（力学专业论文）飞秒激光烧蚀硅的分子动力学模拟.pdf

国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 摘要 本文基于三维“x 分区”模型和s w 势，编写了可以处理晶体硅的飞秒激光 烧蚀过程的分子动力学程序，在国内首次开展了飞秒激光烧蚀晶体硅的分子动力 学模拟；通过与实验结果和其它分子动力学模拟结果的比较，证明了分子动力学 模拟是一种很有价值的研究方法。 对比研究了硅的五种经验势函数，考察了原子间距、键角对系统总能量的影 响。结果表明，s w 势由于截断半径适中、参数较少、形式简单且具有一定的物 理基础，因而应用广泛。本文选择了s w 势进行分子动力学模拟，并推导出基于 s w 势的受力计算公式。 模拟了给定系统向n v t 系综和n v e 系综演化的过程以及系统自由演化的过 程，以便调试程序和考察各趋衡过程的性质。其中，f r e e 过程能很好地保持系 统的总能量守恒，并驱动系统很快达到合理的平衡，通常用于动力学加载后的趋 衡过程；n v t 模拟可以保持温度恒定，适用于描述系统在特定温度下的趋衡过 程。在激光烧蚀过程的模拟中，将会用到这两种平衡态分子动力学模拟。 发展了用于描述激光能量沉积过程的三维“x 分区 模型，研究了飞秒激光 光斑完全覆盖s i ( 1 0 0 ) 表面和小于s i ( 1 0 0 ) 表面两种情况下的烧蚀现象，得到了飞 秒激光烧蚀现象的一般特征。烧蚀过程自材料内部气泡的产生开始，由气泡的发 展最终导致。烧蚀材料可分成晶体区、熔化区和烧蚀区三部分，三个区域中原子 的运动分别具有固体、液体和气体粒子的运动特征。观察到烧蚀过程中激光诱导 应力波的产生与传播。熔化区的应力波是由原子的飞散引起的稀疏波。晶体区的 应力波以声速传播。 系统地分析了激光参数和激光加载方式对烧蚀现象的影响。结果表明：对于 能通量相同的短脉冲和长脉冲激光，短脉冲的烧蚀现象比长脉冲剧烈，热效应比 长脉冲小；脉宽一定的情况下，随着激光能通量的增加，烧蚀现象加剧，存在一 个能恰好使材料烧蚀的能通量，即烧蚀阈值；空间谱决定激光能量的空间分布， 不同的空间分布将会产生不同的烧蚀现象；随着波长的增加，光子能量降低，相 应激光在晶体硅中的吸收系数减小，烧蚀过程的热损伤和热影响区域大大增加。 激光加载有长时间加载和瞬时加载两种方式，两者的区别在于激光能量沉积过程 是否伴随系统的趋衡过程。瞬时加载和长时间加载对飞秒激光烧蚀现象的影n 向差 别很小，因此可以用瞬时加载代替长时间加载以简化计算。但是瞬时加载在很大 程度上夸大了皮秒激光的烧蚀现象，故不能用瞬时加载简化皮秒激光的作用过 程，可以采用将长脉冲激光离散为飞秒激光的方法来简化计算。 主题词：飞秒激光，硅，烧蚀，分子动力学 第i 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，am o l e c u l a rd y n a m i c sp r o g r a mh a sb e e nw r i t t e no u tt oh a n d l et h e f e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i o no fc r y s t a ls i l i c o n t h ep r o g r a mi sw r i t t e ni nf o r t r a n ， p a r a l l e l i z e db yt h em e a no fd e c o m p o s i n ga t o m s ，a n do p t i m i z e db yt h en e i g h b o r l i s t m e t h o dt or e d u c et h et i m ee x p e n d e di nt h ef o r c ec a l c u l a t i o n t h er e s u l t sa g r e ew i t h t h ee x p e r i m e n t a la n do t h e rn u m e r i c a lr e s u l t s ，w h i c hi n d i c a t et h em o l e c u l a rd y n a m i c s m e t h o di sv a l u a b l ef o rp r o b l e m so fl a s e ra b l a t i o n c o m p a r a t i v es t u d yo ff i v ee m p i r i c a lp o t e n t i a l sf o rs i l i c o nw a sp e r f o r m e d i n f l u e n c