飞秒激光烧蚀si的瞬态演化特性仿真

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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，而此时晶格仍保持在较“冷”状态，直到1ns量级才

2、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：SimulationoftransientevolutioncharacteristicsofsiliconablatedbyfemtosecondlaserDOUXian

3、-an,SUNXiaoquan,XUHaiping(StateKeyLaboratoryofPulsedPowerLaserTechnology,NationalUniversityofDefenseTechnology,Hefei230037,China)Abstract:Inordertofurtherrevealthetransientevolutioncharacteristicsofsiliconablatedbyfemtosecondlaser,thetheoreticalmodelwasestablished,andthenumericalsimul

4、ationwascarriedout.Theresultsshowsthatfemtosecondlasercanexcitealargeamountofelectronsandmakeitsdensityexceedthedamagethresholdinthepulseduringtime.Atthattime,thelatticeremainsina"cold"stateuntilitreachesthemeltingpointtemperatureaslongas1ns.Thetemperatureofelectronswoulddramaticallyi

5、ncreaseto104Klevelinthelaserpulseirradiationmoment.Andthentheenergyisreleasedslowlytolatticeandthethermalequilibriumwouldbereacheduntil10ns.Theelectronhastworapidwarmingprocesses.Thefirstonestartsfromthefree-carrierabsorption,andstopsattheelectron-latticeenergycoupling;thesecondonesta

6、rtsfromthesinglephotonandtwophotonabsorption,endingattheendofthepulse.Thetemperatureanddensityofelectronwouldbehigherwiththebiggerpulseenergyandtheshorterpulseduration.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，

7、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

8、秒激光，可