飛秒脈沖激光對固體材料熱損傷的研究.pdf

1、隨著調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)成功地將超短脈沖激光的時間尺度從ns和ps量級壓縮到了fs量級；隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的不斷完善，人們已經(jīng)把激光脈沖的峰值功率提高了若干個數(shù)量級，從而使激光與物質(zhì)相互作用這一研究領(lǐng)域進入了一個全新的階段。 同連續(xù)激光和其他時間尺度脈沖激光器一樣，在超短脈沖激光器的使用過程中，所面臨的一個主要問題就是激光器的長期連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)問題。而這必然涉及到激光系統(tǒng)中的工作物質(zhì)、諧振腔鏡和輸出光路等幾個環(huán)節(jié)

2、及其組成元件的激光損傷問題。 其中的元件主要指的是激光器系統(tǒng)中的光學(xué)元件，如各種反射鏡、透鏡和窗口等，當(dāng)然也可以是整個激光檢測系統(tǒng)中所包含的各種光電元器件。除具體結(jié)構(gòu)上的差別之外，構(gòu)成各種元件的材料主要可以分為透明介質(zhì)、金屬和半導(dǎo)體等三大類。 以往的大量實驗研究已經(jīng)表明，在入射激光的脈沖寬度(FWHM)τ大于約10皮秒的情況下，大多數(shù)光學(xué)元件及材料的激光損傷閾值均較好地符合著名的τ<'1/2>標(biāo)度律，即各類元件或材料的激

3、光損傷閾值通量密度均大致與τ<'1/2>成正比。而這一標(biāo)度律是與經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)理論相一致的，或者說是經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)理論的必然結(jié)果。而當(dāng)脈寬降至約幾個皮秒以下后，激光損傷閾值通量密度F<,th>不再遵從τ<'1/2>標(biāo)度律?；蛘哒f，以往用來處理ns以上脈沖寬度激光損傷問題的經(jīng)典的傅立葉熱傳導(dǎo)方程以及經(jīng)典的熱應(yīng)力分析理論已經(jīng)失效，不再適用于飛秒激光條件下相關(guān)問題的研究。 有鑒于此，在本論文中，我們針對飛秒脈沖激光作用下的透明介質(zhì)

4、、金屬和半導(dǎo)體三類主要材料的損傷機制等國際上的熱點和難點問題，利用理論分析和數(shù)值模擬計算等方法，進行了以下的基礎(chǔ)性研究工作： 1．飛秒脈沖激光對透明介質(zhì)的損傷方面 在對材料的本征吸收和非本征吸收、雜質(zhì)和缺陷吸收、電子雪崩電離和多光子電離等損傷機制進行了比較詳細的分析后，介紹了Stuart等人所給出的描述透明介質(zhì)材料體內(nèi)自由電子密度變化過程的速率方程理論，并在光束尺寸遠大于自由電子的擴散長度和激光脈寬可比擬于自由電子弛豫時

5、間的雙重條件下，分別就指數(shù)形式和雙曲正割形式兩種超短激光脈沖，對上述速率方程進行了數(shù)學(xué)解析求解，求解的過程及對結(jié)果的數(shù)學(xué)表達形式，在國際上均未見相關(guān)的類似報道。 之后，針對波長為1053nm的飛秒脈沖激光，利用得到的一系列解析表達式，對不同時刻透明材料體內(nèi)的電子密度、損傷閾值與入射激光的脈沖寬度、峰值功率等諸多參數(shù)之間的關(guān)系，進行了模擬計算和分析。具體結(jié)論如下： (1)當(dāng)用入射激光的峰值功率密度描述透明介質(zhì)的損傷閾值時，

