激光與晶體的相互作用研究

劉雪華 王林杰 吳迪

研究激光與晶體的相互作用，既可以提供激光在晶體加工領(lǐng)域的理論支持又能推進(jìn)激光在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，還能分析和完善激光與晶體的相互作用的機(jī)制。本文綜合論述了激光與各種晶體物質(zhì)之間的相互作用，以及相互作用發(fā)生的運(yùn)行規(guī)則和原理，淺析多光子離化和等離子吸收激光能量等非線性現(xiàn)象，并通過(guò)經(jīng)典的光學(xué)模型闡釋激光與晶體之間的作用的應(yīng)用前景。

晶體材料因其特殊的光電和機(jī)械性能被廣泛應(yīng)用到激光光電子技術(shù)、高能物理、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域，在信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮了支柱作用，眾多學(xué)者越來(lái)越關(guān)注有關(guān)激光與晶體間相互作用所引發(fā)的結(jié)構(gòu)和性能變化的研究。

1 激光與晶體相互作用的運(yùn)行規(guī)則和原理

1.1 激光技術(shù)的發(fā)展歷程和評(píng)述

早在1916年，偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦就提出了一套光與物質(zhì)相互作用的全新技術(shù)理論。1958年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一種物質(zhì)受到與它自身震蕩頻率相同的能量激發(fā)時(shí)，能夠產(chǎn)生高輕度和高平行度的不發(fā)散的強(qiáng)光，這種實(shí)現(xiàn)光放大的強(qiáng)光就是激光。直至1960年，隨著世界第一個(gè)紅寶石激光器的誕生，激光引起了科學(xué)界的強(qiáng)烈反響，吸引了世界各國(guó)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注和研究，人們投入了更多的精力研究物質(zhì)間的相互作用，取得的科研成果很快地應(yīng)用到物理、化學(xué)等各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)中去。我們可以運(yùn)用激光進(jìn)行各種材料的精加工，除了激光打孔、焊接、熱處理等常見(jiàn)的技術(shù)外，還可運(yùn)用到3D打印新技術(shù)，比如通過(guò)激光打印技術(shù)打印出金屬造的人體骨骼造福人類。

1.2 激光與晶體材料間相互作用的理論基礎(chǔ)

激光與晶體材料的相互作用的理論基礎(chǔ)包括非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)和及光化學(xué)，這些理論完整闡述了激光與晶體的相互作用的特點(diǎn)和性質(zhì)，是研究激光與晶體的相互作用的重要理論基礎(chǔ)和研究手段。

激光與晶體材料的相互作用的物理基礎(chǔ)是晶體對(duì)激光的吸收。當(dāng)晶體處在激光光場(chǎng)中時(shí)，由于晶體的折射率較大，某些光線因?yàn)榉瓷浒l(fā)生180度的相變，剩下的光線進(jìn)入晶體本身，能量發(fā)生遞減。激光作為工具對(duì)晶體進(jìn)行加工處理時(shí)，一般會(huì)引起光化學(xué)和光熱兩種反應(yīng)過(guò)程。光化學(xué)是光通過(guò)反應(yīng)打斷化學(xué)鍵從而改變物質(zhì)性態(tài);光熱是晶體處在激光光場(chǎng)時(shí)晶體中的電子通過(guò)吸收光子引起能量上升，同時(shí)提升溫度，電子再把吸收的能量傳遞給電子晶格。電子與晶格的相互作用使得晶格獲得能量，如果所得到的能量足夠高，晶體就會(huì)升溫甚至氣化。

