高 勛 宋曉偉 郭凱敏2) 陶海巖 林景全

1)(長春理工大學理學院，長春 130022)

2)(包頭師范學院物理科學與技術學院，包頭 014030)

(2009年12月27日收到;2010年3月6日收到修改稿)

飛秒激光燒蝕硅表面產(chǎn)生等離子體的發(fā)射光譜研究*

高 勛1)?宋曉偉1)郭凱敏1)2)陶海巖1)林景全1)

1)(長春理工大學理學院，長春 130022)

2)(包頭師范學院物理科學與技術學院，包頭 014030)

(2009年12月27日收到;2010年3月6日收到修改稿)

對中心波長為800 nm，脈寬為100 fs的激光脈沖燒蝕空氣中硅(111)產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜進行了時間和空間分辨研究.結(jié)果表明，在等離子體羽膨脹初期(小于50 ns時間范圍內(nèi))，等離子體發(fā)射光譜主要由連續(xù)光譜構成，此后連續(xù)光譜強度逐漸減弱，線狀光譜開始占主導地位;在羽體膨脹過程中離子譜線的存在時間短于原子譜線的存在時間.由時間分辨發(fā)射光譜發(fā)現(xiàn)在羽體膨脹過程中等離子體輻射波長存在紅移現(xiàn)象，波長紅移量隨時間演化呈二次指數(shù)衰減.最后給出等離子體發(fā)射光譜譜線強度的時空演化規(guī)律.

飛秒激光，脈沖激光燒蝕，等離子體，發(fā)射光譜

PACS:52.38.Mf，32.30.Jc，52.70.Kz

1.引 言

激光燒蝕是激光脈沖與物質(zhì)相互作用的一種基本物理現(xiàn)象，同時也是貫穿于超短脈沖激光眾多應用當中的一個重要物理過程.由于飛秒激光脈沖峰值功率高，與材料作用時間小于電子-晶格耦合時間，則飛秒激光燒蝕靶材表面的熱影響區(qū)域小于納秒激光脈沖燒蝕情況［1］.因此，飛秒激光對材料燒蝕廣泛地應用于激光沉積鍍膜、納米顆粒制備、微加工、材料表面改性等領域［2—6］.飛秒激光燒蝕過程中產(chǎn)生等離子體羽，可通過等離子體羽的發(fā)射光譜［7—11］、等離子體羽的全息圖［12］等方法對等離子體羽的膨脹動力學過程進行研究.本文研究在大氣環(huán)境下利用飛秒激光脈沖燒蝕硅(111)產(chǎn)生的等離子體的時間和空間分辨發(fā)射光譜，分析等離子體羽膨脹過程中發(fā)射光譜波長漂移過程和光譜強度的時空演化規(guī)律.

2.飛秒激光脈沖燒蝕實驗系統(tǒng)

利用等離子體羽的發(fā)射光譜法研究飛秒激光燒蝕物質(zhì)等離子體特性的實驗裝置如圖1所示.實驗采用美國Coherent公司生產(chǎn)的飛秒激光放大系統(tǒng).由輸出為532 nm的Nd3+:YAG激光器(美國公司Continuum公司生產(chǎn)，型號SurelliteⅡ-10)抽運飛秒激光器放大器(Hidra 25)，信號延時發(fā)生器(SDG)同步脈沖信號.激光脈沖的波長為800 nm，脈寬為100 fs，重復頻率為10 Hz.采用激光能量衰減系統(tǒng)(由半波片和格蘭棱鏡組成)對激光脈沖能量進行調(diào)節(jié).激光脈沖由鍍800 nm增透膜層的平面凸透鏡(焦距為200 mm)垂直聚焦到厚度為0.5 mm的硅樣品表面，靶面上的激光光斑直徑約為0.1 mm.靶材為單面拋光、晶體面為(111)硅片，打靶前利用丙酮和甲醇混合液對樣品表面進行處理.樣品固定在繞軸勻速轉(zhuǎn)動的步進電機上，可保證每一個激光脈沖對樣品的不同位置進行燒蝕，避免表面燒蝕融化環(huán)境對等離子體發(fā)射光譜的影響.實驗在1個標準大氣壓的空氣環(huán)境中進行.