e so fb o n da n g l e sa n dd i s t a n c e sb e t w e e na t o m so nt h es y s t e me n e r g yw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o ws wp o t e n t i a li sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sm o d e r a t e c u t o f fr a d i u s ，l e s sp a r a m e t e r s ，s i m p l e rf o r ma n dp h y s i c a lf o u n d a t i o n s t h u s ，s w p o t e n t i a lw a sc h o s e nt o d e s c r i b et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na t o m si n t h i s p a p e r e q u a t i o n so ff o r c ec a l c u l a t i o nw e r ee d u c e db a s e do ns wp o t e n t i a l e v o l u t i o n so fi n i t i a ls y s t e m st on v ta n dn v ee n s e m b l e sb e s i d e st h ef r e e e v o l u t i o nw e r es i m u l a t e di no r d e rt o d e b u gt h ep r o g r a ma n di n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a l a n c i n gp r o c e s s e s t h ef r e ep r o c e s sc a nc o n s e r v et h et o t a l e n e r g yw e l la n dd r i v et h es y s t e mt or e a c har e a s o n a b l ee q u i l i b r i o u ss t a t eq u i c k l y ，s oi s u s u a l l yu s e di nt h eb a l a n c i n gp r o c e s sa f t e rad y n a m i c sl o a d i n g t h en v tp r o c e s sc a n k e 印t h et e m p e r a t u r ec o n s t a n ta n di ss u i t a b l ef o rt h eb a l a n c i n gp r o c e s sa tag i v e n t e m p e r a t u r e b o t ho ft h et w op r o c e s s e sw e r eu s e di nt h es i m u l a t i o n so fl a s e ra b l a t i o n a3 一d 一s e c t i o n ”m o d e lw a sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h ed e p o s i t i o np r o c e s so f l a s e re n e r g y b a s e do nt h e3 一d - s e c t i o n ”m o d e l f e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i o n so f s i ( 10 0 ) w e r es i m u l a t e du n d e rt w oc o n d i t i o n sw h i c hw e r et o t a lc o v e r i n go ft h el a s e r s p o to nt h et a r g e ts u r f a c ea n dl e s sl a s e rs p o tt h a nt h et a r g e ts u r f a c e t h r o u g ht h e s i m u l a t i o n s c o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i o nw e