基于纳飞秒双脉冲激光的蓝宝石蚀除研究

发布时间：2021-08-01 12:50

　　蓝宝石作为一种典型的宽带隙半导体材料具有良好的理化特性,在机械电子、航空航天、微电子等领域具有广阔的应用前景.本文提出采用纳飞秒双束激光进行蓝宝石加工的方法,利用飞秒脉冲峰值功率高的特性,通过多光子电离与碰撞电离,激发蓝宝石表面自由电子从而提高了蓝宝石对纳秒激光的吸收率,同时利用纳秒激光能量相对较大,技术成熟的优势,实现对蓝宝石材料的高质高效加工.为了揭示纳飞秒双束激光与蓝宝石材料的能量耦合机制,采用Fokker-Plank方程、Drude模型、双温模型对飞秒激光诱发的自由电子的演化过程及自由电子与入射激光之间的相互作用进行研究,并通过有限元仿真模拟了纳飞秒双激光与蓝宝石材料相互作用的能量耦合过程与蚀除过程,分析了纳飞秒双脉冲激光作用下,不同脉冲延时下等离子浓度的时空演化规律及其对入射激光吸收系数及反射率等表面光学特性的影响规律,揭示了纳飞秒双激光高效高质加工蓝宝石材料的机理.该研究对实现蓝宝石等宽带隙半导体等脆硬材料的高质高效加工具有重要意义. 

【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(03)北大核心CSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

(网络版彩图)仿真模型.(a)模型网格划分;(b)边界条件

受自由电子浓度的调控,入射激光光强的时空分布也产生了相应的变化,如图6所示.由于蓝宝石是一种透明材料,在波长0.2–5μm时,其透过率在85%以上,几乎不发生反射;在0–200 fs的范围内,尚未发生雪崩电离,由于多光子电离产生的自由电子浓度较低,其对入射飞秒脉冲作用较小,因此初始阶段反射率和吸收系数很小,各深度处的激光强度与入射飞秒激光差别很小.随着自由电子浓度的增大,入射激光强度随深度迅速衰减.这主要是因为雪崩电离发生后,大量自由电子的形成,使材料表面具有了金属特性,表面反射率、吸收系数迅速增大.图5(网络版彩图)600 fs时,自由电子浓度的空间分布

图4(网络版彩图)对称轴处不同深度自由电子浓度随时间的变化规律.(a)时间0–1 ps;(b)时间0–6 ns图7和8显示了飞秒激光作用下蓝宝石的表面反射率、吸收系数随时间的变化规律.激光辐照之前,工件表面的反射率和吸收率几乎为零,随着激光辐照,表面自由电子浓度不断增大,在220 fs达到自由电子阈值浓度后,工件表面对激光的反射率和吸收率迅速增长,工件表面的反射率在220 fs左右,从0迅速增大到0.95左右,表面的吸收系数达到3×107m-1,随着深度的增加,吸收系数迅速下降,这将导致激光能量在表面就被迅速吸收.当飞秒脉冲结束后,失去了外部能量的激励,自由电子浓度开始下降,工件表面的吸收系数、反射率也随之下降.


本文编号：3315560