激光和晶體的相互作用能夠改變物質(zhì)的性能和狀態(tài)。超短脈沖激光與晶體間相互作用能夠出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，比如多光子離化和等離子吸收激光能量的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都是由激光和晶體間相互作用產(chǎn)生的。長(zhǎng)脈沖激光通過(guò)自身的物理特性來(lái)處理材料，使材料從固態(tài)到液態(tài)再轉(zhuǎn)為氣態(tài)改變了晶體材料的性態(tài)，加上熱熔環(huán)節(jié)剔除材料中的雜質(zhì)，從而完成激光對(duì)晶體的加工處理。在處理過(guò)程中，激光的物理特性得到了極好的展現(xiàn)。而在激光改變晶體材料的性態(tài)的同時(shí)，長(zhǎng)脈沖激光的物理特性也發(fā)生了明顯的變化，能夠直接捕捉到在長(zhǎng)脈沖激光的加工處理中晶體材料發(fā)生的瞬間改變。超短脈沖激光與晶體的相互作用較長(zhǎng)脈沖激光更為復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生更多常見(jiàn)的如隧道離化和等離子吸收激光能量等非線性現(xiàn)象。

隨著激光照在晶體表面的時(shí)間的延長(zhǎng)，晶體的表面和內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生變化，變化的階段分為四個(gè)：①當(dāng)晶體接受激光照射時(shí)，電子吸收大部分的光子后傳遞給電子晶格，同時(shí)伴隨著熱擴(kuò)散提升了晶體表面的溫度。材料的結(jié)構(gòu)和激光波長(zhǎng)是影響晶體吸收激光程度的主要因素。②晶體的溫度隨著吸收激光能量時(shí)間的延長(zhǎng)越來(lái)越高，當(dāng)溫度超過(guò)晶體的熔點(diǎn)就會(huì)引起晶體表面的熔化，激光照射的時(shí)間越長(zhǎng)，晶體的熔池也就越大。③當(dāng)激光的能量到達(dá)一定程度后，就會(huì)使晶體的溫度超過(guò)氣溫溫度引起晶體發(fā)生氣化。④激光照射的時(shí)間越長(zhǎng)，晶體的熔池會(huì)生成等離子體從而形成表面燒蝕。

2 淺析超長(zhǎng)超短脈沖激光與晶體之間的相互作用

研究分析激光和晶體間的相互作用，一方面從超短激光方面對(duì)超短激光和晶體的相互作用進(jìn)行分析，另一方面從超長(zhǎng)激光角度闡述了超長(zhǎng)激光和晶體間的相互作用。超短脈沖對(duì)晶體材料的損傷主要是依靠電子激發(fā)到導(dǎo)帶電子時(shí)對(duì)激光的吸收的非線性過(guò)程，而超長(zhǎng)脈沖對(duì)晶體材料的損傷主要是等離子體對(duì)激光的線性吸收，兩者的相互作用機(jī)制有本質(zhì)不同。研究激光與晶體的相互作用時(shí)，需要考慮激光研究的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)增加試驗(yàn)次數(shù)加權(quán)得到最為準(zhǔn)確的研究成果，以便后期應(yīng)用于實(shí)踐領(lǐng)域時(shí)有堅(jiān)強(qiáng)的理論和數(shù)據(jù)支撐。

2.1 超短脈沖激光與晶體的相互作用模型

超短脈沖激光與晶體的相互作用隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，成為眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的實(shí)驗(yàn)課題。研究發(fā)現(xiàn)，晶體對(duì)激光能量的線性和非線性吸收是超短脈沖激光與晶體相互作用的主要表現(xiàn)形式。晶體材料吸收激光能量是材料發(fā)生損傷和改性的第一步。飛秒激光因其高功率峰值和其較短寬度的脈沖，使得它與各種晶體相互作用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)非線性效應(yīng)。在飛秒激光與多種晶體進(jìn)行相互作用的實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了雙子光還有三光子等轉(zhuǎn)換的非線性效應(yīng)現(xiàn)象。

2.1.1 短脈沖激光對(duì)晶體的燒蝕及非線性效應(yīng)