r eg o t t e n t h ea b l a t i o nb e g i n sf r o mt h ee m e r g e n c eo fb u b b l e sa n di se v e n t u a l l yi n d u c e db y d e v e l o p m e n t so ft h eb u b b l e s t h ea b l a t e dm a t e r i a l i sc o m p o s e do fc r y s t a l m e l t e da n d a b l a t e dr e g i o n si nw h i c ha t o m sm o v ej u s tl i k e p a r t i c l e si ns o l i d ，l i q u i da n dg a s r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r t w ok i n d so fl a s e r i n d u c e ds t r e s sw a v e sw e r ec a p t u r e d o n e i nt h em e l t e dr e g i o ni sc a u s e db yt h ed i s p e r s i o no fs u r f a c ea t o m s ；t h eo t h e ri nt h e c r y s t a lr e g i o np r o p a g a t e sw i t ht h es o u n dv e l o c i t y i n f l u e n c e so fl a s e rp a r a m e t e r s ( s u c ha sp u l s ew i d t h ，i n t e n s i t y ，s p a t i a ls p e c t r u m a n dw a v el e n g t h ) a n dl o a d i n gs t y l e so na b l a t i o np h e n o m e n aw e r ea n a l y z e d s y s t e m i c a l l y t h er e s u l t ss h o w ：w i t ht h es a l r l ee n e r g yf l u x ，t h es h o r tp u l s ep r o d u c e s m o r es e r i o u sa b l a t i o np h e n o m e n at h a nt h el o n gp u l s e ；a tf lg i v e np u l s ew i d t h ，a b l a t i o n b e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h ei n c r e a s eo fl a s e ri n t e n s i t y ，t h el e a s ti n t e n s i t y w i t hw h i c ht h el a s e rc a na b l a t et h et a r g e ti sc a l l e da b l a t i o nt h r e s h o l d ；t h es p a t i a l s p e c t r u md e t e r m i n e st h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fl a s e re n e r g y ，a n dw i l ll e a ds p e c i f i c 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博十学何论文 a b l a t i o np h e n o m e n a ；t h el a s e rw i t hl o n g e rw a v el e n g t hh a sp h o t o n sw i t hl o w e re n e r g y a n dal a r g e rt h e r m a l a f f e c t e dr e g i o ni nt h ea b l a t i o np r o c e s s t h e r ea r et w ol o a d i n g s t y l e so ft h ei n c i d e n tl a s e r o n ei sl o n g t i m el o a d i n ga n dt h eo t h e ri