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飞秒中红外激光脉冲对硅的单次多级损伤与烧蚀

DOI：10.1038/s41598-019-56384-0 期刊：Scientific Reports 出版年份：2019 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 尽管超快激光材料加工在过去二十年中以惊人的速度发展，但大多数应用都是基于近红外或可见光波长的激光脉冲开发的。中红外（MiR）飞秒激光源的最新进展可能为材料加工创造新的能力。这是因为，在此类加工所需的高强度条件下，将波长调谐至更长波段为激光-固体相互作用开辟了特殊路径。在此条件下，由于λ2标度关系，激光驱动电子的渡越能量可能显著超过光子能量、带隙和电子亲和能，并主导吸收过程，从而导致超快激光-固体相互作用传统概念的范式转变。不可逆的高强度超快中红外激光-固体相互作用是这一领域的主要研究对象，但迄今尚未得到系统研究。为填补这一基础空白，我们通过单飞秒中红外脉冲（λ = 2.7–4.2 μm）对硅材料的高强度超快改性进行了详细实验研究。采用扫描电镜、原子力显微镜、透射电镜结合聚焦离子束铣削、电子衍射和μ-拉曼光谱等技术，对超快熔融、与硅氧化物表面层的相互作用以及氧化物和晶体表面的烧蚀进行了离位表征。测量了激光诱导损伤和烧蚀阈值随波长的变化关系。传统理论模型未能复现损伤阈值的波长标度规律。为解释这一差异，我们探讨了中红外波长特有的渡越能量和场效应可能驱动的新型能量沉积路径。
作者： Kevin Werner，Vitaly Gruzdev，Noah talisa，Kyle Kafka，Drake Austin，Carl M. Liebig，enam chowdhury
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究单飞秒中红外激光脉冲对硅的高强度超快改性，并理解损伤和烧蚀阈值波长依赖性背后的机制。

研究成果

在硅材料上进行的单次飞秒激光诱导深度烧蚀（fs-LIDA）实验揭示了由表面LIDA多阶段作用形成的独特形貌特征。该研究为理解中红外波段的损伤机制提供了重要见解，重点阐明了从光子驱动到场驱动吸收机制的转变过程。结果表明传统模型可能无法完整描述这些波长下超快激光与固体相互作用的复杂特性。

研究不足

该研究仅限于单晶硅，未探讨对其他材料的影响。所用理论模型未能完全复现实验观测结果，表明需要进一步发展相关机制的理解。

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