（光学专业论文）飞秒激光辐照下金属及半导体薄膜温升机理的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 飞秒激光辐照下金属及半导体薄膜 温升机理的研究 研究生：郝秋龙 光学专业 指导老师：齐文宗副教授 捅安 随着调q 、锁模等技术的不断发展，人们已经成功地将超短脉冲激光的时 间尺度从n s 和p s 量级压缩到了f s 量级，随着啁啾脉冲放大技术的不断完善， 人们已经把激光脉冲的峰值功率提高了若干个数量级，从而使激光与物质相互 作用这一研究领域进入了一个全新的阶段。硕士阶段取得的主要成果包括： 1 飞秒脉冲激光对金属材料的损伤方面 提出了自己的双温双曲模型，并详细地介绍了该模型的建立过程及数值求 解方法一具有人工粘性和时间步长自适应调节能力的前向差分算法。利用标准 c 语言编制了计算程序，在普通个人计算机上进行了模拟计算。对特定参数条 件下的特定金属材料薄膜一金膜表面及体内的电子温度、晶格温度、电子热流、 晶格热流等参量随时间和空间的变化规律等，进行了详细的计算与分析。具体 的研究结论如下： ( 1 ) 在t p - o 1 4 p s ，j o = 4 7 0 0 j m z 激光辐照下，我们计算所得到的厚度为2 0 0 n m 的金膜的损伤阈值为4 7 0 0 j m 2 ，而a 1 一n i m r 等人在相同参数条件下所得到的实 验值为0 4 3 0 0 4 j c m 2 。两者之间符合得相当好，也就验证了我们所提出的理论 模型的合理性和程序的正确性。 ( 2 ) 在我们的理论模型中，电子热容这一参数选择得是否合理，对电子的 最大温度及电子与晶格的热平衡时间等，均会产生较大的影响，而电子热导率 对自由电子温度的影响并不显著。此外，电子一晶格之间的能量耦合过程对晶 格温度分布的影响，明显低于晶格间热传导过程的影响。 四川凡学硕士学位论文 邝) 电子热流与电子温度一样，都具有明显的尖峰结构；而除了薄膜前表 面以外，其他位置的热流还都具有明显的双峰结构。 ( 4 ) 电子热流达到最大值比电子温度达到最大值的时间稍微早一些：而在 同一深度处，电子温度较高时，所对应的电子热流也比较大。 此外，尽管与电子热流相比，品格热流的结构相对比较简单，但需要注意 的是：在材料的光学吸收深度范围内，在越深的地方晶格的热流也越大。而这 也是单纯的经典傅立叶热传导理论所根本无法解释的。其主要原因在于体系高 度的复杂性，如电子温度概念的引入、电子与晶格相互作用过程的高度非线性 等，具体原因的揭示也有待更加深入的理论分析和数值模拟计算等工作。 2 飞秒脉冲激光对半导体材料的损伤方面 基于弛豫时间近似的b o l t z m a r m 方程，建立了自己的自恰模型，其所考查 的参量有电子和空穴等两类载流子的密度、密度流、能流密度、载流子和晶格 的温度等之间的关系。 利用上述的自恰场模型及包含粘滞项的有限差分解法，数值求解了超短脉 冲激光辐照过程中，相应半导体材料的载流子浓度、载流子温度、晶格温度等 参量。若结合热弹塑性等动力学模型，还可完成超短脉冲激光冲击波及超声波 的传播特性及相关超声检测技术的分析。而若结合前一章的内容，还可考查半 导体激光材料在超短脉冲激光条件下的光学强度。 关键词：飞秒脉冲非傅立叶导热破坏阈值人工粘性金属薄膜 1 1 四川大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r er i s em e c h a n i c so f t h i nm e t a la n d s e m i c o n d u c t o rf i l m si r r a d i a t e d b yf e m t o s e c o n d p u l s el a s e r m a j o r ：o p t i c s p o s t g r a d u a t e ：q i u l o n gh a o d i r e c t o r ：i r o f c s s o rw e n z o n gq i a b s t r a a a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sp r o g r e s so ft h eq s w i t c h i n ga n dm o d e l - l o c k i n g t c c h n o l o g i e s , t h ed u r a t i o n so fu l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s e sh a v eb e e nc o m p r e s s e d s u c c e s s f u l l yf r o mu sa n dp s t ot h eo r d e ro ff s a n ds u p p o r t e db yt h ea m p l i f i e r t e c l m o l o # c so ft h ec h i r pp u l s e s ，t h ep e a l p o w e ro fl 蝴p