針對毫秒脈沖激光誘導單晶硅產(chǎn)生等離子體演化規(guī)律,利用光學陰影成像法研究單晶硅燃燒波膨脹過程,分析不同時刻等離子體狀態(tài),采用雙端口光譜儀分析等離子體光譜,計算等離子體的主要特征參數(shù).結(jié)果表明:隨著激光能量密度的增加,燃燒波膨脹距離和膨脹速度增大,徑向膨脹速度小于軸向膨脹速度;等離子體主要在單晶硅表面附近加速最大;等離子體膨脹時,觀察到長脈沖特有的噴濺現(xiàn)象;激光能量密度在337.0～659.7 J/cm²之間時,電子溫度量級為10⁴K,等離子體電子溫度、電子密度隨激光能量密度增加而增加. 

【文章來源】：沈陽工業(yè)大學學報. 2020,42(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

單晶硅等離子體測量系統(tǒng)

利用高速相機記錄不同時刻單晶硅燃燒波的膨脹瞬間，如圖2所示．圖2a、b對應(yīng)的激光能量密度分別為1 307.1、2 112.6 J/cm2．毫秒脈沖激光燒蝕單晶硅時，等離子體的產(chǎn)生發(fā)生在脈沖結(jié)束前，燃燒波在激光作用初期產(chǎn)生并開始膨脹．單晶硅燃燒波外邊界均隨著時間的增加而向外擴散，逆激光入射方向擴散程度最大，形狀由近規(guī)則的半圓形向分散狀態(tài)演化．激光密度較大時，觀察到噴濺現(xiàn)象，激光能量密度越大，燃燒波邊界膨脹距離越大．單晶硅受到毫秒脈沖激光作用后，形成的等離子體脫離單晶硅，產(chǎn)生燃燒波向外膨脹的現(xiàn)象，在燃燒波逆光路的軸向膨脹過程中伴隨著徑向膨脹．毫秒脈沖激光作用時間較長，等離子體繼續(xù)吸收后續(xù)激光能量，使燃燒波膨脹獲得動力源，燃燒波在各個方向的膨脹獲得加速．較低能量密度激光作用單晶硅的燃燒波軸向膨脹速度演化如圖3所示．單晶硅表面原子的電子在激光作用下受激，硅表面被迅速加熱而產(chǎn)生材料噴射，產(chǎn)生由電子、離子、原子組成的等離子體．膨脹速度隨時間增加先增加后減小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始階段，等離子體的體積膨脹壓強高于空氣壓強，膨脹速度迅速增加，隨著激光作用時間延長，雖然等離子體內(nèi)粒子數(shù)會增多，但膨脹的進行導致粒子的平均自由程變長，粒子間碰撞幾率減小，等離子體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能減少，所以燃燒波邊界速度的變化逐漸變緩．隨著激光能量密度的增加，燃燒波膨脹速度增加．

較低能量密度激光作用單晶硅的燃燒波軸向膨脹速度演化如圖3所示．單晶硅表面原子的電子在激光作用下受激，硅表面被迅速加熱而產(chǎn)生材料噴射，產(chǎn)生由電子、離子、原子組成的等離子體．膨脹速度隨時間增加先增加后減小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始階段，等離子體的體積膨脹壓強高于空氣壓強，膨脹速度迅速增加，隨著激光作用時間延長，雖然等離子體內(nèi)粒子數(shù)會增多，但膨脹的進行導致粒子的平均自由程變長，粒子間碰撞幾率減小，等離子體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能減少，所以燃燒波邊界速度的變化逐漸變緩．隨著激光能量密度的增加，燃燒波膨脹速度增加．圖4為單脈沖條件下單晶硅等離子體特征光譜．在激光作用初期，由于吸收激光能量，單晶硅表面溫度急劇升高，出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，在單晶硅表面產(chǎn)生硅蒸汽，硅蒸汽進一步吸收激光后續(xù)能量，導致硅蒸汽發(fā)生電離，產(chǎn)生的等離子體沿單晶硅表面法線方向快速膨脹，產(chǎn)生激光致燃，即燃燒波的點燃．激光致燃燒波對單晶硅產(chǎn)生極高的沖力和表面熱輻射，使單晶硅產(chǎn)生致燃損傷．

【參考文獻】：
期刊論文
[1]低碳鋼與鋁合金異種金屬搭接激光-滾輪焊接[J]. 徐國建,張國瑜,李午紅,杭爭翔,邱曉杰.  沈陽工業(yè)大學學報. 2019(02)
[2]激光誘導Cu等離子體特性研究[J]. 傅院霞,王莉,馬龍潁,徐麗,屈蘇平.  原子與分子物理學報. 2019(02)
[3]飛秒激光燒蝕硅晶等離子體光斑集成小波處理[J]. 王福斌,李鑫,武晨,劉洋,陳至坤.  激光雜志. 2017(11)
[4]激光產(chǎn)生的硅等離子體輻射動力學特性研究[J]. 敏琦,蘇茂根,曹世權(quán),孫對兄,董晨鐘.  中國科學:物理學 力學 天文學. 2016(08)
[5]空氣中和水下激光等離子體沖擊波對硅表面形貌的影響[J]. 周子豪,李曉紅,謝長鑫,朱敏,馮杰.  激光與光電子學進展. 2015(10)
[6]毫秒脈沖激光誘導金屬鋁等離子體膨脹研究[J]. 王頔,金光勇,高勛,魏智.  長春理工大學學報(自然科學版). 2015(01)



本文編號：3119565