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《飛秒激光燒蝕si的瞬態(tài)演化特性仿真》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、飛秒激光燒蝕Si的瞬態(tài)演化特性仿真*收稿日期：2018-01-12基金項目：脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室主任基金資助項目（SKL2014ZR04）作者簡介：豆賢安（1983－），男，安徽六安人，助理研究員，博士，E-mail：ankolkol@sina.com豆賢安，孫曉泉，徐海萍（國防科技大學(xué)脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥230037）摘要：為深入揭示飛秒激光燒蝕硅的瞬態(tài)演化特性，建立了飛秒激光燒蝕Si材料理論模型，并進(jìn)行了仿真研究。研究表明，飛秒激光可在脈寬時間內(nèi)激發(fā)大量的電子，使其濃度超過損傷閾值，
2、而此時晶格仍保持在較“冷”狀態(tài)，直到1ns量級才達(dá)到熔點溫度。電子溫度也會在脈寬時間內(nèi)急劇拉升至104K量級，隨后將能量緩慢地釋放給晶格，直到10ns量級才與晶格達(dá)到熱平衡。電子存在兩次急劇升溫的過程。第一次起于自由電子吸收，止于電子與晶格的能量耦合，第二次起于單光子和雙光子吸收，止于脈沖結(jié)束。脈沖能量越大，電子濃度和溫度越高；脈寬越短，電子溫度越高。關(guān)鍵詞：飛秒激光；激光燒蝕；冷破壞；硅；半導(dǎo)體中圖分類號：TN249文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：Simulationoftransientevolutioncharacte
3、risticsofsiliconablatedbyfemtosecondlaserDOUXian-an,SUNXiaoquan,XUHaiping(StateKeyLaboratoryofPulsedPowerLaserTechnology,NationalUniversityofDefenseTechnology,Hefei230037,China)Abstract:Inordertofurtherrevealthetransientevolutioncharacteristicsofsiliconablatedb
4、yfemtosecondlaser,thetheoreticalmodelwasestablished,andthenumericalsimulationwascarriedout.Theresultsshowsthatfemtosecondlasercanexcitealargeamountofelectronsandmakeitsdensityexceedthedamagethresholdinthepulseduringtime.Atthattime,thelatticeremainsina"cold"stat
5、euntilitreachesthemeltingpointtemperatureaslongas1ns.Thetemperatureofelectronswoulddramaticallyincreaseto104Klevelinthelaserpulseirradiationmoment.Andthentheenergyisreleasedslowlytolatticeandthethermalequilibriumwouldbereacheduntil10ns.Theelectronhastworapidwar
6、mingprocesses.Thefirstonestartsfromthefree-carrierabsorption,andstopsattheelectron-latticeenergycoupling;thesecondonestartsfromthesinglephotonandtwophotonabsorption,endingattheendofthepulse.Thetemperatureanddensityofelectronwouldbehigherwiththebiggerpulseenergy
7、andtheshorterpulseduration.Keywords:femtosecondlaser;laserablation;colddamage;silicon;semiconductor81引言由于飛秒激光燒蝕材料不受目標(biāo)材料初始狀態(tài)的限制，燒蝕過程具有確定性和可控性，因此，飛秒激光在材料的精密加工、軍事的反傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢[1]。飛秒激光具有高峰值功率、極短的作用時間以及非線性吸收等特點，使得飛秒激光脈沖可以通過電子激發(fā)，造成材料結(jié)構(gòu)的非熱力學(xué)改變[2-7]。根據(jù)非熱等離子體模型，大量電子
8、的激發(fā)可以直接造成晶格的擾動，同時仍使晶格的振動模式保持在較冷的狀態(tài)[8,9]。當(dāng)價帶有大約10%的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時，就會導(dǎo)致晶格共價鍵的不穩(wěn)，從而在極短的時間內(nèi)引發(fā)晶格結(jié)構(gòu)的永久性改變[10-12]。因此，飛秒激光可以直接增強(qiáng)原子的活動性而不增加其熱能。非熱等離子體模型認(rèn)為，所激發(fā)的電子系統(tǒng)的聲子輻射速率要慢于飛秒激光脈沖。所以飛秒激光，可