u l s e sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yi n c r e a s e db ys e v e r a lo r d e r s a sar e s u l t , t h er e s e a r c ho nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a l sh a sb e e na d v a n c e dt oc o m p l e t e l yn e w s t a g e 1 f e m t o s e c o n dp u l s ed a m a g et om e t a l an e w d u a l h y p e r b o l i ct w ot e m p e r a t u r em o d e li se s t a b l i s h e d o n es e l f - a d a p t i v e f o r w a r df i n i t ed i f f e r e n t i a ln u m e r i c a ls o l v i n gm e t h o dw i t ha n j f i c i a l v t s c o s i t y 自r e a t m e n ti su t i l i z e d ac a l c u l a t i o np r o g r a mi sw r i t t e nb a s e do us t a n d a r dc l a n g u a g e a n dn l ni na no r d i n a r yp c t h es p a t i o - t e m p o r a l t e m p e r a t u r e sa n dh e a tf l u x d i s t n l o u f i o n so fe l e c t r o n sa n dl a t t i c e s ，i nt h es p e c i f i e dm e t a l 丘i m s 。a r ec a l c u l a t e da n d d i s c u s s e d t h ec h i e fc o n c l u s i o n sm a yb es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) i r r a d i a t e db yt h el a s e rp u l s e w i t hp a r a m e t e r so ft p = 0 1 4 p sa n dj 0 = 4 7 0 0 j m 2 ，t h e d a m a g et h r e s h o l do fg o l d e nf i l m sw i t h2 0 0 r l n lt h i c k n e s s ，c a l c u l a t e db yu s ，i sa b o u t 4 7 0 0 j m 。，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tg o tb ya i - n i m re ta l ，i nt h es a l i l cp a r a m e t e r s ， i s0 4 3 _ + 0 0 4 j c m 2 t h ea g r e e m e mb e t w e e nt h et h e o r yp r e d i c t i o na n de x p e r i m e n t r e s u l tv e r i f i e st h ev a l i d i t yo fo u rm o d e l ( 2 ) o u rf u r t h e rc a l c u l a t i o n sh a v ev e r i f i e d t h a tt h ei n f l u e n c eo f c a p a c i t yo f 四川大学硕士学位论文 e l e c t r o n s ，o nt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa n dt h ee l e c t r o n l a t t i c eb a l a n c e t i m e ，i sv e r ys t r o n g b u tt h ei n f l u e n c eo ft h et h e r m a lc o n d u c t i o ni sv e r yl i t t l ea n d m a yb en e g l e c t e d a n dt h ei n f l u e n c eo fe n e r g yc o u p l i n gp r o c e d u r eo fe l e c t r o n l a t t i c e ， t ot h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so