si n s t a n t a n e o u s l o a d i n g t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi sw h e t h e rt h ed e p o s i t i o np r o c e s so fl a s e r e n e r g yi sa c c o m p a n i e dw i t ht h eb a l a n c i n gp r o c e s so ft h es y s t e m t h ea b l a t i o n p h e n o m e n ao ff e m t o s e c o n dl a s e r su n d e rt h et w ol o a d i n gs t y l e sa r ea l m o s ts a m e s o t h ei n s t a n t a n e o u sl o a d i n gc a nb eu s e di nf e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i o n st or e d u c et h e s i m u l a t i o nt i m e h o w e v e r i ti sn o te f f e c t i v et ot h ep i c o s e o n c dl a s e ra b l a t i o nb e c a u s e o fm a g n i f y i n gt h ea b l a t i o n p h e n o m e n a d e c o m p o s i n gt h el o n gl a s e rp u l s ei n t o f e m t o s e c o n dl a s e r sm a yb eu s e dt os i m p l i f yt h es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r ，s i l i c o n ，a b l a t i o n ，m o l e c u l a rd y n a m i c s 第i i i 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 表目录 表1 1 世界上各研究小组得到的阈值结果总结1 4 表2 1 本文模拟所采用的基本单位与导出单位4 0 表3 1 五种经验势的石( 厂) 、破( ，) 、晚( ，) 的表达式4 6 表3 2p t h t 势、b h 势、s w 势、t e r s o f f 势和d o d 势的相关参数4 9 表3 3 平衡态分子动力学模拟结果6 0 表3 4 不同节点数对应的单步运算时间6 0 表4 1 靶材料参数表6 6 表4 2 算例l 的参数6 7 表4 3 算例2 的参数7 l 表4 4 算例3 的参数7 5 表4 5 算例4 的参数7 8 表4 6 算例1 、4 、5 、6 的参数8 0 表4 7s i ( 1 0 0 ) 与s i ( 11 1 ) 烧蚀过程的特征参数8 2 表5 1 算例2 、7 的参数8 7 表5 21 0 0 f s 、5 0 0 f s 和l p s 激光脉冲的烧蚀阈值9 0 表5 3 算例8 的参数9 l 表5 4 算例9 的参数9 3 表5 5 算例10 、1 1 的参数9 5 表5 6 算例2 、7 、1 2 的参数9 8 第1 v 页 国防科学技术火学研究生院博十学位论文 图目录 图1 1 一种反传感器激光系统示意图2 图1 2 纳秒激光与飞秒激光打孔加工对比3 图1 3 不同重复率激光脉冲的切割效果3 图1 4 模拟系统示意图9 图1 5 名分区”模型示意图1 0 图1 6 热浴模型示意图1o 图1 7 热扩散模型示意图1 1 图1 8 飞秒激光烧蚀硅的原子快照1 2 图1 9 激光脉宽和脉冲数对烧蚀形貌的影响1 2 图1 1 0 激光应力波波峰位置随时间的变化1 3 图1 1 1 不同能通量的均匀激光脉冲与硅表面原子相互作用的效果图1 3 图2 1 近邻列表法与细分单元法示意图2 7 图2 2 晶体s i 沿 1 0 0 方向形成初始结构的原胞3 0 图2 3 晶体s i 沿 1 0 0 方向形成的初始结构3 0 图2 4 晶体s i 沿【1 ll 】方向形成初始结构的原胞3 1 图2 5 晶体s i 沿 1 11 】方向形成的初始结构3 1 图2 6 周期性边界条件示意图3 2 图2 7 最近邻像变换示意图3 2 图2 8 程序流程图4l 图3 1 三体势中，与三个原子相关的距离和角度示意图4 7 图3 2 对势圪( ，) 的对比5 0 图3 3g 随目的变化5 0 图3 4 三体势圪随口的变化5l 图3 5 三原子系统的势能u 随p 的变化51 图3 6 键角一定的情况下，三原子系统的势能u 随，的变化5 2 图3 7 初始速度分布5 5 图3 8f r e ee m d 模拟中，系统宏观量的演化。