實驗中打靶所使用的飛秒激光脈沖能量為8.3 mJ，脈寬為100 fs，靶表面的激光峰值功率密度約為1.06×1015W/cm2.等離子體發(fā)射光譜由位于垂直入射激光束方向的石英透鏡(口徑為50 mm，焦距為80 mm)按1∶2成像進行收集(如圖1所示).光譜信號由光纖探頭進入光柵光譜儀(Spectra Pro500i，Princeton Instruments公司)，通過光柵(1200刻線/mm)分光后由 ICCD(1024×256像素，Princeton Instruments公司)探測輸出，光譜儀分辨率為0.05 nm.利用飛秒激光放大系統(tǒng)的抽運源 Nd3+:YAG激光器的Q開關信號同步觸發(fā)ICCD探測器的門打開時間和取樣時間，通過脈沖觸發(fā)產(chǎn)生器(PTG)改變ICCD門打開時間和激光脈沖結(jié)束的時間間隔(即時間延時)，飛秒激光脈沖到達硅靶材表面的時間設為延時零點，時間延時以數(shù)字示波器(圖1中未畫出)檢測為準，進行等離子體發(fā)射光譜的時間分辨，后續(xù)測得的時間分辨光譜由 ICCD取樣門寬和設定時間延遲計算得到，其時間分辨由ICCD取樣門寬決定.光纖探頭固定在三維平移臺上，探測等離子體羽內(nèi)不同空間位置的發(fā)射光譜，空間光譜分辨率為10 μm.

3.結(jié)果與討論

3.1.時間和空間分辨等離子體發(fā)射光譜

沿著等離子體的膨脹方向向上移動光纖探頭得到等離子體的空間分辨發(fā)射光譜如圖2所示.ICCD光譜儀的門寬為20 ns，同步觸發(fā)ICCD時序發(fā)生器(PTG)的時間延時為290 ns，根據(jù)圖2所示的發(fā)射光譜空間分辨信號，當光纖探頭直至大于4.5 mm后才檢測不到等離子體發(fā)射光譜信號，這表明等離子體在軸向(見圖1)的膨脹大約限定在4.5 mm的范圍內(nèi).從圖2給出的飛秒激光燒蝕硅的軸向發(fā)射光譜空間分辨可知，發(fā)射光譜中的各條譜線均在距離靶面1.25 mm附近出現(xiàn)最大值.圖3給出在硅表面1.25 mm空間位置處垂直于表面法線方向(徑向，見圖1)的發(fā)射光譜圖.

圖2 飛秒激光燒蝕硅的軸向發(fā)射光譜空間分辨 激光延時192 ns

圖3 距離靶面1.25 mm位置處徑向空間發(fā)射光譜分布 激光延時192 ns

由圖3可知，以激光入射線為中心，在左右方向1.5 mm內(nèi)均可測得等離子體光輻射信號，且等離子體發(fā)射光譜的徑向強度以入射激光為對稱軸呈對稱分布.因此在徑向方向上，等離子體的膨脹區(qū)域約為3 mm.由此可知，等離子體羽在膨脹區(qū)域近似為長軸方向(軸向)長度約為4 mm，短軸方向(徑向)約為3 mm的橢球形.

圖4為距離硅表面1.25 mm處等離子體發(fā)射光譜的時間演化圖.可以看出，等離子體羽膨脹初期(飛秒激光脈沖結(jié)束后30 ns時間范圍內(nèi))，等離子體發(fā)射光譜主要呈現(xiàn)出較強的連續(xù)光譜，連續(xù)光譜最大值在飛秒激光脈沖結(jié)束后(小于1 ns)出現(xiàn)，這是由于飛秒激光脈沖結(jié)束后幾十皮秒硅材料達到電子-晶格熱平衡，高激發(fā)態(tài)的電子發(fā)生韌致輻射產(chǎn)生較強的連續(xù)輻射光譜.當飛秒激光作用結(jié)束后50 ns時間范圍內(nèi)，連續(xù)光譜減弱，在減弱的連續(xù)光譜背景上出現(xiàn)幾條較強的線狀光譜.當飛秒激光脈沖結(jié)束后時間大于150 ns后，連續(xù)背景輻射光譜完全消失，線譜占主導地位.隨延時時間增加，線譜強度先增大后逐漸減弱.