fl a t t i c e ，i sm u c hl e t si m p o r t a n tt h a nt h a to ft h e r m a l c o n d u c t i o np r o c e d u r et ot h el a t t i c e ( 3 ) t h e r ea r eo b v i o u ss h a r pp e a ks t r u c t u r e s i nt h ec m v e $ o fh e a tf l u xa n d t e m p e r a t u r eo fe l e c t r o n s a n de x c e p tf o rt h ef r o n ts u r f a c e ，t h e r ea l et o w - s h a r p - p e a k s t r u c t u r e si nt h eh e a tf l u xc u r v e s 5 ( 4 ) t h et i m ew h e nt h eh e a tf l u xo fe l e c t r o n sr e a c h e si t sm a x i m u mi sal i t t l eb i t e a r l i e rt h a nt h a to f t e m p e r a t u r eo fe l e c t r o n s a n di t h es a m ed e p t h t h eh e a tf l u xo f t h ee l e c t r o n si sl a g e rw h i l ei t st e m p e r a t u r ei sh i g h e r i na d d i t i o n , a l t h o u g ht h es t r u c t u r eo fh e a tf l u xi nt h el a t t i c ei ss i m p l e rt h a nt h a ti n t h ee l e c t r o n s ，o n es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h a t ，i nt h er a n g eo ft h eo p t i c a l a b s o r p t i o nd e p t h , t h eh e a tf l u xi sl a r g e ri ft h ed e p t hi sl a r g e r t h i sp h e n o m e n o n c a l l n o tb ee x p l a i n e db yt h ec l a s s i cf o u r i e rt h e r m a lc o n d u c t i o nt h e o r i e s t h em a i nr e a s o n i sa r i s ef r o mt h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ，s u c ha st h el a r g en o n - l i n e a r i t yo ft h e i n t e r a c t i o nb e h a v c de l e c t r o n sa n dl a t t i c e s t h er e v e a lo ft h ec o n c r e t er e a s o n si s w a i t i n gf o rd e e p e rt h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s e a r c h 、 2 f e m t o s e c o n dp u l s ed a m a g et os e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s 。 b a s e do nas e r f - c o n s i s t e n tf i e l dm o d a li se s t a b l i s h e di nt h i sc h a p t e nt h et h e o r y f i m d a m e n t a lo ft h em o d e li sr e l a x e dt i m i n ga p p r o x i m a t i o no fb o l t z m a n ne q u a t i o n s t h e p a r a m e t e r sw e t a k ec a r eo fi nt h em o d e lm a i n l ya r et h ed e n s i t i e sa n dc u r r e n t so f e l e c t r o n sa n dh o l e s ，e n e r g yc u r r e n t sa n de n e r g