6、入射激光的脈沖寬度越短，則其所對應(yīng)的損傷閾值越高。如：300fs脈沖激光對熔石英的損傷閾值約為3.5TW/cm<'2>，而100fs脈沖激光的損傷閾值則約7.5TW/cm<'2>，而這與前人所得的結(jié)果符合得比較好。 (2)當(dāng)激光脈沖的特征寬度小于1000fs時，介質(zhì)損傷閾值輻照通量與入射激光脈寬之間具有較好的線性關(guān)系。而這也與前人的實驗結(jié)果相吻合。 第三章中，首先對微分之差商的近似表達的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、誤差、穩(wěn)定性、收斂性、差

7、分格式的精確度等進行了初步的介紹，并展開了必要的討論。其次，給出了在一維和高維空間中數(shù)值求解經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)方程的Crank-Nicolson隱式格式和D'Yakonov交替方向格式。最后，對用以描述熔融和汽化過程的、傅立葉熱傳導(dǎo)理論中的界面移動問題等，作了理論描述和公式推導(dǎo)，得出了界面位置的離散化方程。 第四章中，在對非Fourier熱傳導(dǎo)模型的發(fā)展歷程及其幾個有代表性的階段性理論，如：CV波理論、雙相遲滯模型、廣義時間遲滯模

8、型、拋物兩步模型、雙曲兩步模型等進行了簡要的介紹，在對非Fourier熱傳導(dǎo)的理論分析方法(如Boltzmann輸運理論和量子分子動力學(xué)方法等)進行了系統(tǒng)的介紹之后，又對微觀熱傳導(dǎo)模型的數(shù)學(xué)求解方法，如解析法和數(shù)值法的內(nèi)涵及發(fā)展歷程等進行了必要的歸納和總結(jié)。 在此基礎(chǔ)上，并基于Qiu，Chen和Kaiser等人的工作，提出了自己的雙溫雙曲模型。并詳細地介紹了該模型的建立過程及數(shù)值求解方法-具有人工粘性和時間步長自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的前

9、向差分算法。利用標(biāo)準(zhǔn)C語言編制了計算程序，在普通個人計算機上進行了模擬計算。對特定參數(shù)條件下的特定金屬材料薄膜-金膜表面及體內(nèi)的電子溫度、晶格溫度、電子熱流、晶格熱流等參量隨時間和空間的變化規(guī)律等，進行了詳細的計算與分析，所作的工作內(nèi)容在國際上均未見過類似的報道。具體的研究結(jié)論如下： (1)在t<,p>=0.14ps，J<,0>=4700J/m<'2>激光輻照下，計算所得到的厚度為200nm的金膜的損傷閾值為4700J/m<'2

10、>，而Al-Nimr等人在相同參數(shù)條件下所得到的實驗值為0.43±0.04J/cm<'2>。兩者之間符合得相當(dāng)好，也就驗證了所提出的理論模型的合理性和程序的正確性。 (2)在理論模型中，電子熱容這一參數(shù)選擇得是否合理，對電子的最大溫度及電子與晶格的熱平衡時間等，均會產(chǎn)生較大的影響，而電子熱導(dǎo)率對自由電子溫度的影響并不顯著。此外，電子-晶格之間的能量耦合過程對晶格溫度分布的影響，明顯低于晶格間熱傳導(dǎo)過程的影響。 (3)電子

11、熱流與電子溫度一樣，都具有明顯的尖峰結(jié)構(gòu)；而除了薄膜前表面以外，其他位置的熱流還都具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。 (4)電子熱流達到最大值比電子溫度達到最大值的時間稍微早一些：而在同一深度處，電子溫度較高時，所對應(yīng)的電子熱流也比較大。 此外，盡管與電子熱流相比，晶格熱流的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，但需要注意的是：在材料的光學(xué)吸收深度范圍內(nèi)，在越深的地方晶格的熱流也越大。而這也是單純的經(jīng)典傅立葉熱傳導(dǎo)理論所根本無法解釋的。其主要原因在于體系

