超快激光单脉冲诱导硅表面火山坑形貌

纪煦++丁红军++张莉英++付宏鸽++吕玉梅++何健

文章编号：2095-6835（2017）04-0020-02

摘 要：超快激光单脉冲在高于烧蚀阈值下诱导硅表面形成了纳米尺度的火山坑形貌。在相对低的通量时，火山坑的形貌为不规则圆形，沿着激光偏振方向的直径略长于垂直激光偏振方向的直径，增加了激光脉冲通量，火山坑形貌渐变成接近圆形。时域有限差分法模拟分析可能存在的物理机理为表面缺陷或因初始的弹坑引起硅表面烧蚀区域的电场重新分布，沿着激光偏振方向的电场强度增强，进而形成火山坑的不规则圆形状。

关键词：超快激光；硅；火山坑；通量

中图分类号：TN249 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.020

超快激光具有脉冲时间短、峰值功率高、精确的聚焦定位等特点，可以在多种材料表面上加工出多种形貌的微纳结构，这些微纳结构可以应用在许多领域，比如波导吸收、太阳能电池板、光存储、微通道、增强拉曼散射等。因此超快激光诱导表面微纳结构受到了广泛的关注。

本文主要研究了高于烧蚀阈值、超快激光单脉冲烧蚀硅表面纳米结构的形成和演化。研究发现，电场强度的再分布使得烧蚀沿着激光偏振方向。相比在较小的烧蚀能量下，形成了不规则火山坑，能量增加变成近圆形火山坑。

1 实验条件及方法

美国Newport公司研制的钛蓝宝石超快激光器提供了激发硅样品的脉冲能量。实验所用的光路如图1所示，激光经过分束镜（Beam splitter）将光束一分为二，一束光应用在本文研究，另一束光提供给另一组实验。本文所用的光路经过偏振片、衰减片、半波片、机械可控开关、二向色镜，经物镜聚焦到硅样品上；另一路光由白光源提供，主要为实验监测系统提供照明。实验硅片固定在玻璃片上，并放在移动加工平台（M-840.5DG，PI，Inc.）上，该平台在x，y，z三个方向的移动精度非常高，甚至达到了0.5 μm。实验结果利用原子力显微镜进行表征。

图1 超快激光烧蚀硅表面的实验光路示意图

2 实验结果

实验时，激光脉冲通量高于硅的烧蚀阈值，激光激发到硅表面上的强度通过连续衰减片来控制。单脉冲烧蚀硅表面是通过降低激光的重复频率为10 Hz，结合机械触发的开关快门来控制。本文选取了3个脉冲通量（1.5 J/cm2、3 J/cm2、6和10 J/cm2）值进行了实验，烧蚀结果利用原子显微镜进行了表征，获取了4个脉冲通量下弹坑形貌的二维和三维信息，如图2所示。烧蚀区域呈现火山坑状，烧蚀区域受到了污染物的影响，这些物质可能是激光烧蚀过程中溅射出来的去除物堆积而成，但并未影响到整体的烧蚀形貌，在通量低于3 J/cm2时，火山坑呈现不规则圆形，沿着激光偏振方向的直径约为4 μm，垂直激光偏振方向的直径约为2.5 μm，如图2中的（a）和（b）所示。随着烧蚀能量的增加，通量高于6 J/cm2时，火山坑形貌逐渐变成圆形其直径约为6～7 μm。

火山坑周围高出表面的是烧蚀过程中形成的重铸层。重铸层的行程取决于超快激光与物质相互作用的机理，对于半导体材料，激光产生的大量光子瞬时将能量传递给电子，电子吸收了光子的能量后会跃迁到更高能级，原子核对其束缚变小，从而产生大量的自由电子，当自由电子达到非常高的密度时，就变成了具有很高温度、很高能量的等离子体。当硅的晶格中所有原子都出现这种现象时就产生了相变，固体材料硅会变成熔融状态，这种变化过程会在皮秒量级内完成，但激光的能量传递给物质的过程需要更长时间，所以，在物质相变后的能量传递就变成在熔池内完成，这就像μm大小的颗粒以非常高的速度冲击高浓度的熔浆，颗粒会将中心的物质推向周围直到颗粒

的能量被完全吸收，此时脉冲能量传递结束，熔融池会迅速冷却，从而在周围形成重铸层类似火山坑，如图2中的三维图所示。重铸层的高度和烧蚀深度很接近。

3 理论模拟分析

超快激光与硅相互作用的机理非常复杂，比如电子的激发过程、电子的扩散现象、电子的弛豫时间、能量选择沉积以及俄歇复合过程等至今尚未明确。因此，火山坑形貌的形成机理仍在探讨中。这里给出其他课题组的研究成果，比如伯克利科斯塔教授得出一个有趣的结果——在低激光通量作用时，双光子吸收起主导作用；在高激光通量时，电子扩散是主要的能量传输机制。这两种起主导作用的机制可能是导致低通量下形成不规则的火山坑，高通量是圆形火山坑。

4 结束语

本文介绍了高能量密度下激光单脉冲烧蚀硅所形成的火山坑形貌。研究发现，激光单脉冲烧蚀在较低通量下产生了不规

则的火山坑形貌，沿着激光偏振方向直径大于垂直激光偏振方向。随着脉冲能量增加，这种影响逐渐减小，也就是火山坑接近圆形。这种烧蚀结构的物理机理可能是表面缺陷或者初始结构引起激光场强重新分布，使得沿着偏振方向场强增强，导致烧蚀区域呈现椭圆形貌。

参考文献

[1]纪煦.超快激光诱导硅表面微/纳结构几何形貌调控实验研究[D].北京：北京理工大学，2015.

[2]华黎敏，陈子阳.部分偏振光束的大数值孔径聚焦特性[J].中国激光，2010，37（07）.

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作者簡介：纪煦（1980—），男，内蒙古赤峰人，博士，讲师，毕业于北华航天工业学院机电工程学院，研究方向为精密加工制造技术和微纳制造技术。

〔编辑：张思楠〕