飞秒激光诱导金属表面周期性结构分析*
孟 雪 陈传松 刘 栋 孙艳娜 满宝元**
【摘 要】摘要：为揭示飞秒激光烧蚀金属的表面形貌特征及物理规律，实验上利用飞秒激光微加工系统对不同条件下金属铜和钛的烧蚀特性进行了理论和实验研究，应用扫描电子显微镜和X射线能量色散分析装置进行检测，以分析烧蚀区域的形貌特征及物质成分.基于激光脉冲能量时空上的高斯分布特征和能量累积效应，讨论了脉冲个数对周期性波纹结构产生的影响，理论和实验符合的很好.并对材料的去除机理进行分析，为实现材料的精细加工提供了重要的指导. 【期刊名称】山东师范大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2015(030)002 【总页数】5
【关键词】飞秒烧蚀； 周期性形貌分析； 铜； 钛
上世纪九十年代后期，随着钛宝石飞秒激光器的研制成功，飞秒激光对材料的烧蚀过程开始进入人们的研究领域并取得了许多成就[1-3].飞秒激光的持续时间极短，脉冲的持续时间远远地小于晶格的热传导时间，能在极短时间内使电子温度达到极高，使材料瞬间由固态变为等离子体态，然而周围的材料仍然处于“冷”状态，因此与长脉冲激光相比，飞秒激光对材料的加工边缘非常精确，能够大大的克服热效应带来的弊端，这极大的促进了激光对材料的加工能力.通常，飞秒激光作用后的材料表面会出现周期性波纹结构，脉冲激光作用后产生的周期性结构有很好的应用前景，如可应用在超高密度纳米光栅、热光电元件、红外传感器的制作等方面.
自从飞秒激光诱导材料表面周期性结构规律被发现开始，许多研究者开始着手
对此进行研究，他们提出了一些理论模型，试图解释飞秒激光诱导材料表面产生周期性波纹结构的内在机制.1979年，Oron M等人最早提出了表面扩散波模型SSWM(surface scattered wave model)[4，5]，该模型认为周期性结构的形成是由于激光与物质相互作用的界面处激光入射波与表面电磁场扩散波的干涉形成的，这也是被广泛认可的关于周期性结构的理论模型，而且在很大范围内该理论模型与实验结果符合的很好,但是该模型无法成功解释激光烧蚀半导体锗，石英等表面产生的周期性结构，说明该模型具有一定的局限性.在表面扩散波模型基础上，20世纪80年代，Sipe J E等人提出能量非均匀沉积模型[6]，该模型认为，表面周期性结构的形成是由于激光入射场和材料表面下辐射剩余场相互作用导致的非均匀能量沉积导致的，但是表面散射波模型不能给出超短强激光诱导表面周期性结构的形貌特征如周期和锐度与靶材物性参数的关系,这又显示了该模型的局限性.Reif J等人于2002年提出了库仑爆机制[7]，但是同年Stoian R等人的研究结果表明，库仑爆在飞秒激光烧蚀金属作用过程中并不显著[8]，因此库仑爆模型也不能成功解释飞秒激光诱导金属表面产生的周期性结构的原因.2005 年，Wang J C和Guo C L等人研究了飞秒激光烧蚀 Cu,Al,Ag三种纯金属产生表面周期性结构的超快动力学[9].2007年,Guillermin M等人用超强飞秒激光烧蚀了纯金属Cu和半导体Si[10]，实验发现，当激光能量密度达到一定值以后，在单个脉冲烧蚀的情况下便可产生表面周期性结构，周期性结构的大小小于激光波长，这和以往的模型并不相符.但是研究人员并未给出这些结构形成的机制.总之，至今没有一种理论能够完全解释飞秒激光诱导材料表面产生周期性结构的内在本质机制，仍值得我们做进一步的研究. 本文主要从理论与实验两个方面分析了不同实验条件下飞秒激光烧蚀金属铜及
金属钛的形貌特征及形成的原因，结果表明，在相同激光能量下，随着脉冲个数的增加，烧蚀区域周围产生了较明显的周期性波纹结构，并从激光脉冲能量时空上的高斯分布特征和能量累积效应，讨论了脉冲个数对周期性波纹结构产生的影响，理论和实验符合的很好，通过测量波纹间距，间接推测出了入射激光偏角，并通过对相同条件下不同金属周期性条纹间距的测量推测出飞秒激光诱导金属金属表面周期性结构与金属种类无关，通过对激光烧蚀材料表面进行能谱分析，得出烧蚀后的金属表面含氧量要远低于未烧蚀过的金属表面，这对于飞秒加工起着很好的指导作用.
1 实验装置
我们采用的是Spitfire, Spectral physics飞秒激光器，输出的中心波长为800 nm，重复频率为1 kHz，单脉冲持续时间为35 fs.输出光束的空间分布接近于高斯分布,光束聚焦斑直径大小为13 μm，光斑形状为圆形.烧蚀靶为经过抛光后的铜靶，尺寸为2 cm×2 cm,厚3 cm,纯度为99.99%，样品在激光烧蚀前后均用酒精进行超声清洗，从激光器出来的高能量线性极化激光通过透镜聚焦后垂直照射在铜靶上,铜靶放于高精度手动控制三维移动平台上，单脉冲激光能量可控(在0-4 mJ范围内)，脉冲个数可通过电脑进行控制.烧蚀完成后，应用光学显微镜(Optical microscopy，OM),扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)以及能量色散分析装置(Energy dispersive X-ray detector, EDX)等分析技术对烧蚀形貌与成分进行分析.
2 实验结果与分析
激光烧蚀是指在一定的激光能量作用条件下，原本稳定的晶格结构遭到破坏，产生了不可逆的损伤，不同激光辐照条件下产生的损伤形貌也不尽相同.我们分
飞秒激光诱导金属表面周期性结构分析