5 6 图3 90 p s 、0 2 p s 和4 p s 三个时刻，原子合速度的分布曲线5 7 图3 1 0f r e ee m d 模拟中，0 2 p s 和0 p s 时刻原子的分速度分布5 7 图3 1 1n v te m d 模拟中，系统宏观量的演化5 8 图3 1 2n v ee m d 模拟中，系统宏观量的演化5 9 图3 1 3 单步运算时间随节点数的变化6 1 图4 1 激光烧蚀现象示意图6 3 第v 页 国防科学技术人学研究生院博十学位论文 图4 2 靶材料分区示意图6 5 图4 3 算例1 模拟中，激光脉冲结束时刻材料的激光能量分布6 7 图4 4 算例l 模拟中，材料的烧蚀过程6 8 图4 9 算例2 模拟中，材料的烧蚀过程7 2 图4 1 0 算例2 模拟中，0 1 0 0 p s 和4 0 7 2 p s 时刻的原子快照7 3 图4 1l 算例2 模拟中，4 1 0 2 p s 时刻烧蚀粒子的运动轨迹和熔池截面7 3 图4 1 2 长时间加载0 1 0 0 p s 和瞬时加载0 0 3 l p s 时刻的原子快照比较7 4 图4 1 3 算例3 模拟中，o p s 时刻材料中的密度、温度和压力分布7 5 图4 1 4 算例3 模拟中，几个时刻材料中的密度、温度和压力分布7 6 图4 1 5 算例3 模拟中，个稀疏波作用下材料中的密度和压力分布7 7 图4 1 6 算例3 模拟中，0 1 5 3 p s 时刻产生的稀疏波的传播7 8 图4 1 7 算例4 模拟中，材料的烧蚀形貌7 9 图4 1 8 算例4 模拟中，材料在不同时刻的压力分布7 9 图4 1 9 算例4 模拟中，压力峰值的位置随时间的变化8 0 图4 2 0 算例5 模拟中，激光脉冲结束时刻材料的激光能量分布8 1 图4 2 1 算例1 、5 模拟中，s i ( 1 0 0 ) 军1 s i ( 11 1 ) 的最终烧蚀形貌对比8 1 图4 2 2 算例5 模拟中，材料的烧蚀过程8 2 图4 2 3 算例6 模拟中，3 0 5 4 p s 时刻材料的烧蚀形貌8 3 图4 2 4 算例6 模拟中，材料在不同时刻的压力分布8 3 图4 2 5 算例4 、6 模拟中，压力峰值的位置随时问的变化8 4 图5 1 算例7 模拟中，材料的烧蚀过程8 8 图5 2 算例2 模拟中，材料的烧蚀过程8 8 图5 3 算例2 、7 模拟中，4 0 7 2 p s 时刻材料的烧蚀形貌8 9 图5 4 烧蚀阈值与脉宽的关系9 0 图5 5 算例8 模拟中，( a ) o 1 0 0 p s 时刻和( b ) 3 0 5 4 p s 时刻的原子快照。9 2 图5 6 算例9 模拟中，材料的烧蚀过程9 3 图5 7 算例2 、7 、9 模拟中，4 0 7 2 p s 时刻材料的表面形态9 4 图5 8 算例1 0 模拟中，0 1 0 0 p s 时刻的原子快照9 6 图5 9 算例1 0 模拟中，9 1 6 2 p s 时刻的原子快照9 6 图5 1 0 算例1 1 模拟中，材料的烧蚀过程9 7 图5 1 1 算例2 、7 、1 2 模拟中，系统能量的演化9 9 图5 1 2 算例2 、7 、1 2 模拟中，激光脉冲结束时刻材料的激光能量分布9 9 图5 1 3 算例2 、7 、1 2 模拟中，激光脉冲结束时刻的原子动能分布1 0 0 图5 1 4 算例2 、1 2 模拟中，0 4 0 7 p s 时刻的原子动能分布1 0 0 图5 1 5 算例2 、7 、1 2 模拟中，1 6 0 8 p s 时刻的原子动能分布1 0 0 图5 1 6 算例2 、7 、1 2 模拟中，材料的烧蚀过程1 0 1 第v l 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 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 学位论文题目：玉壁遨左烧鱼壁鲍佥王邈左堂搓拯 学位论文作者签名： 乏砬圭芝 日期：2 0 2 0 0 3 年，0 月多日学位论文作者签名： 盔坦芝 日期：年，月占日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 至亚之芝 日期：加口各年，矿月多日 作者指导教师签名：三霉硅 日期：沪年i ? 月l 日 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 激光烧蚀是指激光引起的材料的气化、焦化、喷射或燃烧使得材料表面发生 质量迁移的现象l l j ，是激光与材料相互作用的一种表现形式。