长脉冲激光诱导单晶硅产生等离子体特性
发布时间：2021-04-05 11:39
针对毫秒脉冲激光诱导单晶硅产生等离子体演化规律,利用光学阴影成像法研究单晶硅燃烧波膨胀过程,分析不同时刻等离子体状态,采用双端口光谱仪分析等离子体光谱,计算等离子体的主要特征参数.结果表明:随着激光能量密度的增加,燃烧波膨胀距离和膨胀速度增大,径向膨胀速度小于轴向膨胀速度;等离子体主要在单晶硅表面附近加速最大;等离子体膨胀时,观察到长脉冲特有的喷溅现象;激光能量密度在337.0～659.7 J/cm2之间时,电子温度量级为104K,等离子体电子温度、电子密度随激光能量密度增加而增加.
【文章来源】：沈阳工业大学学报. 2020,42(04)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
单晶硅等离子体测量系统
利用高速相机记录不同时刻单晶硅燃烧波的膨胀瞬间，如图2所示．图2a、b对应的激光能量密度分别为1 307.1、2 112.6 J/cm2．毫秒脉冲激光烧蚀单晶硅时，等离子体的产生发生在脉冲结束前，燃烧波在激光作用初期产生并开始膨胀．单晶硅燃烧波外边界均随着时间的增加而向外扩散，逆激光入射方向扩散程度最大，形状由近规则的半圆形向分散状态演化．激光密度较大时，观察到喷溅现象，激光能量密度越大，燃烧波边界膨胀距离越大．单晶硅受到毫秒脉冲激光作用后，形成的等离子体脱离单晶硅，产生燃烧波向外膨胀的现象，在燃烧波逆光路的轴向膨胀过程中伴随着径向膨胀．毫秒脉冲激光作用时间较长，等离子体继续吸收后续激光能量，使燃烧波膨胀获得动力源，燃烧波在各个方向的膨胀获得加速．较低能量密度激光作用单晶硅的燃烧波轴向膨胀速度演化如图3所示．单晶硅表面原子的电子在激光作用下受激，硅表面被迅速加热而产生材料喷射，产生由电子、离子、原子组成的等离子体．膨胀速度随时间增加先增加后减小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始阶段，等离子体的体积膨胀压强高于空气压强，膨胀速度迅速增加，随着激光作用时间延长，虽然等离子体内粒子数会增多，但膨胀的进行导致粒子的平均自由程变长，粒子间碰撞几率减小，等离子体内能转化为动能减少，所以燃烧波边界速度的变化逐渐变缓．随着激光能量密度的增加，燃烧波膨胀速度增加．
较低能量密度激光作用单晶硅的燃烧波轴向膨胀速度演化如图3所示．单晶硅表面原子的电子在激光作用下受激，硅表面被迅速加热而产生材料喷射，产生由电子、离子、原子组成的等离子体．膨胀速度随时间增加先增加后减小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始阶段，等离子体的体积膨胀压强高于空气压强，膨胀速度迅速增加，随着激光作用时间延长，虽然等离子体内粒子数会增多，但膨胀的进行导致粒子的平均自由程变长，粒子间碰撞几率减小，等离子体内能转化为动能减少，所以燃烧波边界速度的变化逐渐变缓．随着激光能量密度的增加，燃烧波膨胀速度增加．图4为单脉冲条件下单晶硅等离子体特征光谱．在激光作用初期，由于吸收激光能量，单晶硅表面温度急剧升高，出现汽化现象，在单晶硅表面产生硅蒸汽，硅蒸汽进一步吸收激光后续能量，导致硅蒸汽发生电离，产生的等离子体沿单晶硅表面法线方向快速膨胀，产生激光致燃，即燃烧波的点燃．激光致燃烧波对单晶硅产生极高的冲力和表面热辐射，使单晶硅产生致燃损伤．
【参考文献】：
期刊论文
[1]低碳钢与铝合金异种金属搭接激光-滚轮焊接[J]. 徐国建,张国瑜,李午红,杭争翔,邱晓杰. 沈阳工业大学学报. 2019(02)
[2]激光诱导Cu等离子体特性研究[J]. 傅院霞,王莉,马龙颍,徐丽,屈苏平. 原子与分子物理学报. 2019(02)
[3]飞秒激光烧蚀硅晶等离子体光斑集成小波处理[J]. 王福斌,李鑫,武晨,刘洋,陈至坤. 激光杂志. 2017(11)
[4]激光产生的硅等离子体辐射动力学特性研究[J]. 敏琦,苏茂根,曹世权,孙对兄,董晨钟. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(08)