yd e n s i t i e s ，t h et e m p e r a t u r eo f e l e c t r o n sa n dl a t t i c e s a n dt h er e l a t i o n so ft h ep a r a m e t e r sa b o v ei ss i m u l a t e da n d e a l c u l a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dp u l s e s ，n o n - f o u r i e rh e a tc o n d u c t i o n ，d a m a g et h r e s h o l d ， a r t i f i c i a lv i s c o s i t i e s ，m e t a lf i l m i v 四川i 大学硕士学位论文 论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的， 论文成果归四川大学所有，特此声明。 学生签名 导师签名 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来光电子，通讯，半导体加工业对器件的要求已经从微米的尺度向纳 米尺度迈进，关于物质的微纳尺度的制备技术已经成为科学与工程技术界关注 的热点。飞秒脉冲激光作为对物质进行处理的工具，在微纳加工方面具有独特 的优势：这是因为飞秒脉冲激光与长脉冲激光相比具有脉冲持续时间短，峰值 功率极高的特点。飞秒脉冲的持续时间可以短至几个飞秒，光在l f s 内仅仅传 播0 3 i 蛐，比大多数细胞的直径还要短。由于飞秒激光将脉冲能量集中在几个 至几百个飞秒的极短时间内，因此其蜂值功率很高；飞秒脉冲激光与物质相互 作用时，具有非接触、导致的热作用区域小、速度快和精密度高等优点。激光 损伤和消融主要是通过物质的直接气化形成的，飞秒脉冲的微加工可以达到微 米和亚微米尺度。在这些诱人的前景驱使下，很有必要对飞秒激光与薄膜物质 相互作用物理过程进行深入认识，下面是金属以及半导体薄膜在飞秒激光脉冲 辐照下的损伤阈值进行深入的理论分析。 1 1 激光损伤问题研究的发展历程 如果说在激光光学检测和激光光谱检测技术等方面还不涉及到被检测材料 的损伤和破坏问题，或应该极力回避损伤和破坏现象的发生。那么，在激光加 工、激光武器和惯性约束核聚变等方面，损伤和破坏现象是人们所面临或必须 认真处理的问题，即固态靶材所发生的不同程度的相变、破坏及其之后的各种 附加效应问题。 而在形态各异、功能各异的激光器使用过程中，所面临的一个共同的主要 问题就是激光器的长期连续稳定运转问题。由于任何一个激光系统都是由工作 物质、谐振腔镜、泵浦源和输出光路等几个环节所组成。除却泵浦源这个环节 不讲，其它的各个环节都面临着激光辐照下相应材料或元件的激光损伤问题。 其中的元件主要是指光学元件，如各种反射镜、透镜和窗口等，当然也可 四川大学硕士学位论文 能是整个激光检测系统中所包含的其它各种光电元器件。通常，构成固体激光 器各种元件的材料大致可以分为金属、半导体和透明介质三大类。 光学元件和光电元件的多样性自然就决定了激光损伤情况的复杂性和多样 性，人们对各种激光参数( 如能量、功率、脉宽、波长、脉冲个数、光斑尺寸、 激光模式等) 以及各种元件的结构参数( 如各种光学薄膜结构以及杂质和缺陷 的统计分布状况等) 对相应损伤闽值的影响等，进行了大量的理论分析和实验 测试。 通过大量的研究，人们认识到，不同材料具有不同的光学、热学和力学参 数，因而其损伤阈值都有着明显的差异。其中光学参数主要为材料对不同波长 激光的光热吸收系数；热学参数主要为热容比和热导率；力学参数主要有机械 强度、热膨胀系数、弹性模量和泊松比等。而对相应损伤阈值的分析方法，主 要采用的是建立在傅立叶热传导方程和热应力分析的理论基础之上的有限差分 和有限元等数值模拟计算方法。 由于不同工艺条件下所制备出的材料，其纯度和光学质量都会有一定的差 别，从而其损伤阈值的测试结果也会有所不同。此外，在透明材料非线性折射 率所导致的自聚焦效应、杂质不确定度、强激光模式的不稳定性以及其他难以 预料的因素共同作用下，实际测得的材料或元件的损伤阈值，除具有一定程度 的不确定度( 损伤概率) 外，一般均要低于理论预计的结果。 近十多年以来，随着调q 、锁模和啁啾脉冲放大等激光技术的发展，人们 不但成功地把激光脉冲的宽度从璐、p s 压缩到了盘的时间尺度，而且把激光脉 冲的峰值功率提高了若干个数量级，从而使激光与物质相互作用这一的研究领 域进入到了一个全新的阶段。 如在超快激光光谱学领域，人们已经可以成功地完成由于自发或碰撞感生 跃迁所导致的分子弛豫过程等超快瞬变现象的研究，对相干性和干涉效应的时 间分辨检测、快中于束寿命的精密测量等等。 在材料加工领域，利用飞秒激光作为加工工具。具有菲接触、热作用区域 小、速度快和精密度高等优点。因此，激光在不同材料的消融、钻孔、切割、 焊接加工等方面得到了广泛的应用。飞秒激光条件下材料的消融、钻孔和切割 等主要是通过物质的直接气化形成的，飞秒脉冲的微加工可以达到微米和亚微 米的尺度，所以在微纳米机械加工等尖端制造业领域具有很好的应用前景。 