藍(lán)寶石作為一種典型的寬帶隙半導(dǎo)體材料具有良好的理化特性,在機(jī)械電子、航空航天、微電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.本文提出采用納飛秒雙束激光進(jìn)行藍(lán)寶石加工的方法,利用飛秒脈沖峰值功率高的特性,通過(guò)多光子電離與碰撞電離,激發(fā)藍(lán)寶石表面自由電子從而提高了藍(lán)寶石對(duì)納秒激光的吸收率,同時(shí)利用納秒激光能量相對(duì)較大,技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石材料的高質(zhì)高效加工.為了揭示納飛秒雙束激光與藍(lán)寶石材料的能量耦合機(jī)制,采用Fokker-Plank方程、Drude模型、雙溫模型對(duì)飛秒激光誘發(fā)的自由電子的演化過(guò)程及自由電子與入射激光之間的相互作用進(jìn)行研究,并通過(guò)有限元仿真模擬了納飛秒雙激光與藍(lán)寶石材料相互作用的能量耦合過(guò)程與蝕除過(guò)程,分析了納飛秒雙脈沖激光作用下,不同脈沖延時(shí)下等離子濃度的時(shí)空演化規(guī)律及其對(duì)入射激光吸收系數(shù)及反射率等表面光學(xué)特性的影響規(guī)律,揭示了納飛秒雙激光高效高質(zhì)加工藍(lán)寶石材料的機(jī)理.該研究對(duì)實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石等寬帶隙半導(dǎo)體等脆硬材料的高質(zhì)高效加工具有重要意義. 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2020,50(03)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)仿真模型.(a)模型網(wǎng)格劃分;(b)邊界條件

受自由電子濃度的調(diào)控,入射激光光強(qiáng)的時(shí)空分布也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化,如圖6所示.由于藍(lán)寶石是一種透明材料,在波長(zhǎng)0.2–5μm時(shí),其透過(guò)率在85%以上,幾乎不發(fā)生反射;在0–200 fs的范圍內(nèi),尚未發(fā)生雪崩電離,由于多光子電離產(chǎn)生的自由電子濃度較低,其對(duì)入射飛秒脈沖作用較小,因此初始階段反射率和吸收系數(shù)很小,各深度處的激光強(qiáng)度與入射飛秒激光差別很小.隨著自由電子濃度的增大,入射激光強(qiáng)度隨深度迅速衰減.這主要是因?yàn)檠┍离婋x發(fā)生后,大量自由電子的形成,使材料表面具有了金屬特性,表面反射率、吸收系數(shù)迅速增大.圖5(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)600 fs時(shí),自由電子濃度的空間分布

圖4(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)對(duì)稱(chēng)軸處不同深度自由電子濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律.(a)時(shí)間0–1 ps;(b)時(shí)間0–6 ns圖7和8顯示了飛秒激光作用下藍(lán)寶石的表面反射率、吸收系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律.激光輻照之前,工件表面的反射率和吸收率幾乎為零,隨著激光輻照,表面自由電子濃度不斷增大,在220 fs達(dá)到自由電子閾值濃度后,工件表面對(duì)激光的反射率和吸收率迅速增長(zhǎng),工件表面的反射率在220 fs左右,從0迅速增大到0.95左右,表面的吸收系數(shù)達(dá)到3×107m-1,隨著深度的增加,吸收系數(shù)迅速下降,這將導(dǎo)致激光能量在表面就被迅速吸收.當(dāng)飛秒脈沖結(jié)束后,失去了外部能量的激勵(lì),自由電子濃度開(kāi)始下降,工件表面的吸收系數(shù)、反射率也隨之下降.


本文編號(hào)：3315560