脈沖激光束燒蝕KTiOAsO-,4-、KTiOPO-,4-和SiC材料產(chǎn)生等離子體特性研究.pdf

1、最近幾年,由于脈沖激光誘導(dǎo)等離子體的獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值,在諸多領(lǐng)域都展示出巨大的應(yīng)用前景,引起了研究人員極大興趣,例如:(1)采用高功率激光加熱飛行器發(fā)動機(jī)中的推進(jìn)劑,使其溫度急劇上升,形成高溫高壓等離子體,等離子體瞬間膨脹時(shí)可以提供給飛行器極高的推進(jìn)比沖(500-1000s),將其推向更高空間。激光誘導(dǎo)等離子體的推進(jìn)研究不僅大大擴(kuò)展了推進(jìn)技術(shù)的研究領(lǐng)域,必將加快人類探索太陽系甚至更廣泛空間領(lǐng)域的進(jìn)度；(2)脈沖激光誘導(dǎo)等離子體光譜診斷技術(shù)不

2、僅可以實(shí)時(shí)檢測各種固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)材料中的多種元素成份,而且還能快速確定各元素的含量,是微量元素分析領(lǐng)域非常理想的診斷技術(shù)；(3)激光燒蝕固體靶材料可以沉積制備種類繁多的高質(zhì)量薄膜材料,具有極大的兼容性。目前已成功制備出具有高溫超導(dǎo)特性、良好絕緣性的電器元件,以及優(yōu)良抗磨損性薄膜材料,采用該項(xiàng)技術(shù)制備的薄膜材料還能應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物相容性器件。
　　 激光誘導(dǎo)等離子體應(yīng)用的迅猛發(fā)展迫切需要對激光燒蝕過程、汽化物質(zhì)蒸發(fā)輸運(yùn)過程以

3、及等離子體中電離過程進(jìn)行系統(tǒng)深入研究,這是改善現(xiàn)有應(yīng)用和開發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵所在。研究等離子體的電子溫度、密度以及離子飛行速度是描述和表征等離子體復(fù)雜特性的最有效途徑,因此本論文主要采用光譜分析技術(shù)重點(diǎn)研究納秒脈沖激光束燒蝕KTiOPO4(KTP)、KTiOAsO4(KTA)和SiC晶體材料產(chǎn)生等離子體參數(shù)的空間分布特點(diǎn)和時(shí)間演化規(guī)律,粒子的飛行速度分布特性。以期通過本論文的研究,為深入掌握等離子體特性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),這些基礎(chǔ)規(guī)律及特性的

4、系統(tǒng)研究必將對現(xiàn)在及未來的廣闊應(yīng)用產(chǎn)生一定影響。
　　 激光誘導(dǎo)等離子體特性與入射激光功率有著極其密切關(guān)系。在論文中,我們詳細(xì)研究了不同功率的Nd:YAG激光束燒蝕KTA晶體產(chǎn)生等離子體參數(shù)的空間和時(shí)間演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,燒蝕產(chǎn)生的等離子體參數(shù)(電子溫度和密度)在其每一延遲時(shí)刻的測量值都隨著入射激光能量增強(qiáng)而顯著增加,同時(shí)隨著激光能量的增加,等離子體演化壽命也隨之延長。將激光功率從1.68增加到2.54GW/cm2,等離子體

5、譜線壽命從500ns增加到700ns,同時(shí)入射激光功率也影響演化過程中每一時(shí)刻的參數(shù)值,在延遲時(shí)刻500ns,電子溫度從1.55eV變化到1.97eV。如果激光能量進(jìn)一步增加,等離子體參數(shù)及其演化壽命同時(shí)達(dá)到飽和,不再發(fā)生改變。
　　 在入射激光功率相同的條件下,采用532nm和1064nm波長的激光束分別燒蝕KTP晶體,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,532nm激光束燒蝕產(chǎn)生等離子體膨脹速度更快,電子溫度在其時(shí)間演化過程中最高達(dá)到2.2eV,而

6、在1064nm激光條件下只能達(dá)到1.9ev。短波長532nm激光燒蝕KTP晶體更容易產(chǎn)生高溫等離子體。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為高功率短波長激光燒蝕制備氧化物薄膜奠定基礎(chǔ)。
　　 我們實(shí)驗(yàn)測量并計(jì)算了Nd:YAG脈沖激光束燒蝕SiC材料產(chǎn)生等離子體的電子溫度和密度空間分布的詳細(xì)情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),將入射激光功率從0.24GW/cm2增加到1.66GW/cm2過程中,沿著靶表面垂直方向,無論是通過測量電子溫度和密度的空間分布來推斷等離子體核心尺寸還是

7、采用高分辨率相機(jī)直接測量,等離子體核心尺寸幾乎保持恒定不變,只有等離子體的尾部尺寸隨著激光功率的增強(qiáng)而發(fā)生明顯增大。并且還注意到電子密度數(shù)值在高功率激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體尾部范圍內(nèi)有明顯的波動現(xiàn)象,這很有可能引起激光沉積鍍膜中缺陷的出現(xiàn)。我們在論文中采用等離子體自調(diào)節(jié)吸收機(jī)制和等離子體對入射激光的屏蔽原理對所觀測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予合理詳細(xì)的分析。
　　 我們還分析了等離子體中Si原子(633.19nm)和離子(634.71、637.

8、13 nm)特征譜線隨時(shí)間延遲和空間變化的演化特性。在大約2.7 Pa的真空條件下,我們發(fā)現(xiàn)Si原子(633.19nm)在空間分布上延續(xù)很長,從等離子體近表面處一直延續(xù)到等離子體尾端(16mm)都能清晰觀測到該譜線的存在。然而在時(shí)間演化分析中,Si原子的633.19nm發(fā)射的譜線卻僅僅能夠在等離子體膨脹早期的175ns內(nèi)存在,與Si離子的634.71和637.14nm演化時(shí)間(430ns)相比,該原子譜線演化壽命很短。隨著環(huán)境氣體壓強(qiáng)增

9、加到105Pa,由于粒子間碰撞加劇,該譜線徹底消失。伴隨著Si原子譜線的消失,從真空條件變化到常壓,Si離子634.71和637.13nm譜線強(qiáng)度卻能大大提高,尤其是637.13nm譜線最高強(qiáng)度幾乎是真空條件下的五倍左右,譜線的演化時(shí)間也從430ns左右增加到1.428×104 ns。我們通過理論計(jì)算激光燒SiC蝕材料產(chǎn)生的蒸汽壓強(qiáng)的演化規(guī)律,合理地解釋了上述實(shí)驗(yàn)中的典型粒子時(shí)間演化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí):在脈沖激光沉積制備SiC薄膜過程中

10、,環(huán)境氣體壓強(qiáng)能夠改變等離子體組分,有利于致密均勻SiC薄膜的形成。
　　 我們在入射激光功率為0.484 GW/cm2條件下燒蝕SiC材料,通過飛行時(shí)間譜的記錄和分析,對等離子體動力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究。我們發(fā)現(xiàn)非常有意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Si離子634.71nm譜線峰值沿著垂直于靶表面方向呈現(xiàn)不同速度分布區(qū)域:靶表面附近處,譜線峰值的時(shí)間延遲隨著靶表面距離的增加呈現(xiàn)線性變化,離子以勻速度在此空間區(qū)域內(nèi)飛行；當(dāng)在距離較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)(5.5-