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0431-81702023
光學工程
入射角對飛秒激光誘導金屬表面周期性結構的影響

摘要 用脈寬為60fs,頻率為1kHz,中心波長為800nm 的飛秒脈沖激光照射在高純度的 Cu 、Ag、Au金屬靶材表面,在損傷閾值附近產生周期性結構,并隨著脈沖作用數的增加,產生的規則周期性結構被破壞。研究了入射角度對周期性結構大小的影響,發現在較小角度時,三種金屬周期性結構大小幾乎沒有區別,在較大角度時,三者之間的差別也微乎其微;不同金屬的損傷閾值各不相同,因此,認為入射激光的能量密度在較小角度時只影響表面周期性結構的銳利程度,并不影響其大小。并從激光誘導金屬表面產生周期性結構的理論出發進行了理論驗證,也表現出同樣的規律

關鍵詞 飛秒激光;周期性結構;損傷閾值;掃描電子顯微鏡

1 引 言

      自20世紀60年代激光誕生以來,人們就開始進行激光與物質相互作用的研究。在過去,激光誘導固體材料表面周期性結構的研究已經廣泛的展開[1~5]。當入射激光的功率密度在材料的損傷閾值附近時,就會產生周期性結構。通常周期性結構的為入射激光波長大小,并垂直與入射激光的極化方向[6]。周期性表面結構通常出現在長波脈沖照射后的不同材料表面,如半導體、金屬和電介質。

      對這種周期性表面結構產生的理論解釋最早是在1982年 H.M.VanDriel等提出的干涉理論模型,即表面散射波和入射波相互干涉的結果,即表面散射波模型[7,8],該模型具有物理上的直觀性,能夠在一定程度上解釋周期性結構的形成,但在某些情況下具有一定的局限性。該理論無法解釋周期性結構對激光極化方式的依賴,經表面散射的波不滿足麥克斯韋方程。

      2002年 Jurgen Reif等 提 出 了 庫 侖 爆 炸 模 型(Coulombexplosion),該模型認為在低于靶材燒蝕閾值下,飛秒激光作用形成的新結構,是靶材表面庫侖爆炸后,由自組織引起的表面馳豫現象引起的。這種模型能夠解釋介電材料在低于燒蝕能量密度閾值多脈沖作用下產生周期小于波長的周期性結構,但無法解釋金屬靶材表面產生的周期性結構[9]。

      1981年 Becker等提出光子共振吸收模型[10],認為超短強激光輻照導致的高于熔點溫度的熱起伏驅動靶材局域激發,從而誘導表面周期性結構;同年,VanVechten 提出玻色子凝聚模型[11],認為強飛秒激光脈沖與靶材相互作用是產生高密度的載流子,等離子激化波開始產生和破壞電子空穴對,載流子變成成對的載流子,如同玻色子,并根據玻色子凝聚的機理凝聚,從而形成表面周期性結構。

      還有研究者認為可能的機理是“能量的不均勻分布[1,2]”,認為周期性結構的形成由于能量周期性沉積形成的。該理論雖然成功的解釋了一些現象,但認為與材料的特性無關,但在一定條件下,周期性結構的大小與材料的特性有關。

     本文用線性極化的飛秒激光照射純金屬 Ag、Cu、Au靶材的表面,研究了三種金屬周期性結構的大小對飛秒激光脈沖入射角度的依賴關系。發現三種金屬表面周期性結構的大小在激光小角度入射時幾乎沒有差別,在較大角度時,三者之間的差別也微乎其微。并從理論上進行了驗證。

2 實驗裝置與過程

      整個實驗過程是在大氣的環境中進行的,實驗采用帶有放大系統的鈦藍寶石激光系統,產生頻率為1KHz,中心波長為800nm、脈沖寬度為60fs的線性極化激光。用半波片對光束的能量進行調節,焦耳能量計可以測出每個脈沖的能量,采用機械快門控制作用在樣品表面的脈沖數。用焦距為30cm的透鏡對激光束進行聚焦,金屬靶材用不同的砂紙從粗到細依次進行打磨,每次打磨后均用無水乙醇進行清洗,并將樣品放在三維移動平臺上。入射角度從10°變化到90°,每次改變10°。為了獲得燒蝕靶材表面的形貌,用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒蝕區域表面的情況。

3 實驗結果與討論

      為了簡單起見而又能說明問題,只以銅(Cu)靶材為例。圖1是單個脈沖能量為0.8mJ,分別照射17個和67個脈沖后觀察到的銅(Cu)的SEM 圖像,可以看出17個脈沖時靶材表面已經形成很明顯的周期性結構,并具有垂直與入射激光的極化方向。隨著脈沖作用數的增加,周期性結構被破壞。通過調節參數激光的入射角度和激光的能量密度,產生一系列明顯的周期性結構。測量它們周期性結構的大小[6],如圖2所示。從圖2可以看出在角度小于60°的時候,三種金屬周期性結構的大小幾乎沒有差別,就是在大于 60°的角度 范 圍 內,差 別 也 是 很 小的,但隨著入射角度增加,差別增加。

    在表面散射波模型[7,8]中,對于 S極化的激光,其周期性結構的大小為:犱=λ/1±sinθ,對于 P 極化的激光,其周期性結構的大小為:犱=λ/cosθ .

     對于金屬,周期性結構是由于入射激光與表面激發的等離子體激源相互干涉的形成[12]。對于線性極化的激光,犛+ 和犛- 周期性結構的大小為[12]

      其中η= Re[ε/(ε+1)]1/2 是在金屬與空氣接觸面表面等離子體有效折射系數的實數部分。ε為金屬的介電常數,其中犛- 占主導地位。下面從理論上驗證實驗的結論。

     對于波長λ=800nm 的入射激光,Cu、Ag、Au的介電常數ε分別為[13]:εCu=-25.3+2.5i,εAg=-28.0+1.52i,εAu=-26.2+1.85i。將這三個復數介電常數代入上述公式,可以計算出三種金屬周期性結構的大小,如圖3所示。可以看出,同樣是在小于60°的時候,三種金屬的周期性結構的大小幾乎沒有差別,大于60°的時候差別同樣很小但隨著角度增加,差別有所增加。三種金屬產生周期性結構的能量密度不同,但在小角度時周期性結構的大小幾乎沒有區別,因此認為入射激光的能量密度在小角度入射時并不影響周期性結構的大小,而只影響表面周期性結構的銳利程度。

4 結論與展望

      實驗中在三種金屬損傷閾值附近產生了規則的周期性結構,并進行測量,發現在小于60°時,三種金屬周期性結構的大小幾乎沒有區別,在大于60° 時,差別也很小隨著入射角的增加,差別增大。并從激光誘導金屬表面周期性結構的理論上進行驗證,具有同樣的規律。入射激光的能量密度在小角度入射時并不影響周期性結構的大小,而只影響表面周期性結構的銳利程度。

     飛秒激光誘導金屬表面產生的結構可以改變金屬的光吸收率,使之變為所謂的“黑金屬[14]”,可以毫無選擇性的吸收各種波段的光,通過控制飛秒激光誘導表面周期性結構(FLIPSS)周期的大小,帶有FLIPSS的表面在改變光學特性方面是一項應用廣泛的技術。若考慮飛秒激光加工過程的低污染和可以加工各種復雜形狀器件等的優勢,FLIPSS 技術會在光子學、光電子學、熱輻射源和生物光學器件等方面有潛在的應用[15]。若選擇適當的參數條件,獲得形狀規則并可以控制的高密度波紋狀周期性結構,為利用飛秒激光快速制作表面納米器件提供實驗基礎[16]。


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