飛秒激光燒蝕硅靶后的初期，連續(xù)光譜輻射的出現(xiàn)主要是由于等離子體羽內(nèi)電子與離子之間的碰撞產(chǎn)生韌致輻射及等離子體內(nèi)部的離子碰撞，自由電子被離子俘獲產(chǎn)生的復合向外輻射等物理過程所產(chǎn)生的［13，14］. 其后，光譜中的連續(xù)成分隨著等離子體向外膨脹及空氣環(huán)境對等離子體的冷卻迅速減弱，直到飛秒激光作用靶150 ns后連續(xù)輻射光譜基本消失.由圖4所示的時間分辨發(fā)射光譜可觀察到在等離子體膨脹初期硅等離子體發(fā)射光譜中出現(xiàn)NⅡ399.5 nm離子譜線，這說明在燒蝕過程中發(fā)生了空氣擊穿.NⅡ399.5 nm離子譜線在飛秒激光脈沖作用硅靶后100 ns左右消失.

等離子體羽內(nèi)硅的發(fā)射光譜線在所測量的380—420 nm波長范圍內(nèi)主要由 SiⅡ 385.6 nm(3s3p2—3s24p)，SiⅡ386.3 nm(3s3p2—3s24p)，SiⅠ 390.6 nm(3s23p2—3s23p4s)和 SiⅡ413.09 nm(3s23d—3s24f)四條譜線構成.由圖4所示的等離子體發(fā)射光譜的時間分辨圖可知，SiⅡ385.6 nm，SiⅡ386.3 nm和SiⅡ413.09 nm大約在飛秒激光作用硅靶后的32 ns左右開始出現(xiàn)，強度最大，之后逐漸減弱，這幾條SiⅡ離子所發(fā)出的譜線直到592 ns完全消失，壽命大約為560 ns.這說明SiⅡ離子在羽體膨脹過程中，由于電子-離子的復合效應，離子逐漸消失，飛秒激光脈沖作用592 ns后硅離子消失.SiⅠ390.6 nm譜線大約在飛秒激光脈沖作用靶的52 ns后出現(xiàn)，隨著時間的演化，表現(xiàn)為小幅度的隨時間增強，之后逐漸減弱，直到812 ns左右該譜線消失，壽命大約為760 ns.SiⅠ原子譜線輻射的出現(xiàn)時間和結(jié)束時間均晚于SiⅡ離子譜線，這主要是在等離子體羽膨脹初期，飛秒激光燒蝕通過多光子電離產(chǎn)生大量膨脹速度較高的SiⅡ離子，向外輻射的離子譜線強度高.而SiⅠ原子膨脹速度較慢，且數(shù)量少，淹沒在韌致輻射產(chǎn)生的連續(xù)光譜中不能分辨，所以SiⅠ原子譜線輻射的出現(xiàn)時間晚于 SiⅡ離子譜線.在羽體膨脹過程中，SiⅡ離子和電子復合生成 SiⅠ 原子，SiⅡ離子消失.這部分由SiⅡ離子復合得到的SiⅠ原子繼續(xù)向外輻射390.6 nm的譜線，則SiⅠ原子譜線輻射結(jié)束時間晚于 SiⅡ離子譜線.電子-離子的復合過程表示如下:

3.2.發(fā)射光譜波長漂移

在飛秒激光燒蝕硅的過程中，軸向觀察到等離子體羽發(fā)射光譜存在波長漂移現(xiàn)象.圖5給出SiⅠ390.6 nm隨激光延時的波長移動量變化情況.由圖5可知，在激光燒蝕結(jié)束后的等離子體羽膨脹早期，譜線波長存在較大的紅移(紅移量為 1 nm左右).隨著等離子體羽膨脹，激光延時增加，等離子體羽的發(fā)射光譜線波長的紅移量逐漸減小，隨激光延時存在二次指數(shù)衰減關系.譜線波長移動與電子密度有關，而與電子溫度無關.譜線移動Δλshift與電子密度 Ne的關系如下［15］:

其中D受電子溫度影響與電子密度無關，(2)式中第一項為電子貢獻，第二項為離子修正.

