激光技术在晶体材料中的使用情况

张舒明 陈斅恔

【摘 要】激光是上个世纪人类最重要的一大发明，自从六十年代第一台激光器产生到今天，经过半个世纪的技术进步，发生器的输出功率越来越大，能量转换效率极为提高，激光束的性能也越来越优秀，使用范围得到了很大的拓宽。自从激光技术被应用到工业制造中以来，便以其无污染、高效率、智能化等优势受到科技研究和生产发展的重视。本文介绍了激光技术的主要特点和发展现状，概述激光技术在晶体材料的加工制备，探伤检损和性能测试表征等方面的使用情况。

【关键词】激光技术 晶体材料 使用

激光技术已经成为当今信息化时代电子工业领域的重要支柱，其在晶体材料中的使用主要表现在以下三个方面。

1 激光技术在晶体材料加工方面的使用

由于激光方向性好，能力密度高，当运用于材料加工领域的时候，具备许多常规热加工方式无法比拟的优点。首先，能量高度集中的快速加工方式，将对非加工部位的影响降到最低，工件不易发生热变形；因为是非接触式加工，不会对材料造成直接冲击，避免了机械变形，无“刀具”磨损，不但生产效率提升，而且质量有保障，节约资源能源；将激光束作为加工“刀具”，便于操作和控制，易于导向和方向变换，当加工复杂形面的时候有很大的优势。

目前激光技术在晶体材料生产中大多是通过激光束对材料施加影响来实现焊接、分离、表面改性等功能。激光在高度聚焦状态下，即使发射的总能量不足以加热一个鸡蛋，却可以穿孔3mm厚的钢板，实际上在激光最开始被发明出来的一段时间里，人们提出的就是用来打孔、切割宝石等各种用普通方式不易加工的物质。

上海交通大学的刘朝阳等研究了使用双层熔覆工艺时材料内部各参数动态演化进程，凝固过程中柱状晶-等轴晶转变和位于熔覆层横截面上晶体的生长分布[1]。在激光功率200W，光斑直径0.6mm，激光行走速度5.0mm/s，送粉率6g/min的工艺条件下，可控制熔覆层高度0.487mm，宽度0.765mm，而基体的熔化深度只有0.121mm，避免了激光熔覆单晶合金于涡轮叶片尖端时杂晶或等轴晶的形成，获得持续长大的晶体组织，提高修复效率。

激光技术用于新材料的制备，包括通过激光束加热前体物质，物料蒸发后沉积于基板上制膜的激光物理气相沉积，通过聚集的高温高能光束促进物料气化并进行化学反应，最终层积为膜的激光化学气相层积。以及将基板试样浸没到镀液内，用高能激光诱发镀膜的激光诱导液相化学镀。这些方式为新型晶体材料的制备和运用开拓了研究空间，并朝着环保、经济型趋势发展，发展前景相当广阔。

2 激光技术在材料测试分析上的使用

当光照射到物质上时会产生两种形式的散射，与原始激发光波长一致的是弹性散射的散射光，不同的是作用于材料后产生的非弹性散射光，拉曼效应的产生和分子内部的结构与组成有关，因此通过分析这种散射光谱，可以得到被照射材料分子内部运动的相关信息。由于拉曼散射是以分子碰到单色激光时不同的振动作为研究对象，所以其实际应用领域比X射线以晶体作为研究对象更为广泛。拉曼光谱测量晶格的振动频率，能够表征材料骨架中的特殊组成和原子之间成键的状态，得到快捷、简便、可重复、最为关键的是对于被测式样无损害的定性定量检测。上硅所的刘学超等人就通过拉曼面扫描的方式对整个SiC晶体多型的空间结构和演化过程进行了系统探索[2]，研究了晶体的生长过程中晶界上结晶反应的變化情况，对于半导体材料的多型混杂鉴别具有重要意义。因为激光具备单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，将其与表面增强拉曼效应相结合，可获得表面增强拉曼光谱。灵敏度相比于常规的拉曼光谱提高近百倍，激光共振拉曼技术能够提高精度，有利于微浓度物质或者较少试样的分析；在当前的材料结构研究中，激光拉曼与红外光谱的结合使用能够解决许多问题。

此外，激光在晶体材料的又一使用是测量技术，激光测量技术的发展与光电技术密切相关，目前主要有激光干涉测量技术，激光衍射测量技术和激光视觉三维检测技术。刘涛借助自主设计的激光检测仪观测粗集料的表面微观形貌，研究沥青铺筑路面的防滑效能[3]。由于激光是自然光波中的一种，测量精度有保障，光信号方便进行转换和储存，大大简化了测量过程，易于数据的分析与后期处理，在各种测量领域受到重视。

3 激光与晶体材料的相互作用

近些年来，随着各种材料制备手段的迅速发展和激光技术的日臻成熟，利用激光来实现晶体材料的改性具有特殊的实践价值，故而对于激光和各种类型晶体之间的相互作用日益受到研究人员的关注。原子干涉仪使用激光脉冲序列构造，可用于测定原子内外部基本物理参数。以渗钛的蓝宝石晶体作为激光发生器，可以产生5fs的超快激光，能量高达100TW，被广泛运用于各种超快现象的研究、X射线激光和相关材料处理方面。这些技术与实践的相互结合，表明了激光技术在晶体材料研发领域的迅速发展。在当前的激光技术研究中，研究人员发现当使用长脉宽激光时，晶体烧蚀阀值和激光脉宽的开方具有正相关性，这表明材料表面的“激光烧蚀”过程主要是受热传导的控制，对于研究纳米材料的稳定生长条件具有重要的指导意义。在通过适当的技术处理后，可运用于工业生产实践中，制备碳纳米材料和其它金属氧化物纳米材料[4]。

飞秒激光是目前人类能够获得的最短脉冲技术。其脉冲持续时间非常之短，为10的负15次方数量级，同时飞秒激光具有很大的瞬时功率，而且能够实现精确的聚焦定位，使得在超细微空间的操作得以进行，从此人们可以在原子尺度上观测到物质的运动。例如飞秒激光与SiN晶体的相互作用，首先是材料内部电子因为受到高频激光辐照碰撞产生电离，形成等离子状态；对等离子体进行适当处理，使其吸收激光能量，并传递给晶体基材，促使材料发生各种改性。对于其间复杂的作用机理进行研究，可以改进设备工艺，实现行业的高效生产。

参考文献：

[1] 刘朝阳.激光熔覆单晶材料过程中的晶体生长的数值模拟[J].应用激光，2013（4）：144-146.

[2] 刘学超.拉曼面扫描表征氮掺杂6H-SiC晶体多型分布[J].无机材料学报，2012（6）：610-612.

[3] 刘涛.沥青路面粗集料的微观构造及抗滑性能研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[4] 崔洋.光学无损检测技术的应用[J].科技信息.2009（5）.