2 四川大学硕士学位论文 由于飞秒激光自身的优点，近年来已经在物理、化学、生物等基础学科以 及机械制造、医学、生命科学、环境科学、核能开发甚至宇宙探索等领域均得 到了广泛的应用。 与此同时，随着激光的脉冲宽度跨入飞秒的时间尺度，人们对光与不同材 料的相互作用机制和对不同材质的光学元件以及光电元件损伤机制的研究也被 推进到了一个新的层次换句话说，前面提到的已经发展得比较完备的，用以 处理越以上脉冲宽度激光损伤问题的经典的傅立叶热传导方程及其经典的热 应力分析理论已经失效，不再适用于飞秒激光条件下相关问题的研究。而在 i s o i1 2 5 4 标准中所提到的超短脉冲激光的概念也需要重新定义，在本论文中， 超短脉冲激光指的是亚皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光。 1 2 飞秒激光介质损伤问题 各类材料的激光损伤都是一个复杂的物理过程，可能要涉及到激光与物质 相互作用问题的许多方面，如其中就包含了光热过程、光电过程、非线性吸收 过程和等离子体的激发过程等，而对上述每一个过程的物理描述和数学求解则 要涉及到非常繁多的激光场的特征参数和材料物态的特性参数。 一 ，人们在大量的实验研究和理论分折的基础上，忽略次要矛盾，突出主要矛 盾，针对超短脉冲激光对透明介质的损伤过程，总结出了以下几种主要的损伤 机制： 任何透明介质材料及半导体材料对入射激光场的吸收都可以分为本征吸收 和非本征吸收两种。本征吸收指的是理想纯净和理想结构的介质材料或半导体 材料对入射激光场的吸收，非本征吸收主要指的是由材料体内的杂质和缺陷等 所造成的额外吸收。 在连续激光和长脉冲激光作用条件下，由于透明材料对激光的本征吸收很 小，仅由本征吸收不足以直接导致材料的破坏。激光对材料的损伤阈值主要通 过非本征吸收，因而透明材料的损伤阈值取决于材料的纯度，或者说取决于材 料体内的杂质和缺陷。这样，材料的加工工艺和加工质量就对其激光损伤阈值 起了决定性的作用。 但在超短脉冲激光作用下，由于入射激光的瞬时峰值功率非常的高，入射 3 四川大学硕士学位论文 激光的电场强度非常的大，所以非线性的多光子吸收和电子雪崩电离等机制就 转化为激光对透明介质破坏的主要机制，而由杂质和缺陷等所造成的非本征吸 收机制则被明显地减弱以至于可以完全被忽略。或者说在此种情况下，过分强 调材料的加工质量意义不大。 杂质的含义相对而言比较简单，所以在这里不做过多的讨论了。而缺陷则 是在材料结构中最复杂的部分。从几何形态上看，缺陷可以是空洞和节瘤；从 其功能上看，缺陷主要包括结构缺陷、杂质缺陷、化学缺陷、电致缺陷等。由 于缺陷部位的组分和形状千差万别，所以处理起来相当困难。对于杂质和缺陷 一般理解为吸收缺陷，为了便于数学上的处理，在理论模型的建立和求解过程 中，通常把杂质和缺陷简化为理想的小球模型来处理。杂质和缺陷的破坏机理 的半定量理论有很多种，其中比较完善的可以参考h o p p e r 和u h l 瞻n n 1 1 等人的 工作。通常而言，杂质的尺寸越小，吸收也越小，所以由杂质吸收所引起的材 料损伤的可能性也越小。但是如果杂质太大，吸收可能会有所下降，也不易造 成损伤。所以在特定的激光参数条件下，存在着一个最有害的杂质尺寸值，使 材料最易受到激光损伤1 2 j 。 在入射激光场的作用下，杂质缺陷部位的急剧加热可能发展成热爆炸过程， 虽然这个过程发生在杂质缺陷内部，但在杂质缺陷升温到数千度的高温时，杂 质材料会急剧汽化并形成很大的内压强，当这个压强超过一定值时就会发生爆 炸，这种爆炸力会向缺陷的外层发展，首先在杂质缺陷处形成破坏，并在破坑 的周围形成波浪式力学波p j 。 杂质缺陷不仅是直接热源，而且还可能是各种非线性破坏过程中的薄弱环 节。如杂质和缺陷区域很可能存在着密度相对比较高的自由电子，而这些自由 电子则可能是电子雪崩电离和多光子电离的初始电子。所以过多杂质和缺陷的 存在，自然也会大大地降低超短脉冲激光作用下材料的损伤阈值。 在杂质和缺陷得到严格控制的条件下，激光与透明介质相互作用的非线性 过程就成为材料损伤的主要原因，电子雪崩电离就是重要的非线性吸收过程。 透明介质破坏的电子雪崩模型是由y a b l o n o v i t c h 和b l o e m b e r g e n 从早期的电子 雪崩击穿概念引入的。这个模型可大致描述如下：介质导带中某个电子可通过 吸收入射激光的能量而加速，如果吸收的能量足够大，这个导带电子可能通过 碰撞使价带电子、导带电子或原子离化。这样，一个电子就变成了两个，这两 4 四川大学碗士学位论文 个电子继续重复上述过程，最终将使导带电子数急剧增加，直至样品局部区域 形成强烈吸收激光的等离子体【4 l 。然后通过等离子体与后续激光的相互作用， 使得初始损伤发展为宏观的灾难性破坏。 需要着重指出的是：导带电子密度增加的过程中还包含多光子离化过程， 所以多光子吸收不仅为电子雪崩电离提供初始电子，而且与电子雪崩过程共同 发展导致材料的最终损伤。 多光子电离机制和电子雪崩电离机制有一定的相似性，都是由于导带电子数 的剧增导致的电介质材料初始损伤的形成，只不过这里引起导带电子数剧增的原 因是价带电子对激光的多光子吸收。 