在實驗過程中，根據(jù)等離子體發(fā)射光的半峰全寬FWHM(full width of half maximum)計算得到等離子體羽電子密度在1018/cm3量級，在羽體內(nèi)形成較大的電場，硅原子能級產(chǎn)生明顯的 Stark效應，束縛能級受到高自由電子密度影響，造成束縛能級增加，原子能級間隔變小，發(fā)射光譜產(chǎn)生紅移.這是由于自由電子產(chǎn)生的電場屏蔽原子核內(nèi)的庫侖勢，原子核與束縛電子間庫侖吸引力減弱，而自由電子與束縛電子之間的排斥力增強，則原子核外能級增加，造成能級間隔變小，發(fā)射光譜產(chǎn)生紅移，這與類氦組態(tài)離子發(fā)射的 K線譜線紅移規(guī)律相同［16］.隨著等離子體羽的膨脹，延時的增加，羽體內(nèi)的電子密度存在二次指數(shù)衰減，羽體內(nèi)電場產(chǎn)生的Stark效應減弱，發(fā)射光譜產(chǎn)生紅移量減小.

圖5 等離子體膨脹方向上的發(fā)射光譜390.6 nm波長漂移的時間演化 距離硅表面1.25 mm，激光能量8.3 mJ

相對于等離子體羽在硅表面法線方向存在波長漂移，在垂直于法線方向空間發(fā)射光譜譜線也存在波長漂移現(xiàn)象(如圖6所示)，可以看出在等離子體羽膨脹空間上，羽體波長漂移相對硅法線方向基本為對稱分布.

圖6 垂直于等離子體膨脹方向上的發(fā)射光譜390.6 nm波長漂移的空間分布 距離硅表面1.25 mm，激光延時192 ns，激光能量8.3 mJ

3.3.發(fā)射光譜譜線強度

在固定激光脈沖能量(8.3 mJ)，固定激光延時(192 ns)，沿等離子體羽膨脹方向(硅片法線方向)上移動ICCD光譜儀的光纖探頭，測量得到在380—420 nm波長范圍內(nèi)三條硅等離子體發(fā)射光譜線SiⅡ 385.6nm(3s3p2—3s24p)，Si Ⅰ 390.6nm(3s23p2—3s23p4s)和 SiⅡ 413.09 nm(3s23d—3s24f)的強度空間分布如圖7所示.由圖7可知，在激光延時192 ns狀態(tài)下，等離子體發(fā)射光譜強度隨著距離靶表面空間的增加而增加，在硅表面1.25 mm位置時光譜強度達到峰值.之后，發(fā)射光譜線強度隨著距離靶表面空間的增加而快速下降.當距離表面位置超過2 mm后，譜線強度變化幅度較小，與圖2所示的變化規(guī)律相同.改變激光延時，固定ICCD光譜儀的光纖探頭測量硅表面1.25 mm空間位置處等離子體發(fā)射光譜線強度的時間演化如圖8所示.由圖8可知，硅的原子譜線和離子譜線的譜線強度時間演化過程不同，SiⅡ 385.6 nm和 SiⅡ413.09 nm離子譜線強度隨著激光延時的增加在200 ns時間內(nèi)快速下降，過后變化緩慢.SiⅠ 390.6 nm原子譜線強度在200 ns之內(nèi)逐漸升高，大于200 ns譜線強度下降緩慢.在等離子體羽的膨脹過程中，存在羽體內(nèi)離子-電子的復合，導致原子譜線強度緩慢下降.

4.總 結(jié)

本文對飛秒激光燒蝕硅(111)產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜進行了研究，在380—420 nm的波長范圍內(nèi)，觀測了硅等離子體羽發(fā)射光譜的時間、空間演化過程.實驗結(jié)果表明飛秒激光燒蝕硅產(chǎn)生的等離子體膨脹呈現(xiàn)為橢球形.硅等離子體羽的發(fā)射光譜主要由連續(xù)譜和疊加于其上的分立光譜組成.時間分辨發(fā)射光譜研究結(jié)果表明，在等離子體羽膨脹過程中，等離子體發(fā)射光譜存在紅移現(xiàn)象，波長紅移量隨激光延時存在二次指數(shù)衰減，且波長漂移量相對硅表面法線方向基本為對稱分布.在等離子體羽膨脹過程中，發(fā)射光譜譜線強度隨距離靶面的距離關系存在先增加后減弱的過程，并且離子譜線和原子譜線強度的時間演化行為不同.

