脉冲激光烧蚀Ti-Al和SiC材料的演化特性研究

摘要

1960年美国科学家研制出了世界上第一台红宝石激光器，紧接着研究人员便开始了激光与物质相互作用的研究工作，几十年来，该项研究一直保持着旺盛的生命力。其中激光诱导等离子体和激光烧蚀由于在脉冲激光沉积镀膜、纳米颗粒和团簇的制造、材料改性、激光加工、微量元素探测分析等领域具有重要的实际应用价值而越来越受到研究人员的关注。但是由于等离子体的演化是一个瞬态多变的过程，具有空间和时间不均一性，同时，等离子体的性质非常依赖外界的实验条件，如环境气体的种类和压强，入射激光的脉宽、能量、波长，对入射激光的聚焦情况等，因此研究等离子体参数的空间、时间演化规律和在不同实验条件下的对比情况可对这些实际的应用提供重要的参考信息。
　　 本论文中我们采用发射光谱诊断技术，在等离子体满足局部热力学平衡的条件下，用玻尔兹曼图解法计算电子温度，用孤立谱线的斯塔克展宽的方法计算电子密度，研究了不同实验条件下高功率纳秒脉冲激光束烧蚀Ti-Al合金和SiC晶体靶材诱导产生等离子体的时空演化规律。
　　 我们用1064nm的脉冲激光分别在大气环境和真空环境下烧蚀Ti-Al合金靶材，入射激光功率密度为10.04GW/cm2时，在160ns的延迟时刻，空气中烧蚀产生的等离子体电子密度是真空中的3.3倍，即使在变化相对稳定的600ns延迟时，在常压下测得结果仍是真空中的1.8倍。真空中Ti(Ⅱ)368.52nm谱线的演化时间约为900ns，而空气中该谱线在4μs时仍可测量，可见空气中烧蚀时能够产生更加高温致密长寿命的等离子体。我们在大气环境下研究了激光功率密度对等离子体参数的影响，入射激光功率密度从7.44GW/cm2变化到13.2GW/cm2时，电子温度和电子密度的变化趋势分别满足如下关系:Te～(Ⅰ)0.249，Ne～(Ⅰ)0.288，而O(Ⅰ)777.19nm,777.42nm，777.64nm谱线积分强度与激光功率密度的关系O(Ⅰ)～Aexp((Ⅰ)/12)，满足Hughes的雪崩模型，可见空气中烧蚀时形成了空气等离子体，且空气等离子体的点燃是一种雪崩电离过程。
　　 我们用6.5GW/cm2的532nm入射激光分别在真空和大气环境下研究了透镜到靶材的距离对等离子体参数的影响，发现当透镜到靶材的距离小于透镜焦距时，电子温度和电子密度均随着距离的增大而增大，但当透镜到靶材的距离大于透镜焦距时，真空中电子温度和电子密度随着距离的增加而增加，而大气环境下电子温度和电子密度却随着距离的增加而减小。
　　 我们还分别用9.17GW/cm2的1064nm和6.5GW/cm2的532nm入射激光在真空条件下烧蚀SiC晶体靶材，从电子温度和电子密度的空间演化规律来看，我们发现当到靶材距离小于3mm时，电子温度和电子密度均随着距离的增大而迅速降低，但当距离大于3mm时，1064nm激光烧蚀时电子温度和电子密度是一种慢变化行为并随着距离的增加存在波动，而532nm激光烧蚀时，电子温度迅速降低，电子密度却波动增加。我们认为出现这种现象的原因主要是532nm激光烧蚀时产生的高速飞行的粒子与低真空环境气体相互作用的结果。通过测量距离靶材料不同距离处C(Ⅱ)426.7nm谱线强度的时间演化情况，我们计算出了两种情况下C离子的飞行速度，其中532nm激光烧蚀时满足阻力模型，且初始速度为36km/s，而1064nm激光烧蚀时，C离子在0-7mm的距离内是匀速飞行，速度为25km/s.实验结果表明，脉冲激光沉积镀膜时衬底材料放置在电子温度迅速降低而电子密度存在波动的区域，可能会导致缺陷的产生而影响薄膜的质量。
　　 我们在真空条件下用532nm激光烧蚀SiC靶材，研究了透镜到靶材之间距离改变时等离子体参数的演化情况，发现等离子体电子温度和电子密度的演化情况与真空中烧蚀Ti-Al合金时的情况类似，均是随着距离的增加而增大，同时发现当透镜到靶材的距离大于透镜焦距时，C离子426.7nm谱线和Si离子634.71nm谱线随着距离的增加谱线强度缓慢减小，而Si原子633.19nm谱线强度则变化不大。我们还测量了透镜到靶材的距离分别为107mm和115mm时等离子体参数的时间演化情况，发现在时间延迟小于200ns时，透镜到靶材的距离对等离子体参数有较大影响，而当延迟时间大于300ns时，此影响开始变得不明显。实验结果表明，在用光谱分析技术进行微量元素探测时，选取合适的透镜到靶材距离有利于提高检测精度和极限。