较高气压下激光烧蚀等离子体的动力学特性

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1、第10卷第3期200X年6月黄山学院学报JournalofHuangshanUniversityVol.10.NO3Jun.2O()8较高气压下激光烧蚀等离子体的动力学特性许媛^(1.黄山学院应用物理研究所，安徽黄山2450212黄山学院卷摘要：建立一维半导体Gc的激光烧蚀模型，对波长为248nnxlOWcm2的KrF脉冲激光在1000torr(llorr二133.32pa)氮气环境下烧蚀晶体Ge及严生寺禹于体的过程逬行了数值模拟，并对计算结果进行分析比较。结果表明在惰性气体环境下，气压在ItoiT和lOOOlorr之间变化对等离子体屏蔽现象的出现几乎不产生影响；背景气压

2、的增大抑制了粒子的扩散，使等离子体的膨胀速度减小，限制了其膨胀的空间。关键词：等离子体；数值模拟；脉冲激光烧蚀；晶体Ge中图分类号：O411.3,TN249文献标识码：A文章编号：1672-447X(2008)03-0027-04基金项目：黄山学院科研基金資助項目(2(X)7xkjqOO5)作者简介：许撮(1982-),安績黄山人，黄山学咙信息工程学冼放师，廉士，研究方向为激光寻鳥子体數值揍拟。1引言脉冲激光烧蚀技术是利用聚焦的髙能脉冲激光朿辐射靶材表面，使作用区域的材料被迅速加热熔化蒸发，随后冷却结晶，可以用于材料去除，也可作为材料制备技术，其应用非常广泛。对应不同的应

3、用过程，激光烧蚀所需的背景环境(气压，气体成分,气流)也不同。⑴所以，了解脉冲激光烧蚀过程中背景环境对等离子体的动力学特性演化过程的影响,对于优化参数，控制实验是非常重要的。建立数值模型是目前最经济且有效的方法。与真空环境中膨胀过程相比，等离子体在背景气体环境下的膨胀过程要复杂得多。膨胀过程不仅与背景气体的成分和压强有关，而且同时存在几个物理过稈，如蒸气粒子和背景气体粒子的碰撞、两种不同粒子之间的相互扩散等。部分研究人员提出了烧蚀蒸汽与背景气体相互作用的模型都是针对背景气体压强在lOOpa以下的情况，背景气体对烧蚀蒸汽膨胀的影响较小。2005年，Zhaoyang收稿日期：

4、2008-03-02Chen和AnnemieBogaerts等人⑴在原真空烧蚀模型的基础上，提出了纳秒级脉冲激光在1atmHe气环境下烧蚀铜靶的模型,®分析了在lag下背景环境对烧蚀过程的影响。⑹但至今为止,绝大多数模型还是建立在脉冲激光烧蚀金属导体的基础上，对激光烧蚀半导体的过程及机理的研究非常少。本文在激光与半导体相互作用理论的基础上，分析导体、半导体、绝缘体的能带结构。建立了一维的半导体激光烧蚀模型•研究了较高气压对烧蚀过程以及等离子体膨胀的影响，并与早期的工作进行比较。⑺2理论模型的描述物质对激光的吸收与其电子能带结构有关，对不同类型(导体，半导体，绝缘体)的材料

5、，徼光烧蚀机制也不相同。Ge的禁带宽度为0.67eV,对于波长为248nm的激光，其光子能鼠为5eV,远远大于Ge的禁带宽度，能直接激发Ge的价带屯子向导带跃迁，本文利用Ge的各向同性以及电子电离能级分布和金風导体非常相似的特点，在ZhaoyangChen和AnnemieBogaerts等提出的金属导体激光烧蚀模型阍的基仙上发展了一维半导体激光烧蚀模型，⑺对波长为248nm的髙斯型脉冲激光烧蚀晶休Ge和等离子休在背娥气体（He）环境下膨胀的动力学性质进行模拟。对于纳秒脉冲激光烧蚀，激光脉冲宽度远大于电子与离子间的能诫弛豫时间，可以认为材料处于局域热力学平衡状态，因此用一维

6、单温的热传导方程来描述激光与材料的相互作用。当Ge靶表面温度上升到气化温度时，表面将出现气化现象，等离子体在背景气体环境下膨胀。膨胀初期阶段，假设蒸汽是处在局域热力学平衡下的连续性介质，用一维的Navier-Stokes方程组来描述。模型中，只考虑Ge的一阶、二阶电离,He的一阶电离，处于热力学平衡状态下蒸汽的电离度可通过沙哈方程估算。对于紫外激光烧蚀过程，激光等离子体吸收入射激光能量的主要机制是逆轲致吸收机制和原子激发态的光致电离吸收机制，而逆轲致吸收又分为电子-离子碰撞吸收和电子-中性粒子碰撞吸收。详细模型和有关参数的计算公式可以参考文献。⑺■3计算结果与分析为了分析

7、比较气压对烧蚀过程的影响,本文对峰值功率密度为4xl08w/cm2,波长为248r.m的高斯型（全宽半髙（FWHM）为7ns）KrF准分子激光脉冲在lOOOtorr疑气环境下烧蚀晶体Ge的模拟结果进行分析，主耍讨论不同时刻等离子体的密度、温度、速度以及电离度的空间分布，并与ltorr低气压下的模拟结果⑺进行比较。当激）t照射到Ce表面，导致表面温度急剧升高，经历熔化、蒸发，当激光功率密度足够高时，蒸汽会发生电离，形成等藹子体向外膨胀。当溅光穿过等离子体时，部分能最会被吸收，即出现等离子体屏蔽现象，所以实际与靶作用的激光，是穿过