針對(duì)毫秒脈沖激光誘導(dǎo)單晶硅產(chǎn)生等離子體演化規(guī)律,利用光學(xué)陰影成像法研究單晶硅燃燒波膨脹過(guò)程,分析不同時(shí)刻等離子體狀態(tài),采用雙端口光譜儀分析等離子體光譜,計(jì)算等離子體的主要特征參數(shù).結(jié)果表明:隨著激光能量密度的增加,燃燒波膨脹距離和膨脹速度增大,徑向膨脹速度小于軸向膨脹速度;等離子體主要在單晶硅表面附近加速最大;等離子體膨脹時(shí),觀察到長(zhǎng)脈沖特有的噴濺現(xiàn)象;激光能量密度在337.0～659.7 J/cm²之間時(shí),電子溫度量級(jí)為10⁴K,等離子體電子溫度、電子密度隨激光能量密度增加而增加. 

【文章來(lái)源】：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2020,42(04)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：4 頁(yè)

【部分圖文】：

單晶硅等離子體測(cè)量系統(tǒng)

利用高速相機(jī)記錄不同時(shí)刻單晶硅燃燒波的膨脹瞬間，如圖2所示．圖2a、b對(duì)應(yīng)的激光能量密度分別為1 307.1、2 112.6 J/cm2．毫秒脈沖激光燒蝕單晶硅時(shí)，等離子體的產(chǎn)生發(fā)生在脈沖結(jié)束前，燃燒波在激光作用初期產(chǎn)生并開始膨脹．單晶硅燃燒波外邊界均隨著時(shí)間的增加而向外擴(kuò)散，逆激光入射方向擴(kuò)散程度最大，形狀由近規(guī)則的半圓形向分散狀態(tài)演化．激光密度較大時(shí)，觀察到噴濺現(xiàn)象，激光能量密度越大，燃燒波邊界膨脹距離越大．單晶硅受到毫秒脈沖激光作用后，形成的等離子體脫離單晶硅，產(chǎn)生燃燒波向外膨脹的現(xiàn)象，在燃燒波逆光路的軸向膨脹過(guò)程中伴隨著徑向膨脹．毫秒脈沖激光作用時(shí)間較長(zhǎng)，等離子體繼續(xù)吸收后續(xù)激光能量，使燃燒波膨脹獲得動(dòng)力源，燃燒波在各個(gè)方向的膨脹獲得加速．較低能量密度激光作用單晶硅的燃燒波軸向膨脹速度演化如圖3所示．單晶硅表面原子的電子在激光作用下受激，硅表面被迅速加熱而產(chǎn)生材料噴射，產(chǎn)生由電子、離子、原子組成的等離子體．膨脹速度隨時(shí)間增加先增加后減小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始階段，等離子體的體積膨脹壓強(qiáng)高于空氣壓強(qiáng)，膨脹速度迅速增加，隨著激光作用時(shí)間延長(zhǎng)，雖然等離子體內(nèi)粒子數(shù)會(huì)增多，但膨脹的進(jìn)行導(dǎo)致粒子的平均自由程變長(zhǎng)，粒子間碰撞幾率減小，等離子體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能減少，所以燃燒波邊界速度的變化逐漸變緩．隨著激光能量密度的增加，燃燒波膨脹速度增加．

較低能量密度激光作用單晶硅的燃燒波軸向膨脹速度演化如圖3所示．單晶硅表面原子的電子在激光作用下受激，硅表面被迅速加熱而產(chǎn)生材料噴射，產(chǎn)生由電子、離子、原子組成的等離子體．膨脹速度隨時(shí)間增加先增加后減小，峰值速度小于5.0 m/s．激光作用初始階段，等離子體的體積膨脹壓強(qiáng)高于空氣壓強(qiáng)，膨脹速度迅速增加，隨著激光作用時(shí)間延長(zhǎng)，雖然等離子體內(nèi)粒子數(shù)會(huì)增多，但膨脹的進(jìn)行導(dǎo)致粒子的平均自由程變長(zhǎng)，粒子間碰撞幾率減小，等離子體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能減少，所以燃燒波邊界速度的變化逐漸變緩．隨著激光能量密度的增加，燃燒波膨脹速度增加．圖4為單脈沖條件下單晶硅等離子體特征光譜．在激光作用初期，由于吸收激光能量，單晶硅表面溫度急劇升高，出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，在單晶硅表面產(chǎn)生硅蒸汽，硅蒸汽進(jìn)一步吸收激光后續(xù)能量，導(dǎo)致硅蒸汽發(fā)生電離，產(chǎn)生的等離子體沿單晶硅表面法線方向快速膨脹，產(chǎn)生激光致燃，即燃燒波的點(diǎn)燃．激光致燃燒波對(duì)單晶硅產(chǎn)生極高的沖力和表面熱輻射，使單晶硅產(chǎn)生致燃損傷．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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