[5]空气中和水下激光等离子体冲击波对硅表面形貌的影响[J]. 周子豪,李晓红,谢长鑫,朱敏,冯杰. 激光与光电子学进展. 2015(10)
[6]毫秒脉冲激光诱导金属铝等离子体膨胀研究[J]. 王頔,金光勇,高勋,魏智. 长春理工大学学报(自然科学版). 2015(01)
本文编号：3119565
【文章来源】：沈阳工业大学学报. 2020,42(04)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
单晶硅等离子体测量系统
利用高速相机记录不同时刻单晶硅燃烧波的膨胀瞬间，如图2所示．图2a、b对应的激光能量密度分别为1 307.1、2 112.6 J/cm2．毫秒脉冲激光烧蚀单晶硅时，等离子体的产生发生在脉冲结束前，燃烧波在激光作用初期产生并开始膨胀．单晶硅燃烧波外边界均随着时间的增加而向外扩散，逆激光入射方向扩散程度最大，形状由近规则的半圆形向分散状态演化．激光密度较大时，观察到喷溅现象，激光能量密度越大，燃烧波边界膨胀距离越大．单晶硅受到毫秒脉冲激光作用后，形成的等离子体脱离单晶硅，产生燃烧波向外膨胀的现象，在燃烧波逆光路的轴向膨胀过程中伴随着径向膨胀．毫秒脉冲激光作用时间较长，等离子体继续吸收后续激光能量，使燃烧波膨胀获得动力源，燃烧波在各个方向的膨胀获得加速．较低能量密度激光作用单晶硅的燃烧波轴向膨胀速度演化如图3所示．单晶硅表面原子的电子在激光作用下受激，硅表面被迅速加热而产生材料喷射，产生由电子、离子、原子组成的等离子体．膨胀速度随时间增加先增加后减小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始阶段，等离子体的体积膨胀压强高于空气压强，膨胀速度迅速增加，随着激光作用时间延长，虽然等离子体内粒子数会增多，但膨胀的进行导致粒子的平均自由程变长，粒子间碰撞几率减小，等离子体内能转化为动能减少，所以燃烧波边界速度的变化逐渐变缓．随着激光能量密度的增加，燃烧波膨胀速度增加．
较低能量密度激光作用单晶硅的燃烧波轴向膨胀速度演化如图3所示．单晶硅表面原子的电子在激光作用下受激，硅表面被迅速加热而产生材料喷射，产生由电子、离子、原子组成的等离子体．膨胀速度随时间增加先增加后减小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始阶段，等离子体的体积膨胀压强高于空气压强，膨胀速度迅速增加，随着激光作用时间延长，虽然等离子体内粒子数会增多，但膨胀的进行导致粒子的平均自由程变长，粒子间碰撞几率减小，等离子体内能转化为动能减少，所以燃烧波边界速度的变化逐渐变缓．随着激光能量密度的增加，燃烧波膨胀速度增加．图4为单脉冲条件下单晶硅等离子体特征光谱．在激光作用初期，由于吸收激光能量，单晶硅表面温度急剧升高，出现汽化现象，在单晶硅表面产生硅蒸汽，硅蒸汽进一步吸收激光后续能量，导致硅蒸汽发生电离，产生的等离子体沿单晶硅表面法线方向快速膨胀，产生激光致燃，即燃烧波的点燃．激光致燃烧波对单晶硅产生极高的冲力和表面热辐射，使单晶硅产生致燃损伤．
【参考文献】：
期刊论文
[1]低碳钢与铝合金异种金属搭接激光-滚轮焊接[J]. 徐国建,张国瑜,李午红,杭争翔,邱晓杰. 沈阳工业大学学报. 2019(02)
[2]激光诱导Cu等离子体特性研究[J]. 傅院霞,王莉,马龙颍,徐丽,屈苏平. 原子与分子物理学报. 2019(02)
[3]飞秒激光烧蚀硅晶等离子体光斑集成小波处理[J]. 王福斌,李鑫,武晨,刘洋,陈至坤. 激光杂志. 2017(11)
[4]激光产生的硅等离子体辐射动力学特性研究[J]. 敏琦,苏茂根,曹世权,孙对兄,董晨钟. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(08)
[5]空气中和水下激光等离子体冲击波对硅表面形貌的影响[J]. 周子豪,李晓红,谢长鑫,朱敏,冯杰. 激光与光电子学进展. 2015(10)
[6]毫秒脉冲激光诱导金属铝等离子体膨胀研究[J]. 王頔,金光勇,高勋,魏智. 长春理工大学学报(自然科学版). 2015(01)
本文编号：3119565
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