烧蚀过程之后，材 料被破坏，其形式有能量损伤和功率损伤两种。能量损伤是指长脉冲和连续激光 的高能量引起的热效应损伤，多以热熔融形式为主；功率损伤是指高功率短脉冲 激光的电场效应引起的应力损伤，以炸裂形式为主。 由于短脉冲激光的热效应小，可以达到比长脉冲高的加工精度，因此被广泛 地应用于材料加工领域【2 l 【3 1 。自1 9 6 0 年激光器问世以来，激光短脉冲化的研究就 没有停止过。脉冲激光正朝着更短脉宽、更高峰值功率的方向发展着。超短脉冲 激光是激光短脉冲化过程中的一种典型的脉冲激光，其脉宽等于或小于准自由电 子和晶格离子碰撞的平均时间【4 】，一般是亚皮秒、飞秒或更小量级。1 9 8 1 年，贝 尔实验室的f o r k 和s h a n k 等人p j 首次利用对碰脉冲锁模染料激光器产生了l o o f s 的可见光脉冲。1 9 9 1 年，s p e n c e 等人1 6 j 首次研究成功以掺钛蓝宝石为增益介质 的飞秒自锁模激光器，将飞秒激光器推进到固体激光器的新天地，标志着飞秒激 光技术进入了一个新的发展阶段。固体激光器的产生和发展促进了飞秒激光在材 料加工领域的应用。 飞秒激光具有高峰值功率、极短的作用时间以及非线性吸收等特点。在飞秒 激光作用下，靶物质的参数变化只在激光脉冲穿过该介质后才发生，在脉宽时间 内热传导和流体运动可以忽略，热损伤和热影响区域也大大减少。高温、高压、 高场强等极端物理条件使得超短脉冲激光具有足以使任何材料发生完全电离的 功率，而不受目标材料初始状态的限制，因此烧蚀过程是确定的和可控的。由于 具有上述特性，飞秒激光已被广泛应用于物理【7 】【引、化学【9 1 、生物掣10 1 、光电子 学【】【1 2 】等领域并得到了飞速发展。 视。 1 1 飞秒激光烧蚀的应用 激光烧蚀在军用和民用领域的应用越来越广泛【1 3 1 【1 4 1 ，正受到越来越多的重 1 1 1 军用 高科技战争是当代尖端科技发展的客观结果。随着微电子技术、纳米技术等 高科技的发展，军事领域的知识与技术成分不断提高。电子信息技术、隐身技术 和精确制导技术的广泛应用，使得交战双方将在“不接触 、“超视距”状态下 第1 页 国防科学技术火学研究生院博十学位论文 。，一- - - 。 键嘉趸三；l 圉7 图1 1 一种反传感器激光系统示意图 第2 页 国防科学技术人学研究生院博七学位论文 1 12 民用 电子、光子和生物医学器件向小型化发展的趋势促进了激光微细加工的发 展。激光微细加工是利用激光技术加工具有微米精度的小部件、具有微小特征尺 寸的结构或切割材料，必须满足以下两项要求：( 1 ) 能加工出极小的特征尺寸； ( 2 ) 必须使加工周边的热损伤尽量少，产生的醉屑尽量少。 传统激光微细加工通常采片j 短波长的紫外激光。紫外激光的聚焦光斑尺寸受 衍射极限限制，能加工 很小的特征尺寸；在加工过程巾高能光子卣接切断原 子问的连接键，从而使加工形状怙j 边热损伤和热影响区域小m ”。但由于紫外 辐射能被许多透明材料吸收，且当波长丘 2 0 0 n m 时，还存在聚焦光学元件表面 辐射损伤问题，因此利用紫外激光只能进行透明材料的表面加工。同时，紫外激 光在更短波长方向的发展也有限，波长在1 5 7 m n 以下的紫外激光很难获得。 相对于传统激光微细加工飞秒激光产生的热影响区域更小，能够得到更高 的加工精度，加工的特征尺度可以小至几十纳米，是能真正麻用于纳米加工领域 最理想的工具删。图12 给出了纳秒激光与飞秒激光加工钛会属孔的实例。 可以看出飞秒激光的加工边缘比纳秒激光清晰，j l 乎无熔融区。 使用高重复率的飞秒激光器能高效地完成微细加工任务。高重复率飞秒激 光，除了空间分辨率高外，还比传统的聚焦离子束技术速度更快、成本更低。图 13 所示为三种重复率的激光脉冲加工的结构。加工复杂的结构必须使用高重复 率激光。 圈i 2 纳秒檄光与e 秒激光打孔加i ：对比 ( a ) 纳秒激光；( b ) 飞秒馓光 幽1 , 3 不同重复率激光脉冲的切割效果 飞秒激光己成功地应用于金属、半导体和电介质材料的微细加工2 1 1 1 2 2 e 2 3 】， 主要进行打孔和切割。飞秒激光还能对透明材料进行体内微加工，从而得到三维 光波导口4 心】、光耦台器件“脚l 、光栅吲例和光存储器。在医疗上，利用飞 秒激光热效应小的特性，可以在不损伤周围组织的前提下，进行脊椎、心脏机能 恢复、近视矫正等手术p ”。 目前飞秒激光应用仍处于初期阶段。随着理论工作的进一步完善和加工技术 的逐步成熟，飞秒激光将在纳米技术领域发挥越来越重要的作用。 第3 页 国防科学技术火学研究生院博十学位论文 1 2 飞秒激光的烧蚀机理 普遍认为，在激光烧蚀过程中存在两种烧蚀机制：热烧蚀和冷烧蚀。 高能量激光脉冲辐照材料表面会引起热烧蚀。