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飞秒激光辐照氧化钛薄膜：红外光束下的累积效应

DOI：10.1007/s00339-020-03568-5 期刊：Applied Physics A 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 本文研究了采用高重复频率飞秒激光束辐照磁控溅射生长于SiO2/Si基底上的氧化钛薄膜（TiO1.8）形成激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的机制。实验使用波长λ=1030 nm的Yb:YKW 500 fs线偏振激光，在静态和动态（扫描）条件下以100 kHz重复频率辐照300 nm厚的薄膜。静态光束条件下，确立了与薄膜材料相关的孕育行为，其损伤阈值为72 mJ/cm2。接近该能量密度值且激光脉冲数从1增至1000时，微裂纹在光束腰直径区域（约60 μm）内产生并扩展。此外，当采用远超损伤阈值的高能量密度280 mJ/cm2时，辐照区中间地带发生熔融现象，并出现有助于微裂纹稳定的意外"愈合效应"。同时，在高斯光束斑中心观察到整个薄膜的烧蚀。动态模式下以4 mm/s扫描速度和100 kHz重复频率实现了TiO1.8薄膜的大面积加工（最大25×25 mm2）。在此对应110 mJ/cm2能量密度和3000次累积脉冲数的辐照条件下，整个辐照表面形成二维LIPSS纳米裂纹（长度200 nm，周期λ/8至λ/9），该现象主要归因于热机械烧蚀机制。
作者： A. Talbi，N. Semmar，M. Tabbal，G. O.’ Connor，P. Coddet，A.-L. Thomann，A. Stolz，C. Leborgne，E. Millon
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

利用高重复频率飞秒激光束研究磁控溅射氧化钛薄膜上激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的形成机制。

研究成果

研究表明，在TiO1.8薄膜上形成了类LIPSS纳米裂纹，这归因于飞秒激光束诱导的应力效应。该分层损伤过程包括：低能量密度下的微裂纹形成、较高能量密度下通过熔融实现稳定化，以及最高能量密度下的完全薄膜烧蚀。实验实现了具有规则纳米裂纹的大规模加工，为多个领域提供了潜在应用前景。

研究不足

该研究聚焦于磁控溅射氧化钛薄膜，可能并不直接适用于其他材料或沉积技术。超短激光与物质相互作用所涉及的复杂过程可能需要进一步研究才能完全理解。

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