飞秒激光烧蚀si的瞬态演化特性仿真

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时间:2018-07-28

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1、飞秒激光烧蚀Si的瞬态演化特性仿真*收稿日期:2018-01-12基金项目:脉冲功率激光技术国家重点实验室主任基金资助项目(SKL2014ZR04)作者简介:豆贤安(1983-),男,安徽六安人,助理研究员,博士,E-mail:ankolkol@sina.com豆贤安,孙晓泉,徐海萍(国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥230037)摘要:为深入揭示飞秒激光烧蚀硅的瞬态演化特性,建立了飞秒激光烧蚀Si材料理论模型,并进行了仿真研究。研究表明,飞秒激光可在脉宽时间内激发大量的电子,使其浓度超过损伤阈值,

2、而此时晶格仍保持在较“冷”状态,直到1ns量级才达到熔点温度。电子温度也会在脉宽时间内急剧拉升至104K量级,随后将能量缓慢地释放给晶格,直到10ns量级才与晶格达到热平衡。电子存在两次急剧升温的过程。第一次起于自由电子吸收,止于电子与晶格的能量耦合,第二次起于单光子和双光子吸收,止于脉冲结束。脉冲能量越大,电子浓度和温度越高;脉宽越短,电子温度越高。关键词:飞秒激光;激光烧蚀;冷破坏;硅;半导体中图分类号:TN249文献标志码:A文章编号:Simulationoftransientevolutioncharacte

3、risticsofsiliconablatedbyfemtosecondlaserDOUXian-an,SUNXiaoquan,XUHaiping(StateKeyLaboratoryofPulsedPowerLaserTechnology,NationalUniversityofDefenseTechnology,Hefei230037,China)Abstract:Inordertofurtherrevealthetransientevolutioncharacteristicsofsiliconablatedb

4、yfemtosecondlaser,thetheoreticalmodelwasestablished,andthenumericalsimulationwascarriedout.Theresultsshowsthatfemtosecondlasercanexcitealargeamountofelectronsandmakeitsdensityexceedthedamagethresholdinthepulseduringtime.Atthattime,thelatticeremainsina"cold"stat

5、euntilitreachesthemeltingpointtemperatureaslongas1ns.Thetemperatureofelectronswoulddramaticallyincreaseto104Klevelinthelaserpulseirradiationmoment.Andthentheenergyisreleasedslowlytolatticeandthethermalequilibriumwouldbereacheduntil10ns.Theelectronhastworapidwar

6、mingprocesses.Thefirstonestartsfromthefree-carrierabsorption,andstopsattheelectron-latticeenergycoupling;thesecondonestartsfromthesinglephotonandtwophotonabsorption,endingattheendofthepulse.Thetemperatureanddensityofelectronwouldbehigherwiththebiggerpulseenergy

7、andtheshorterpulseduration.Keywords:femtosecondlaser;laserablation;colddamage;silicon;semiconductor81引言由于飞秒激光烧蚀材料不受目标材料初始状态的限制,烧蚀过程具有确定性和可控性,因此,飞秒激光在材料的精密加工、军事的反传感器等领域的应用具有诸多优势[1]。飞秒激光具有高峰值功率、极短的作用时间以及非线性吸收等特点,使得飞秒激光脉冲可以通过电子激发,造成材料结构的非热力学改变[2-7]。根据非热等离子体模型,大量电子

8、的激发可以直接造成晶格的扰动,同时仍使晶格的振动模式保持在较冷的状态[8,9]。当价带有大约10%的电子被激发到导带时,就会导致晶格共价键的不稳,从而在极短的时间内引发晶格结构的永久性改变[10-12]。因此,飞秒激光可以直接增强原子的活动性而不增加其热能。非热等离子体模型认为,所激发的电子系统的声子辐射速率要慢于飞秒激光脉冲。所以飞秒激光,可

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