飞秒激光微构造硅光学性质研究及实验装置

摘要

飞秒激光在一定气体环境下照射硅片可在硅表面激光辐照区产生微米量级的尖峰结构。经过表面微构造后的硅材料光吸收比有了大幅度提升。该现象不仅有助于深入研究飞秒激光与固体材料的相互作用，而且具备较大的工程应用价值。为此，建立了飞秒激光微构造硅的多套实验装置，对微构造硅的光学性质进行了系统研究。
　　 论文研究了微构造硅的光吸收特性。结果表明，在六氟化硫气体氛围中的微构造硅在0.3μm-200μm波段范围内对入射光辐射均具有较强吸收。在紫外可见近红外(0.3μm-2.5μm)波段，平均吸收比高于90％；在中红外(2.5μm-20μm)波段，平均吸收比高于80％；在远红外(20μm-200μm)波段，吸收比曲线不再平坦，随着波长的增加快速降低，最低吸收比仍高达20％，为平整硅吸收比的数倍。研究还表明，随着微构造硅尖峰高度的增加，微构造硅吸收比增强。
　　 微构造硅反射光空间分布实验表明，微构造硅存在逆反射特性。该实验同时还表明，微构造硅表面波即使存在，其能量所占比例亦不超过总反射信号的1％。
　　 在微构造硅法向光谱发射率特性研究中，实验结果表明，微构造硅有着极高的法向光谱发射率，接近于理想黑体。在中红外波段范围内，法向光谱发射率随着尖峰高度的增加而增加，随着温度的升高而升高。
　　 利用TRACEPRO软件对微结构纯硅的仿真分析中发现，表面微结构和硅的高折射率是高吸收比的两大主要原因。仿真得到的透射比曲线和实际吻合；反射，吸收曲线变化趋势和实际基本吻合，但均有10％左右的偏离。这表明，对微构造硅而言，结构对吸收的确起到了很大的作用，但远非全部。
　　 不同尺度的纯微结构金和硅的仿真结果表明，材料微结构与材料吸收的关系较为复杂。平板材料吸收比越高，随着尖峰高度的增加，吸收比变化速度越快。在趋势上，随着尖峰高度的增加，系统吸收比虽然增加，但在某些局部，吸收比会出现较大幅度的震荡。
　　 这些极好的光学特性使微构造硅在高效太阳能电池，宽波段探测器，太赫兹，黑体辐射等领域具有巨大的潜在应用前景。