence for 100% ablation probability decreased from 750 mJ/cm² at 2 ps to 480 mJ/cm² at 50 fs. Significant corruption of the opened Si surface has been observed above ∼1200 mJ/cm², independent of pulse duration. By a detailed analysis of the experimental series the values for melting and breaking thresholds are obtained; the physical mechanisms responsible for the significant dependence on the laser pulse duration are discussed.     

Micro patterning of fused silica by laser ablation mediated by solid coating absorption

Precise patterning by laser ablation requires sufficient absorption. For weak absorbers like fused silica indirect methods using external absorbers have been developed. A novel approach using a solid SiO absorber coating is described. Irradiation by an ArF excimer laser (wavelength 193 nm) is leading to ablation of the coating and, at sufficiently high fluence, of the fused silica substrate. The remaining coating in the unexposed areas is removed afterwards by large area irradiation. The fluence threshold for substrate ablation using a 28 nm thick absorber layer is about 1.1 J/cm². Single pulse ablation rates of up to 800 nm and a surface roughness of R _a<5 nm are obtained. High resolution grating patterns with 400 nm period and a modulation depth of 80 nm are possible. The process can be described as controlled plasma mediated ablation.     

CCD在fs激光辐照下的损伤研究

 用脉宽为60 fs、波长为800 nm的 fs激光辐照电荷耦合器件,研究了电荷耦合器件在fs激光作用下的失效问题。实验得到fs激光作用下电荷耦合器件的失效阈值为4.22×10^－3 J/cm²。这比ns激光作用下电荷耦合器件的损伤阈值低2～3个量级。对该器件进行显微观测,在光敏元上没有发现损伤,但在器件的栅极上发现了明显的激光引起的损伤痕迹。     

用1064nm激光增强HfO2/SiO2薄膜的抗激光损伤能力的实验研究

 用1 064nm激光实验研究了HfO₂/SiO₂薄膜的激光损伤增强效应，实验以薄膜激光损伤阈值70%的激光能量开始，采用N-ON-1方式处理薄膜，激光脉冲的能量增量为5J/cm²。实验结果表明，激光处理薄膜表面能使激光损伤阈值平均提高到3倍左右，并且薄膜的损伤尺度也明显减小。对有缺陷的薄膜，其缺陷经低能量激光后熔和消除，其抗激光损伤能力得到增强，但增强得并不显著，而薄膜本身的激光预处理，可以使其激光损伤阈值大大提高。