飞秒激光与氮化硅晶体相互作用的研究

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氮化硅晶体薄膜在微电子工业、光电子工业、机械工业等方面具有广泛的应用。研究飞秒激光跟氮化硅晶体薄膜的相互作用,既能发展飞秒激光与电介质材料相互作用的有关理论,为研究飞秒激光与其它电介质材料相互作用提供借鉴,又可以拓展氮化硅晶体薄膜在微电子、光电子及纳米材料器件方面的应用范围。 本论文对飞秒激光与β相氮化硅晶体薄膜相互作用的机理进行了一定的理论研究。主要工作包含以下几个方面: 一.依据飞秒激光与电介质材料相互作用的相关理论探讨了飞秒激光与氮化硅材料相互作用机理。通过理论分析得出本文参数下的飞秒激光与氮化硅材料相互作用的主要非线性效应是多光子离化和雪崩离化;飞秒激光与氮化硅材料相互作用的两个具体过程是:首先通过多光子离化和雪崩离化使材料内部电子电离,并最终在材料内部形成等离子体状态,之后等离子体强烈吸收激光能量直至氮化硅晶体材料被去除。 二.依据飞秒激光与电介质材料相互作用的福克.普朗克(F—P)动力学方程,通过数值计算分析讨论了飞秒激光对p相氮化硅晶体薄膜的损伤情况。首先计算了不同激光参数下氮化硅晶体薄膜的多光子离化系数和雪崩离化系数。然后通过MATLAB软件编写程序,求解飞秒激光与氮化硅晶体薄膜相互作用的F—P方程。计算出三种不同激光参数下氮化硅晶体薄膜的损伤阈值,损伤形貌,给出电子数密度、光强、表面反射率等参数随脉冲持续时间变化的图示关系等。三种激光参数分别为波长780nm,脉冲宽度100fs以上;波长800nm,脉冲宽度100fs左右;波长800nm,脉冲宽度15fs。计算过程中均考虑了不同的激光功率密度和激光半径。 三.从脉冲激光的时间和空间分布出发,参照Docchio改进后的损伤模型分析计算了长脉冲(纳秒、皮秒)作用材料时的损伤位置,损伤时间以及等离子体吸收能量等情况。然后依据Fan改进后的模型分析计算飞秒激光与氮化硅晶体相互作用过程中,最先产生损伤的时间、位置等情况。通过比较分析得出,最先产生损伤的位置主要与激光脉冲宽度和激光腰斑半径有关。
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