大量的实验观察表明，在入射激光的脉冲宽度( f w h m ) f 大于约1 0 皮秒的情 况下，同绝大多数的半导体材料和金属材料、包括绝大多数的镀膜的光学元件的 激光损伤规律相一致，透明材料的激光损伤阈值通量密度瓦大致与f 班成正比， 这就是人们熟知的f 班标度律i s 一而这一标度律是与经典傅立叶热传导理论相一 致的，或者说是经典傅立叶热传导理论的必然结论。 进一步的实验观察表明，当脉宽降至约几个皮秒之下后，瓦不再遵从f v 2 标 度律。面对这种形势，人们不得不在实验上重新探索并在理论上重新认识飞秒光 脉冲造成介质破坏的机制和规律h q 。此外，实验研究还表明，飞秒激光对材料 损伤阈值的随机性和不确定性很小，似乎更趋向于激光的脉冲能量的不确定性； 介质的破坏总是首先出现在光束中光强最大的地方，而介质表面的污染以及缺陷 等对阈值没有明显的影响；对于固定能量的脉冲，如果脉宽大于某个临界值， 即使用重复率为i o o m h z 的脉冲照射几分钟也不会造成介质破坏，而一旦把脉宽 降到气之下，一个脉冲就足以造成材料的破坏【1 2 j 。 i 3 飞秒激光金属损伤问题 在过去的二十年里，人们在利用飞秒超短脉冲激光加热金属材料靶的学术 领域，开展了大量的理论和实验研究工作。而其中的非平衡能量传输过程一直 是相关理论研究中的重点课题【1 3 。州。 ， 金属材料对入射光子的吸收主要是通过金属中大量存在的自由电子的热吸 收来实现的。由于电子与晶格声子之间的能量交换是一个皮秒量级的弛豫过 四门1 人学硕士学位论文 程。，所以在亚皮秒及飞秒激光脉冲作用下，电子系统与声子系统之间就会出现 明显的非平衡热行为。换句话说就是，电子的温度和晶格的温度需要分别定义， 并且在亚皮秒和飞秒脉冲激光的作用下，电子的温度要比晶格的温度高得多 1 3 , 1 7 , 1 9 l 。 在超短脉冲加热金属材料靶或金属薄膜时，它的能量传输包括如下的两个 步骤m1 7 2 1 】。首先，在超短脉冲激光的辐照期间，通过电子光子相互作用吸收 得到的能量，需要几个飞秒的时间，才能在电子气系统之间重新达到费米分布 状态，或者说才能在电子气系统的局部区域内建立起一种近似的热平衡状态。 这个约为几个飞秒的特征时间即被称为电子弛豫时间。尽管在这个特征时间里 电子也处于非平衡的状态，但是从文献【1 3 l 中可知：当激光脉宽远小于电子的弛 豫时间时，还是能用玻尔兹曼输运理论导出的模型，相当准确的计算出电子的 温度。在单脉冲辐照期间晶格的温升几乎可以忽略。 ” 之后，电子气体系内的能量通过电子声子相互作用向晶格传递。这个过程 通常需要几十个皮秒。尽管电子声子碰撞时间可以与电子电子碰撞时间相比 拟，但因为晶格的质量比电子大得多，自由电子要把能量传给声子还是需要很长 的时间。自由电子与晶格的温度达到平衡的特征时间称为热化时间。在这个过 程中，声子温度可以用玻色爱因斯坦分布描述。 上述双温模型的理论构想被许多实验证明1 9 , 2 2 - 2 6 ，因此在研究超短脉冲 时得到了广泛的应用。特别是q i u 和面c n 【嬲l 以及q i ue ta i 吲研究组在这个领 域做出了巨大的贡献，他们提出了好的理论并实验验证了它 2 2 6 1 。 然而，当前的双温模型得出的结论是在温度远低于费米温度的情况下得到 的。当激光的能流密度等于或稍大于金属材料的激光损伤阈值时，金属中自由 电子气的温度可以达到与费米温度相比拟的值。因此，目前的双温模型只适用 于能流密度比较低的情况。用它计算金属的损伤阈值就不太准确。 1 4 飞秒激光半导体损伤问题 近年来半导体激光器己经在光通讯、光网络、固体激光器的泵浦、光纤传 感、激光测距、激光检测、激光医疗以及激光加工等方面得到了越来越广泛的 四川大学硕士学位论文 应用。 此外，半导体材料也己普遍用于光调制器、光接受器、非线性光学元件以 及透镜、窗口和反射镜光学元件的制造。而在每一个元器件的应用过程中，几 乎都要涉及至0 材料的激光损伤问题。 ， 从1 9 7 0 年代起，国际上许多研究单位及课题小组已经对各类半导体材料的 激光损伤机制及其过程等展开了大量的理论和实验研究工作1 2 7 蕊1 在相应材料 的激光退火眇】过程中，最吸引人的现象是在其过程前后伴随产生的相变和结晶 化。通过对相关问题的大量实验研究h o - * s l ，入们发现： 当入射激光的脉冲宽度大于相应半导体材料中载流子晶格之间能量交换 的弛豫时间( 约为几个p s ) 时，相变过程通常被认为是一个纯粹的( 但却是快 速的) 热力学过程。而当亚皮秒超短脉冲激光与材料相互作用时，则可能产生 非热熔化的破坏过程。 ， 尽管人们已经进行了大量的理论研究工作，但目前对熔融等损伤阈值的计 算与评估却还没有一个统一的结论。目前用来评估半导体材料损伤阈值的理论 方法大致有以下的两种：， 1 单速率方程1 4 9 】理论。考查的是导带中的电子密度。当导带中电子 密度超过一个临界值时，即认为熔融损伤已产生。 2 自恰f 5 0 1 模型。同时考查的参量有导带中的电子密度、载流子的温 度和晶格的温度。其用来评价损伤的参量可以是电子密度，也可以 是晶格温度。