在長(zhǎng)脈寬領(lǐng)域，晶體材料的燒蝕閾值和它的二分之一次方的脈寬成正比，由此推斷出熱傳導(dǎo)過(guò)程控制了激光燒蝕。而在超短脈寬中，既有閾值隨著脈寬的減小而增大的結(jié)果，也有閾值隨著脈寬的減小而緩慢減小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由此得出雪崩擊穿導(dǎo)致晶體材料的破壞。這種晶體的閾值破壞與脈沖寬度的變化說(shuō)明在晶體的燒蝕機(jī)制中，激光具有重要意義。

當(dāng)短脈沖激光對(duì)晶體材料進(jìn)行燒蝕時(shí)，有很多優(yōu)點(diǎn)和很大的潛力。大量的自由電子可以通過(guò)光電離產(chǎn)生，在足夠多的激光照射下甚至?xí)霈F(xiàn)隧道離化效應(yīng)，這時(shí)，短脈沖激光就會(huì)燒蝕晶體材。隧道離化效應(yīng)主要發(fā)生在低頻高強(qiáng)度的激光光場(chǎng)中，受到束縛的原子在隧道離化的過(guò)程中直接從原子帶上解放，原子的庫(kù)侖阱被消除。庫(kù)侖阱又可以在電場(chǎng)很強(qiáng)的激光中被消除，電子穿過(guò)短壁壘后變成自由電子。除了隧道離化效應(yīng)外，常見(jiàn)的非線性效應(yīng)還有雪崩電離。雪崩效應(yīng)中要求晶體材料必須要帶有數(shù)量較多的導(dǎo)帶電子，它們通過(guò)線性吸收持續(xù)不斷地吸收激光能量，當(dāng)導(dǎo)帶電子吸收的能量不斷積累到一個(gè)較高的程度時(shí)，就會(huì)與其他的價(jià)帶電子發(fā)生碰撞，后者被激發(fā)到導(dǎo)帶電子上，導(dǎo)帶電子由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，呈幾何式的翻倍增長(zhǎng)，這就是雪崩效應(yīng)。

2.1.2 飛秒激光對(duì)晶體的損傷機(jī)制

飛秒激光對(duì)晶體材料的損傷過(guò)程主要有兩個(gè)，首先晶體材料的價(jià)帶電子在飛秒激光的照射中因隧道離化效應(yīng)或雪崩離化效應(yīng)等非線性過(guò)程的影響，吸收激光能量后被激發(fā)到導(dǎo)帶電子。然后當(dāng)導(dǎo)帶電子的數(shù)量增加到一定程度時(shí)，晶體材料內(nèi)部就會(huì)構(gòu)成等離子體。當(dāng)導(dǎo)帶電子數(shù)量繼續(xù)增加使其密度超過(guò)10²¹cm^-3，晶體被照射的區(qū)域就會(huì)不斷吸收飛秒激光的能量。這個(gè)過(guò)程就是飛秒激光與晶體材料的相互作用。

晶體材料的價(jià)帶電子因激光照射被激發(fā)到導(dǎo)帶電子的同時(shí)光子也被其吸收，材料對(duì)激光能量的非線性吸收過(guò)程的時(shí)間很短，小于導(dǎo)帶電子與晶格碰撞時(shí)所需要的時(shí)間。價(jià)帶電子吸收激光的時(shí)間受晶體的非線性吸收的影響而縮短，加上晶格的性態(tài)未發(fā)生變化，使得晶體中沉積激光能量的減少。

導(dǎo)帶電子與晶格發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量可以通過(guò)晶格與晶格的碰撞從飛秒激光照射區(qū)傳遞出去。價(jià)帶電子因受飛秒激光的照射被激發(fā)到導(dǎo)帶電子的速度，要遠(yuǎn)快于電子通過(guò)晶格碰撞以及晶格與晶格的碰撞的傳遞速度，飛秒激光在導(dǎo)帶電子發(fā)生變化時(shí)不斷在增加自由電子的密度，直到照射區(qū)的自由電子的密度大于離子體的臨界密度，此時(shí)晶體的損傷區(qū)域就能吸收飛秒激光的能量。當(dāng)吸收結(jié)束后，晶體材料損傷區(qū)吸收的激光能量將以聲子的形式通過(guò)自有電子傳給晶格，因?yàn)榧す夥e累需要的時(shí)間小于熱傳遞需要的時(shí)間，不會(huì)存在持續(xù)的現(xiàn)象。這就使得晶體材料表面和內(nèi)部發(fā)生的損傷要高于長(zhǎng)脈沖激光損傷，精度更高，損傷更為光滑。

