藍寶石作為一種典型的寬帶隙半導體材料具有良好的理化特性,在機械電子、航空航天、微電子等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景.本文提出采用納飛秒雙束激光進行藍寶石加工的方法,利用飛秒脈沖峰值功率高的特性,通過多光子電離與碰撞電離,激發(fā)藍寶石表面自由電子從而提高了藍寶石對納秒激光的吸收率,同時利用納秒激光能量相對較大,技術(shù)成熟的優(yōu)勢,實現(xiàn)對藍寶石材料的高質(zhì)高效加工.為了揭示納飛秒雙束激光與藍寶石材料的能量耦合機制,采用Fokker-Plank方程、Drude模型、雙溫模型對飛秒激光誘發(fā)的自由電子的演化過程及自由電子與入射激光之間的相互作用進行研究,并通過有限元仿真模擬了納飛秒雙激光與藍寶石材料相互作用的能量耦合過程與蝕除過程,分析了納飛秒雙脈沖激光作用下,不同脈沖延時下等離子濃度的時空演化規(guī)律及其對入射激光吸收系數(shù)及反射率等表面光學特性的影響規(guī)律,揭示了納飛秒雙激光高效高質(zhì)加工藍寶石材料的機理.該研究對實現(xiàn)藍寶石等寬帶隙半導體等脆硬材料的高質(zhì)高效加工具有重要意義. 

【文章來源】：中國科學:物理學 力學 天文學. 2020,50(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡版彩圖)仿真模型.(a)模型網(wǎng)格劃分;(b)邊界條件

受自由電子濃度的調(diào)控,入射激光光強的時空分布也產(chǎn)生了相應的變化,如圖6所示.由于藍寶石是一種透明材料,在波長0.2–5μm時,其透過率在85%以上,幾乎不發(fā)生反射;在0–200 fs的范圍內(nèi),尚未發(fā)生雪崩電離,由于多光子電離產(chǎn)生的自由電子濃度較低,其對入射飛秒脈沖作用較小,因此初始階段反射率和吸收系數(shù)很小,各深度處的激光強度與入射飛秒激光差別很小.隨著自由電子濃度的增大,入射激光強度隨深度迅速衰減.這主要是因為雪崩電離發(fā)生后,大量自由電子的形成,使材料表面具有了金屬特性,表面反射率、吸收系數(shù)迅速增大.圖5(網(wǎng)絡版彩圖)600 fs時,自由電子濃度的空間分布

圖4(網(wǎng)絡版彩圖)對稱軸處不同深度自由電子濃度隨時間的變化規(guī)律.(a)時間0–1 ps;(b)時間0–6 ns圖7和8顯示了飛秒激光作用下藍寶石的表面反射率、吸收系數(shù)隨時間的變化規(guī)律.激光輻照之前,工件表面的反射率和吸收率幾乎為零,隨著激光輻照,表面自由電子濃度不斷增大,在220 fs達到自由電子閾值濃度后,工件表面對激光的反射率和吸收率迅速增長,工件表面的反射率在220 fs左右,從0迅速增大到0.95左右,表面的吸收系數(shù)達到3×107m-1,隨著深度的增加,吸收系數(shù)迅速下降,這將導致激光能量在表面就被迅速吸收.當飛秒脈沖結(jié)束后,失去了外部能量的激勵,自由電子濃度開始下降,工件表面的吸收系數(shù)、反射率也隨之下降.


本文編號：3315560