由于该模型中忽略了扩散项，所以在脉宽小于2 p s 的情况下，与硅等材料的实验结果符合得很好，但在激光脉冲较长 时则会产生较大的偏差。 1 5 本论文的主要内容 通过上述对飞秒激光对金属材料和半导体材料损伤问题的理论及实验研究 的发展历程的回顾，我们可以发现，相关的研究工作中，还有许多可以深入探讨 的问题。有鉴于此，我们针对飞秒脉宽的超短脉冲激光辐照条件下的金属材料和 半导体薄膜的损伤机制等问题，主要进行了以下的研究工作： 1 在对偏微分方程有限差分数值解法中的一些基本问题和对非 7 四川大学硕士学位论文 f o u r i e r 热传导模型的发展历程及其几个有代表性的阶段性理论进 行了深入回顾以及详细介绍的基础上，提出了我们自己的双温双曲 模型。并详细地介绍了该模型的建立过程及数值求解方法一具有人 工粘性的和时间步长自适应调节能力的前向差分算法。 利用标准c 语言编制了计算程序，在普通个人计算机上进行了模 拟计算。对特定参数条件下的特定金属材料薄膜金膜表面及体内 的电子温度、晶格温度、电子热流、晶格热流等参量随时间和空间 的变化规律等，进行了详细的计算与分析。 对各类激光系统中可能用到的各类半导体材料的光学强度、激光损 伤闽值( l i d t ) 和激光自损伤( c o d ) 等损伤类型的定义及检测方 法、l d 器件的输出功率对其寿命的影响、半导体材料激光损伤的 机制和过程，以及改善半导体激光材料抗损伤阈值的方法等，作了 系统的总结与说明。 给出了考察和分析超短脉冲激光对半导体材料损伤过程的自恰模 型的通用建模方法。对模型采用有限差分解法，初步考查了超短脉 冲激光辐照过程中，相应半导体材料的载流子浓度、载流子温度、 晶格温度等的变化规律及其相互制约关系。若结合热弹塑性等动 力学模型，还可完成超短脉冲激光冲击波及超声波的传播特性及相 关超声检测技术的分析。还可考查半导体激光材料在超短脉冲激光 条件下的光学强度。 参考文献 【i 】h o p m rrw , u h l dr j a p p l p h y s ，1 9 7 0 ( 4 1 ) ：4 0 2 3 【2 】d d u ，xl i u , gk o m , j s q u i e r , a n dgm o m o u ，a p p l p h y s l c t t 6 4 ，3 0 7 1 ( 1 9 9 4 ) 【3 】李仲伢，程雷，李成富光学学报，1 9 9 9 ( 1 9 ) ：6 9 4 6 9 7 【4 】b cs m a r t , m d f e i t a lr u b e n c h i k , b w s h o r e 。a n dm d ，p e r r y , p h y s k 比 7 4 ，2 2 4 8 ( 1 9 9 5 ) 【5 】m o m m a c ，c h i c h k o v b n m o l t e se ta 1 “s h o r t - p u l s e l a s e ra b l a t i o no fs o l i d t a r g e t s ”【j 】o p t c o m m u n ，1 9 9 6 ，1 2 9 ：1 3 4 1 4 2 8 四川大学硕士学位论文 【6 1d ud ，l i u ) ( k a mg e t a ，l “la s e r - i n d u c e db r e a k d o w nb yi m p a c ti o n i z a t i o ni ns i 0 2w i t h p u l s ew i d t h sf r o m7m t o1 5 0f s ，”【j 】a p p lp h y sl e t t ，1 9 9 4 ，6 4 ( 2 3 ) ：3 0 7 1 3 0 7 3 7 1s t u a r tb c tf e i tmd ，r u b e n c b i kame ta 1 l a s e r - i n d u c e dd a m a g ei nd i e l e c t r i c sw i t h n o n a s e c o n dt os , , b p i c o s e c o n dp u l s e ”【j 】p h y sr e vl e l l , 1 9 9 5 ，7 4 ( 1 2 ) ：2 2 4 8 2 2 5 1 ( 8 1l e n z n e rm ，i 血r g e rj ，s a r t a n i as e ta 1 “f e m t o s e c o o do p t i c a lb r e a kd o w ni nd i e l e c t r i c s p 】p h y sr e vl e t t ，1 9 9 8 ，s o ( 1 8 ) ：4 0 7 6 4 0 7 9 1 9 l i e na ，v a c a a ss ，k a p t e y nh e ta 1 。s h o r t - p u l s el a s e rd a m a g ei nt r a n s p a r e n tm a t e r i a l s a f u n c t i o no f p u l s ed m a t i o n ”明p h y sr e v l e f t - 1 9 9 9 ，8 2 ( 1 9 ) ：3 8 8 3 3 8 8 6 【1 0 】s t u a r tbc ，f e i tmd ，h e r m a nse ta 1 。