辐照过程中，材料被快速加热、 熔化；固一液界面的材料发生膨胀和气化，熔滴被加速而飞出材料表面【3 3 j ；粒子 快速逃逸产生的反向冲量传至熔液表面也可以引起材料的飞溅 3 4 1 。另外，熔液 表面由于气化的原因可能要比其底部层面温度低，这种不平衡状态会使底部较热 区域快速向外膨胀，从而导致材料发生爆炸1 3 5 1 。在由具有不同热力学性质的材 料组成的层状固体中，快速加热会在层界面处产生热激波，使材料产生分裂，从 而引起烧蚀p 州。 冷烧蚀又称电子烧蚀，基本上不依赖于热。一般认为在该机制中存在两个量 子进程。一是激光吸收过程破坏了材料的化学键，引起材料的飞散1 37 】；二是光 子激发产生电子一空穴对，电子一空穴对的势能直接与原子的动能耦合，赋能原子 因此可以克服表面结合能，从材料中逸出【3 引。 在一个激光烧蚀过程中，热烧蚀和冷烧蚀均会起作用。在激光脉冲前沿与材 料的相互作用过程中，冷烧蚀占主导地位，因为此时显著的加热过程还没开始。 当激光脉冲结束后，物体的温度迅速升高，热烧蚀机制开始对烧蚀过程产生影响。 哪一种机制占主导地位将由材料的化学、物理性质以及入射激光的特征决定。一 般来说，产生烧蚀现象的难易程度与材料的热学、光学和量子力学性质有关，其 中最重要的两个特征参数是材料对激光的吸收系数和材料的热传导率。例如，如 果材料对激光有很强的吸收能力，则烧蚀结果表现为显著的加热，可以忽略冷烧 蚀机制。 飞秒激光具有很高的峰值功率和光强，与材料相互作用时往往诱发如多光子 效应、自聚焦现象、雪崩电离等非线性现象。对飞秒激光与材料相互作用机理的 研究，目前还处于探索阶段。人们根据现有的实验现象和模拟结果，对不同材料 提出了不同的解释模型，主要有以下几种情况p 州： ( 1 ) 双温模型 双温模型 4 0 1 用于描述在激光脉冲辐照下，材料中由电子的加热时间( 1 0 叫4 s 量级) 短于电子对晶格的弛豫时间( 1 0 2 s 量级) 引起的具有独立温度的电子系 统和晶格系统。电子系统和晶格系统的温度可分别用f o u r i e r 热传导方程表示， 两个方程用一能量传递项联系起来f 4 j 】。电子对品格的弛豫时间与材料有关，一 般为几个皮秒。在飞秒时间尺度内，电子对晶格的弛豫过程还没有显著开始，可 以认为晶格温度是常数，双温模型被简化为自由电子的温度变化方程；在皮秒激 光领域，由于电子对晶格的弛豫时间与脉宽同量级，要用完整的双温方程描述材 料中的温度变化；在纳秒脉冲期间，由于激光脉宽远大于电子的加热时间以及电 第4 页 国防科学技术人学研究生院博十学何论文 子对晶格的弛豫时间，可以认为电子与品格的温度相等，双温模型可简化为热传 导方程【4 2 1 。 双温模型是描述飞秒激光作用下金属靶材内部电子和晶格温度演化动力学 的主要模型，已被用于计算热传导系数和电子声子耦合常数以及研究薄膜力学 属性和晶界效应等【4 3 】m 1 ，在预测激光损伤阈值上也很成功4 5 j 【4 6 儿4 7 1 。对于半导体 材料，由于导带的存在，其电子系统有别于金属中的电子系统。导带中的电子数 随着温度的变化而发生显著变化：同时，材料对激光能量的吸收也会促进电子向 导带的跃迁。因此，处理好激光辐照下半导体材料中的电子分布，是采用双温模 型描述激光烧蚀半导体材料的关键。 ( 2 ) 微爆炸模型 微爆炸是指在透明材料的a n - r - 过程中，在不损伤材料表面的前提下，在材料 内部很小范围内发生的爆炸现象。实验表明，飞秒激光能在透明材料内部产生微 爆炸现象，在材料内部形成一个微腔。微爆炸过程产生的巨大压力，将材料自爆 炸中心向外压缩成高密度材料【4 引。飞秒激光的微爆炸现象提供了一种自内部对 透明材料进行微加工的方法。另外，利用微爆炸时产生的条件可以进行高温高压 的微型实验研究。 ( 3 ) 库仑爆炸模型 库仑爆炸是指原子核发生内转换或电子俘获时，由俄歇过程引起的空穴串级 使分子高度电离引起的分子爆炸现象。库仑爆炸模型最初是针对材料的表面损伤 提出的【4 9 】【5 0 】。1 9 9 7 年，c h e n g 和g i l l a s p y 用大规模分子动力学方法研究了硅表 面的库仑爆炸【5 l 】。2 0 0 0 年h e n y k 等人【5 2 1 在飞秒激光烧蚀蓝宝石的实验中发现， 基本的烧蚀过程是由于表面爆炸及库仑爆炸引起的；对n a c i 和b a f 2 等宽带隙晶 体材料的实验研究，同样证实了库仑爆炸模型的合理性【5 引。半导体材料的飞秒 激光加工利用库仑爆炸模型得到了很好的解释。 ( 4 ) 阈值模型 j e s c h k e 等人【5 4 】将烧蚀阈值丸定义为：足以破坏晶格的稳定性，使系统出现 不可逆转的破坏，且至少能去除一层材料的激光能通量，其单位通常为j c m 2 。 研究表明，从连续波到几十个皮秒的脉冲波，在很大的能量范围内均能引起烧蚀。 而对飞秒激光而言，烧蚀阈值的偏离非常小，烧蚀从一种统计属性转变为一种确 定行为【5 5 】。