高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应

对硅材料飞秒激光损伤进行了数值模拟。首先,在飞秒激光与硅相互作用的双温模型中引入能带电子激发、双光子吸收,俄歇复合等一系列非线性项,通过每一个光场半周期中的麦克斯韦电磁场公式,得出材料中不同时间的光场强度,作为描述材料对光强的响应物质方程的输入项。通过麦克斯韦方程与物质方程间的迭代可以得到烧蚀的硅的一系列参数,如电子浓度、晶格温度等。在此基础上分析了皮秒、亚皮秒量级双脉冲和三脉冲飞秒激光作用下,激光能量密度和脉冲延迟时间对热积累效应的影响。     

飞秒激光蚀除金属的分子动力学模拟

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法，从连续及原子级的角度详尽描述了飞秒激光与金属的相互作用过程。建模时不仅考虑了激光能量的吸收方式、电子热传输及电子一晶格间的能量交换，而且对底部边界进行了特殊处理，采用简单而有效的速度减幅技术，既能防止靶材底部断裂，又能保证有效蚀除。分析了靶材内部温度、压力的分布特征及应力约束条件下的蚀除机制。模拟结果表明，靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生断裂；较高脉冲能量密度下蚀除产物由多个大团簇组成，而较低能量密度下只包含单个团簇，这是应力约束条件下金属蚀除的主要特征。同时，深入探讨了激光诱导压力波的成因及其传播规律，预测了压力波的波速。确定了蚀除阈值，同实验数据完全吻合，并证明了有过热现象的存在。     

RB-SiC表面飞秒激光烧蚀与抛光工艺研究

首先基于一维双温模型阐明了飞秒激光与RB-SiC表面的相互作用过程,并在此基础上,开展了RB-SiC表面飞秒激光烧蚀规律与抛光工艺研究。结果表明,通过改变脉冲能量、扫描速度、扫描间距等参数,可实现对烧蚀深度和烧蚀表面质量的有效调控。但是通过飞秒激光抛光难以在RB-SiC切割表面上获得较高的表面质量,而对于RBSiC预抛光表面,通过工艺参数调控,可将其表面粗糙度从36.9 nm抛光至11.56 nm,验证了飞秒激光抛光RB-SiC的可行性。     

飞秒激光加工机理及仿真研究进展

目前,微加工和精加工技术的迅速发展对微型化加工技术提出了更高的要求:将加工尺度提高到微米甚至纳米级,并且能够在材料内部实现三维立体微加工.飞秒激光可以突破衍射极限的限制,打破了加工极限,是当前先进制造技术的热点.本文综述了飞秒激光加工的发展历程和机理,并从库仑爆炸模型、微爆炸模型、色心模型以及双光子电离模型等方面对激光...     

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

飞秒激光作用下金属箔材的温度场研究

为分析飞秒激光作用下金属材料的温度场及其影响因素,基于一维双温模型对飞秒激光作用下铜箔的温度场进行数值求解。采用脉宽100～800 fs,能量密度509.30～2 546.48 J/m2的激光参数进行计算,研究电子和晶格温度随时间和深度的变化规律。结果表明,电子温度在10-13 s时间尺度达到峰值,在此期间晶格温度保持不变,此后通过耦合作用二者在几ps时间尺度达到热平衡;脉宽越短,电子温升越快、峰值温度越高、耦合时间越短;而能量密度越大,电子温升越快、峰值温度越高、耦合时间越长。     

飞秒激光整形脉冲激发金膜的超快热弛豫特性

在传统双温模型中引入傅里叶热扩散机制,提出了一种时间序列热弛豫模型。数值研究获得了飞秒激光整形脉冲与金膜作用的跨时间尺度(飞秒纳秒)热弛豫特性及温度场时空进化规律,并获得了双温弛豫周期与整形冲间隔的依赖关系。该研究对于澄清飞秒激光与金属作用的超快热弛豫机制,调控飞秒激光微纳加工中的超快加热过程具有重要意义。     