12、高度的復(fù)雜性，如電子溫度概念的引入、電子與晶格相互作用過程的高度非線性等，具體原因的揭示也有待更加深入的理論分析和數(shù)值模擬計算等工作。 2．飛秒脈沖激光對半導(dǎo)體材料的損傷方面 由于無論是從電學(xué)特性還是從光學(xué)特性上講，金屬材料和透明介質(zhì)材料都應(yīng)該看作是半導(dǎo)體材料的一種極限情況——當(dāng)半導(dǎo)體材料中的自由載流子僅僅為電子而并非包含空穴的成分時，并且當(dāng)自由電子這種單純載流子的濃度趨近于材料中的晶格原子的濃度時，半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性

13、和光學(xué)特性就會強烈地體現(xiàn)出一種金屬材料的性質(zhì)；而當(dāng)半導(dǎo)體材料中的自由載流子的濃度趨近于無窮小或者遠遠低于材料晶格原子的濃度時，半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性和光學(xué)特性就會強烈地體現(xiàn)出一種透明介質(zhì)材料的性質(zhì)。 第五章中，對已有的半導(dǎo)體材料的激光損傷機制等進行了比較深入的分析、歸納和總結(jié)。具體內(nèi)容包括： (1)各類激光系統(tǒng)中用到的半導(dǎo)體材料可以分為無源光學(xué)材料和有源光學(xué)材料這樣兩類。無源光學(xué)材料的光學(xué)強度由激光損傷閾值(LIDT)來決

14、定，通常用能量密度(J/cm<'2>)或功率密度(W/cm<'2>)等來描述。而有源光學(xué)材料對應(yīng)的光學(xué)強度是由自損傷(Self-damage)現(xiàn)象的判斷來獲得，其對應(yīng)的是災(zāi)變光學(xué)損傷(COD)發(fā)生時所對應(yīng)的功率密度或能量密度。 (2)在LIDT的測量過程中，采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)既可以是光學(xué)損傷，也可以是電學(xué)損傷，還可以是表面形貌損傷。而有關(guān)COD的檢測，最早是以其電光曲線的突然非可逆性變化的測量來實現(xiàn)的，并在此之后附以表面損傷形貌的檢

15、測來完成的。 (3)與半導(dǎo)體材料的COD現(xiàn)象密切相關(guān)的一個問題就是LD系統(tǒng)的輸出功率與其壽命之間的關(guān)系問題：盡管材料的COD通常是采用逐漸增加激光系統(tǒng)輸出功率的測試方法獲得的。然而COD對LD系統(tǒng)的壽命也會產(chǎn)生一種必然的影響，其結(jié)果也是導(dǎo)致LD工作系統(tǒng)的突然失效。 此外，在本章中，還對半導(dǎo)體材料COD的機制和過程，以及改善半導(dǎo)體激光材料抗損傷閾值的方法等，作了概括性的說明。為下一章“飛秒脈沖激光對半導(dǎo)體材料損傷過程的理論

16、分析”打下了必要的理論基礎(chǔ)。 第六章中，基于對前一章內(nèi)容的總結(jié)，并在深入查閱大量相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對各類半導(dǎo)體材料的激光損傷機制及其過程等有了更深一步的認識： 當(dāng)亞皮秒超短脈沖激光與材料相互作用時，入射激光可以將材料價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，并可以使激發(fā)出的電子具有非常高的密度(10<'21>～10<'22>/cm<'3>)和溫度(>=1000K)。同時使大量的共價鍵遭到破損，產(chǎn)生一個以等離子體為中介的相變過程。在晶格

17、聲子加熱產(chǎn)生之前，晶格的穩(wěn)定性就已遭到了破壞，這就是所謂的非熱熔化過程。 基于上述的認識以及Chen等人于2005年公開發(fā)表的工作內(nèi)容，在本章中給出了一個比較完全的自恰場模型，其基于的是弛豫時間近似的Boltzmann方程，所考查的參量有電子和空穴等兩類載流子的密度、密度流、能流密度、載流子和晶格的溫度等之間的關(guān)系。 利用上述的自恰場模型及包含粘滯項的有限差分解法，即可完成超短脈沖激光輻照過程中，相應(yīng)半導(dǎo)體材料的載流子濃