n a n o s e c o n d - t o - f e m t o s e c o n dl a s e r - i n d u c e d b r e a k d o w ni nd i e l e c t r i c s m p h y sr e vb ，1 9 9 6 ，5 3 ( 4 ) ：1 7 4 9 1 7 6 1 【1 l lp e r r ym d s t u a r tbc ，s b a a k spe ta 1 u l t r s h o r t - p u l s el a s e rm a c h i n i n go fd i e l e c t r i c m a t e r i a l s ”唧j a 刚p h y s ，1 9 9 9 ，8 5 ( 9 ) ：6 8 0 3 6 8 1 0 【1 2 】j a s a p a r aj ，n a m p o o t h i r ia vv ，r u d u l p hw e ta 1 v h y a c a im e c h a n i s m so ff e m t o s e c o n d p u l s ei n d u c e dd a m a g ei nd i e l e c t r i ct h i mf i l m s 田s p i e ，2 0 0 1 ，4 3 4 7 ：3 5 4 4 【1 3 】r e t h f e l d , b ，k a i s 豇九，v l c a n e k , l ，a n ds i m o n , g ，2 0 吆 u l w a f a s td y a m i c so f n o n e q u i t i b r i u me l e c t r o n si nm e t a l su n d e rf e m l o s e o o n dl a s e ri r r a d i a t i o n , ”p h s r o y b 6 5 ，p p ，2 1 4 3 0 3 - 2 1 4 3 1 3 【1 4 1 d e lf a 呕n ，v o i s l n , c a c h e r m a n n , m ，t z o r t z a l f i s s c b r j s t o f t i o s ，d ，a n d e ，2 0 0 0 ， n o n e q u i h l n i n m e l e c t r o n d y n a m i c si nn o b l em e t a l s ，”p b y s r e v b 6 1 ， p p ，1 6 9 5 6 - 1 6 9 6 6 【1 5 1v u j i m o t o , j g ，u i l ，j m ，i p p e n ，e p ，a n db l o e m b e 唱e n , n ，1 9 8 4 ， f e m t o s e c o n dl a s e r i n t e r a c t i o nw l hm e t a l l i ct u n g s t e na n dn o n e q u i l i b r i n me l e c t r o na n dl a t t i c et e m p e r a t u r e ，”p h y s r e v l e t t ，5 3 , p p 1 8 3 7 1 8 4 0 【1 6 】s c h o e n l e i n , r w ，l j n ，w 乙，f u j i m o t o ，j g ，a n de e s l e y ，g l ，1 9 8 7 “f e m t o s e c o n d s t u d i e so fn o a e q u i l i b r i u me l e c t r o n i cp r o c e s s e si nm n a l s ，”p h y s r e v l e t t ，5 3 ，l a p 1 6 8 0 - 1 6 8 3 【1 7 q i n ，t q ，a n dt i e n ，c l ，1 9 9 2 ，。s h o g p u l s el a s c rh e a t i n go nm e t a l s ，”l n lj h e r a tm a s s t r a n s f e r , 3 5 ，p p 。7 1 9 7 2 6 9 四川大学硕士学位论文 【1 8 1q i u ，t q ，t i e n ，c l ，1 9 9 3 “h e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m sd u r i n gs h o n - p u l s el a s e rh e a t i n g o fm e t a l s ，”a s m ej h e a tt r a