硅光电二极管飞秒激光损伤的实验研究

对 6 0飞秒 80 0nm激光辐照下硅PIN光电二极管的信号饱和、损伤及失效进行了实验测量。实验得到硅PIN光电二极管的失效阈值为 1.2J/cm2 ,损伤阈值比失效阈值低一个量级。飞秒脉冲辐照后 ,存在 10 -4s量级的饱和时间 ,辐照后对信号光的响应在短时间内出现不规则变化 ,在长时间内随脉冲能量密度增大而降低。     

超短激光制备单晶硅光栅结构的热积累效应和实验研究

针对超短激光辐照单晶硅材料制备光栅结构存在表面裂纹的缺陷,采用双温模型数值模拟出热积累效应,并且实验验证不同加工参数下制备的单晶硅表面光栅结构的表面质量。数值模拟出不同超短激光功率下电子温度和晶格温度的变化规律,通过调节不同的加工参数制备出单晶硅表面光栅结构沟槽,采用超景深三维显微镜对其表面形貌分析。结果表明:当超短激光的输出功率增大时,激光热驰豫时间变大,增大了非平衡状态下激光的烧蚀强度。单晶硅表面的不平整凹坑造成超短激光的反射和散射,从而使得烧蚀后存在凹坑,造成单晶硅表面的损伤溶蚀。当加工速度和加工次数一定时,增大激光的输出功率可以提高超短激光制备光栅结构的加工效率,但过大的激光功率反而造成光栅结构沟槽两侧出现溶蚀凹坑。     

水辅助准分子激光微加工硅的实验研究

为了研究脉冲激光在不同介质中的刻蚀特性,采用20ns短脉冲、248nm准分子激光(能量为150mJ~250mJ)分别在水和空气两种介质中对半导体单晶Si片进行微刻蚀实验研究。在实验的基础上,研究了两种介质中准分子激光刻蚀Si的刻蚀孔的基本形貌和刻蚀速率,并对结果进行了对比分析。研究结果表明,水辅助激光微加工时,熔屑易从加工区排出,有助于提高加工的表面质量;同时,水的约束提高了冲击作用,使得刻蚀速率加快。     

Influence of precursor layer ablation on laser doping of silicon

This paper presents a numerical model, which quantitatively demonstrates that ablation and partial recondensation of the dopant precursor layer are some of the dominating physical processes in laser doping (LD) of crystalline silicon. Our pulsed LD process uses a line focused laser beam, enabling the creation of solar cell emitters without the generation of dislocations, if the width w of the short axis of the line focus is w < 10 μm. The concentration profiles of the dopant atoms strongly depend on the pulse energy density E_p, the pulse to pulse separation Δx and the number of laser scans N_s. By comparing measured with modeled concentration profiles, we are able to evaluate the ablation width as well as the amount of the ablated precursor layer. In case of a sputtered phosphorus precursor layer, the ablation width w_a is w_a = 6 μm, whereas the width of the molten silicon layer w_m is w_m = 5 μm. The model also explains the dependence of experimental dopant concentration profiles on the number of subsequent laser scans N_s and pulse to pulse separation Δ_x. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

乙醇辅助激光烧蚀切割硅晶圆工艺

为了减小激光切割硅晶圆时的热效应,选择去离子水作为辅助液体进行激光切割实验,研究了水下切割时激光烧蚀激发气泡对硅片表面造成的不良影响。为解决水下激光切割进程中诱导气泡大面积粘结在硅片表面的问题,提出了去离子水混入乙醇溶液的实验方案,分析了水下激光切割中激光参数和乙醇浓度对切割质量的影响。实验结果表明,采用乙醇溶液作为辅助介质能明显减少粘结气泡的数量,减轻气泡破溃冲击带来的负面影响。实验采用乙醇浓度5 wt.%时切割得到的硅片比纯水中切割得到的硅表面影响区减小50%以上、切缝宽减幅约20%,有效提升了激光切割质量。     