因此，可以通过适当控制飞秒激光脉冲的能通量，使脉冲中心很小 区域的能量超过烧蚀阈值，来得到比焦斑更小的特征结构。利用材料具有确定烧 蚀阈值的特性，还可以克服加工过程中的衍射极限问题【5 6 】【5 7 】。 总的来说，各种材料的烧蚀过程基本都与阈值模型吻合，但至今还没有一种 模型能完全解释飞秒激光与各种材料的相互作用机制和具体的作用过程，所以这 一领域还需要进行大量的理论和实验研究。 第5 页 国防科学技术大学研究生院博十学何论文 1 3 激光烧蚀的研究方法 激光烧蚀在军用和民用领域r 益广泛的应用，对烧蚀机理的研究提出越来越 迫切的要求。飞秒激光与各种材料的作用机理各不相同，还没有一套完整的理论 予以解释。目前，主要有以下三种途径用来研究激光烧蚀情况下材料的动力学响 应规律：现场实验、实验室模拟和以数值模拟为主的理论研究。只有将这三种途 径有机地结合起来，才能比较全面地了解和掌握激光烧蚀过程的整个动力学过 程。 1 3 1 实验研究 一般的现场实验，代价高，不可能多次进行，相比之下，实验室实验比较容 易实现。由于不同激光束辐照时材料与结构的响应过程大体相似，所产生的许多 宏观热力学现象也基本相同，因此可进行各种实验手段相互间的模拟研究。但由 于材料与结构在不同脉冲束辐照下的响应各具特点并存在差异，因此我们不能直 接用某种脉冲束的辐照实验结果代替和推断相同辐照条件下另一种脉冲束的辐 照效应，还需要建立某些近似的等价条件。 1 3 2 数值模拟 随着科学技术的发展，计算机的计算能力飞速提高，数值模拟逐渐成为独立 于理论和实验的第三种研究手段。数值模拟的优势在于无需过多的简化假设，从 而比一般的理论研究更为接近实际情况，同时能够得到一些实验无法测量的超快 微观现象。它是沟通理论分析和实验研究的桥梁。 按照研究尺度，可将数值模拟大致划分为宏观、介观和微观三个层次。在宏 观尺度下，材料被处理为连续介质，可利用连续介质力学相关知识进行模拟；在 微观尺度下，材料的电子结构起关键作用，量子效应非常明显，需要用量子力学 理论解决问题；介观尺度介于宏观和微观之间，介观模拟方法以原子为单位处理 问题。 1 3 2 1 连续介质力学方法 连续介质力学方法是一种宏观数值模拟方法，在模拟激光烧蚀问题时，通常 采用以下假定【5 9 】：处于固态、液态、气态和等离子体态的靶物质都是连续的、 无粘性的可压缩流体，既不考虑固态靶物质的弹塑性，也不考虑气体中各组分粒 子微观分布的各向异性；满足p l a n c k 分布的辐射场与满足m a x w e l l 分布的电子 之间处于局部热动平衡，即辐射温度场等于电子温度；电子和离子通过c o u l o m b 碰撞、电子和中性原子通过弹性势交换能量；气相中的激光吸收机制是逆韧致吸 第6 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 收，凝聚态中的吸收机制是导带电子吸收；光速无限大；等等。 激光烧蚀问题的数值模拟除了要处理辐射流体力学问题外，还要对相变面的 物理状态作较精确的模拟。烧蚀过程中的相变面是位置不断移动的强问断面。相 变面问题不同于冲击波问题，不能用光滑化措施处理；也不同于s t e f a n 问题p 引， 不能只讨论热传导的动界面问题。如何给定相变面的连接条件以及给多少个连接 条件，都是具有相当难度的问题，目前主要有两种解决途径：一是通过自变量的 变换，将定解区域变为规则区域，从而相变面在新坐标系中是固定不变的；二是 对界面进行跟踪计算【5 9 】。前者的缺点是微分方程在变换下变化很大，模拟中需 要处理变换的奇异性。而后者在远离相变面区域和相变面附近区域分别采用不同 的差分格式，模拟中针对相变面的运动还需作复杂的逻辑处理，在逻辑和精度上 要优于前者，但会产生较大的计算量。 1 3 2 2 分子动力学方法 分子动力学( m d ：m o l e c u l a rd)是一种介观尺度的确定性数值模拟_vnamics 方法，本身是一种成熟的工具。但是早期的分子动力学模拟受计算机硬件水平的 限制，可研究的时空尺度不理想。2 0 世纪8 0 年代，计算机技术和势函数理论的 发展使得应用分子动力学方法进行固相问题的模拟成为可能。近年来，分子动力 学模拟以其高效性和经济性成为在多种领域应用较为广泛的研究手段。 分子动力学方法将经典牛顿运动力学应用到原子体系，通过对牛顿运动方程 积分得到每个时刻原子的位置、速度和受力等微观信息，而系统的宏观性质则用 经典统计物理的相关理论来描述，避免了连续介质假设的局限。 激光烧蚀的分子动力学模拟首先要解决两个关键问题：确定材料的势函数和 建立激光与物质的相互作用模型。 精确的势函数需要通过求解薛定谔方程获得。但是，对除了类氢原子外的其 它原子来说，精确求解薛定谔方程非常困难，势函数通常通过实验数据拟合和薛 定谔方程的半经验解法得到。根据势函数的类型，可将分子