［1］Yang J J，Liu W W，Zhu X N 2007Chin.Phys.16 2003

［2］Amoruso S，Bruzzese R，Spinelli N，Velotta R，Vitiello M，Wang X，Ausanio G，Iannotti V，Lanotte L 2004Appl.Phys.Lett.84 4502

［3］Li Y P，Liu Z T 2009Acta Phys.Sin.58 5022(in Chinese)［李陽平、劉正堂2009物理學報58 5022］

［4］Perriere J，Boulmer-Leborgne C，Benzerga R，Tricot S 2007J.Phys.D:Appl.Phys.40 7069

［5］Vorobyev A Y，Makin V S，Guo C L 2009Phys.Rev.Lett.102 234301

［6］Her T H，F(xiàn)inlay R J，Wu C，Deliwala S，Mazur E 1998Appl.Phys.Lett.73 1673

［7］Huang Q J 2008Acta Phys.Sin.57 2314(in Chinese)［黃慶舉2008物理學報57 2314］

［8］Hafez M A，Khedr M A，Elaksher F F，Gamal Y E 2003Plasma Sources Sci.Tech.12 185

［9］Man B Y，Dong Q L，Liu A H，Wei X Q，Zhang Q G，He J L，Wang X T 2004J.Opt.A:Pure Appl.Opt.6 17

［10］Camacho J J，Diaz L，Santos M，Reyman D，Poyato J M L 2008J.Phys.D:Appl.Phys.41 105201

［11］Guillermin M，Liebig C，Garrelie F，Stoian R，Loir A S，Audouard E 2009Appl.Surf.Sci.255 5163

［12］Hu H F，Wang X L，Li Z L，Zhang N，Zhai H C 2009Acta Phys.Sin.58 7662(in Chinese)［胡浩豐、王曉雷、李智磊、張 楠、翟宏琛2009物理學報58 7662］

［13］Yamagata Y，Sharma A，Narayan J，Mayo R M，Newman J W，Ebihara K 1999J.Appl.Phys.86 4154

［14］Hong M H，Lu Y F，Bong S K 2000Appl.Surf.Sci.154—155 196

［15］Chen C S，Zhou X L，Man B Y，Zhang Y Q，Guo J 2009Optik120 473

［16］Junkel G C，Gunderson M A，Hooper C F 2000Phys.Rev.E 62 5584

PACS:52.38.Mf，32.30.Jc，52.70.Kz

Optical emission spectra of Si plasma induced by femtosecond laser pulse*

Gao Xun1)?Song Xiao-Wei1)Guo Kai-Min1)2)Tao Hai-Yan1)Lin Jing-Quan1)
1)(School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)
2)(School of Physical Science and Technology，Baotou Teachers College，Baotou 014030，China)
(Received 27 December 2009;revised manuscript received 6 March 2010)

The time-and space-resolved optical emission spectra(OES)of Si plasma produced by femtosecond laser pulse with center wavelength of 800 nm and pulse width of 100 fs in air were investigated.The results show that the OES mainly consist of continuous spectrum at the early stage of plasma expansion(within the first 50 ns)，then the continuous spectrum weakens gradually while the line spectrum becomes dominating.The existence time of ion spectra is shorter than that of atomic spectra in the process of plume expansion.The wavelength red-shift，which has a second order exponential decay with delay time，has been found by the time-resolved emission spectroscopy.Finally，the spatiotemporal evolution of OES intensity are presented.

femtosecond laser，pulsed laser ablation，plasma，optical emission spectroscopy

*國家自然科學基金(批準號:60978014，11074027)、吉林省科技廳基金(批準號:20090523，20100168，20100521)、吉林省教育廳基金(批準號:［2008］297)和長春市科技局國際合作項目(批準號:09GH01)資助的課題.

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.60978014，11074027)，the Natural Science Foundation of Jilin Province，China(Grant Nos.20090523，20100168，20100521)，the Fund of the Educational Commission of Jilin Province，China(Grant No.［2008］297)and the International Joint Project of Science and Technology Department of Changchun，China(Grant No.09GH01).