KrF准分子激光烧蚀氧化镁单晶的实验研究

本文采用光谱学和离子探针等检测手段,对KrF准分子激光烧蚀氧化镁单晶的物理过程进行了实验研究。结果表明,激光烧蚀等离子体内的主要粒子形态是镁原子和一价的镁离子,其粒子的动能在30～45eV范围。从烧蚀部位的扫描电镜形貌分析表明,在激光能量密度近于烧蚀阈值时,激光辐照的氧化镁单晶表面呈现出一定程度的层离特征。     

ESR studies of nanocrystalline silicon films obtained by pulsed laser ablation of silicon targets

Nanocrystalline silicon films formed using laser ablation of silicon targets were studied using electron spin resonance. The measurements were performed in the X band with modulation of the magnetic field at a frequency of ～100 kHz at temperatures of 300 and 77 K. Two types of spectra were observed. The first type of spectra is related to the high concentration of dangling silicon bonds in Si nanocrystals and SiO_x sheaths of nanocrystals and are inherent in nanocrystalline silicon (nc-Si) films that do not exhibit photoluminescence in the visible region of the spectrum. The second type of spectra is related to the presence of E′ centers, nonbridging oxygen hole centers (NBOHC), and peroxide radicals and is characteristic of films with photoluminescence in the visible region of the spectrum, which indicates that high-barrier SiO₂ layers exist in these films. An increase in the photoluminescence intensity and a decrease in the signal of electron spin resonance were observed in porous nc-Si films exposed to atmospheric air for a long time.     

激光烧蚀过程中冲量耦合系数的研究

首先分析了激光烧蚀过程中,对冲量耦合系数大小有影响的因素,然后利用简化的物理模型,对激光聚焦后直接烧蚀固体靶的情况进行了理论分析,并应用数值计算重点讨论了激光能量在靶物质中的不同分布对冲量耦合系数的影响。结果说明:能量的分布不是影响冲量耦合系数的主要方面,而靶物质材料和靶结构对冲量耦合系数会有较大影响。     

组合激光对单晶硅热作用的数值分析

为了提高激光加工中单晶硅材料对激光能量的耦合效率,采用一个短脉冲激光和一个长脉冲激光形成组合激光辐照单晶硅,使用COMSOL软件对该过程进行模拟,得到了组合激光长短脉冲间的延迟时间和长脉冲激光能量密度的变化对作用效果的影响,并与总能量相等的毫秒激光单独作用的效果进行比较;实验测量得到的不同能量密度的激光作用单晶硅后损伤形貌,与数值计算结果的趋势吻合。结果表明,组合激光能提高材料对激光的耦合效率;不同的延迟时间会影响组合激光的作用效果,最佳延迟时间为0.1ms;组合激光中毫秒激光能量密度占比较低时,作用效能较明显,随着毫秒激光能量密度占比的提高,对作用效果的提升相对变缓。该研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据。     

组合激光辐照单晶硅的热作用数值分析

利用有限元法对组合激光辐照单晶硅的温度及应力场进行了数值分析,在组合激光与连续激光平均功率密度相同的前提条件下比较了组合激光和连续激光分别作用于单晶硅的损伤效果。计算结果表明,组合激光与连续激光相比更有利于实现对单晶硅的热损伤;组合激光作用下单晶硅内部的Von Mises应力、轴向应力和环向应力比在连续激光作用下要大,组合激光对单晶硅的损伤比连续激光更强。     

高能纳秒激光烧蚀单晶硅的微观结构

高能纳秒激光烧蚀硅时,往往会伴随着相爆炸过程,它决定了烧蚀的形貌特征。基于相爆炸的物理过程,分析了相应的烧蚀形貌：相爆炸的发生会使得硅材料发生大范围的去除,高温熔化材料的混合物向外喷溅,冷却形成放射状的冷却条,期间分布着冷却的球状微粒;超热液体的去除部位形成一个类似花瓣状坑,在坑中由于入射光与散射光的干涉形成条纹,其周期与激光光波相似。