當(dāng)用小于晶體材料損傷閾值的激光能量照射晶體時(shí)，因?yàn)榈入x子的密度達(dá)不到閾值的臨界要求因此不會(huì)改變晶體的結(jié)構(gòu)。當(dāng)用稍高于晶體材料損傷閾值的激光能量照射時(shí)，晶體的照射區(qū)域的溫度超過(guò)了晶體的熔化溫度導(dǎo)致照射區(qū)域的熔化。當(dāng)溫度降低后，晶體熔化區(qū)域重新不均勻地凝固，改變了晶體部分密度。

2.2 長(zhǎng)脈沖激光與晶體的相互作用模型

導(dǎo)帶電子的數(shù)量在長(zhǎng)脈沖激光中（一般脈沖的寬度大于10ps稱為長(zhǎng)脈沖激光）通過(guò)雪崩效應(yīng)呈幾何式的翻倍增長(zhǎng)，晶體很容易在激光中因?yàn)槌惺懿涣碎L(zhǎng)脈沖激光的強(qiáng)度和頻率而發(fā)生損傷。導(dǎo)帶電子在超長(zhǎng)脈沖激光的持續(xù)時(shí)間中足以把經(jīng)過(guò)電子晶格耦合的能量，通過(guò)聲子在整個(gè)電子晶格中進(jìn)行傳遞。晶體在吸收能量過(guò)程中發(fā)生損傷并產(chǎn)生熱效應(yīng)，在長(zhǎng)脈沖激光照射中的損傷與熱擴(kuò)散和能量沉積的時(shí)間長(zhǎng)短直接相關(guān)，損傷的閾值有不確定性的特點(diǎn)。

另外，如果是有缺陷或者有雜質(zhì)的晶體在長(zhǎng)脈沖激光光場(chǎng)中，會(huì)出現(xiàn)更加充分的導(dǎo)帶電子的雪崩離化效應(yīng)。即使脈沖的寬度只有幾秒，哪怕脈沖的激光頻率并不是很高，晶體材料也會(huì)受到損傷。但如果有較高濃度導(dǎo)帶電子的有缺陷的晶體，在吸收激光脈沖能量時(shí)會(huì)降低損傷閾值，而且還會(huì)增加閾值確認(rèn)的難度。因此，導(dǎo)帶電子的濃度在長(zhǎng)脈沖激光與晶體的相互作用的研究中極為關(guān)鍵。如果晶體帶有較多的導(dǎo)帶電子，就會(huì)大大增加在激光照射中的損傷概率。如果帶有較少的導(dǎo)帶電子，晶體發(fā)生損傷的概率就會(huì)比較小。

3 結(jié)束語(yǔ)

激光與晶體的相互作用既激光本身的特性有關(guān)又與晶體的特性有關(guān)，還涉及到非線性光學(xué)、等離子體物理等學(xué)科。通過(guò)激光與晶體的相互作用不僅促進(jìn)了學(xué)科的交叉融合，也推動(dòng)了其他科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步。

基金項(xiàng)目：（1）河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目，批準(zhǔn)號(hào)：2018GJJG649;（2）河北省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目;（3）北京交通大學(xué)海濱學(xué)院教學(xué)研究與改革項(xiàng)目;（4）北京交通大學(xué)海濱學(xué)院優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目。

（作者單位：北京交通大學(xué)海濱學(xué)院）