羅志，孫小燕，周江夏子，銀愷，譚超，鄧旺，段吉安

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飛秒激光共振吸收對摻Pr-Nd硅玻璃燒蝕閾值的影響

羅志，孫小燕，周江夏子，銀愷，譚超，鄧旺，段吉安

(中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083)

為了進一步研究共振吸收在飛秒激光燒蝕加工中對靶材燒蝕閾值的影響，針對具有特定吸收光譜的摻Pr-Nd硅玻璃(Pr-Nd玻璃)和無特定吸收的石英玻璃，分別采用共振吸收波長585，807 nm和非共振吸收波長720，775 nm對2種靶材進行燒蝕加工，并基于燒蝕輪廓，提出一種靶材燒蝕閾值的計算方法。研究結(jié)果表明：在燒蝕閾值附近，靶材的初始種子電子產(chǎn)生方式主要為多光子電離；Pr-Nd玻璃在共振波長585 nm和807 nm的作用下，多光子電離較為劇烈，燒蝕輪廓長度較石英玻璃分別增長19.8%和6.8%，且對于加工波長807 nm，燒蝕閾值較石英玻璃降低12.3%；而對于非共振波長720 nm和775 nm的燒蝕加工，共振燒蝕效應消失，2種靶材的燒蝕輪廓長度和燒蝕閾值基本一致。

共振吸收；飛秒激光；燒蝕閾值；多光子電離

隨著微納加工領(lǐng)域的飛速發(fā)展，脈沖激光燒蝕加工已逐漸成為一種較為成熟的加工方式[1?2]?；诠舱裎盏募す饧庸ひ云涓哽`敏性和高選擇性越來越受化學[3]、生物[4]和物理[5]等不同領(lǐng)域的青睞。共振激光燒蝕是一種通過調(diào)節(jié)波長使光子能量與原子或分子能級差匹配，從而達到高燒蝕效率或降低材料燒蝕閾值的加工手段，主要應用于金屬[6]、半導體[7]、聚合物[8]和介質(zhì)[9]等材料。目前，對于共振激光燒蝕的較多研究主要集中于納秒激光[6]和皮秒激光[7, 10]，由于它們聚焦后的加工功率密度較低，因而電子對光子的非線性吸收不夠明顯。飛秒激光以其極高功率密度的特性，使其與材料的作用機制有了本質(zhì)的變化[11?12]，尤其是非線性吸收效應的顯著體現(xiàn)，使得激光與材料的作用過程更為復雜，因而對于飛秒激光共振燒蝕的研究越來越受到學術(shù)各界的顯著關(guān)注。盡管有些小組對于飛秒激光共振燒蝕閾值的研究已開展部分工作[13?14]，并從各自的角度對實驗結(jié)果進行了合理解釋，但所得結(jié)論并不完全統(tǒng)一，如同一種材料燒蝕閾值的不一致性，對材料去除機理解釋也存在部分差異等，因而進一步開展共振吸收對材料燒蝕閾值的影響等方面的工作，為飛秒激光與材料相互作用的研究提供更多的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)具有重要意義。本文作者以具有一定吸收特性的Pr-Nd玻璃為實驗對象，討論飛秒激光共振燒蝕對其燒蝕閾值的影響，以及燒蝕閾值光強附近材料所對應的電離機制。

1 實驗

1.1 加工靶材

本文所選加工靶材為Pr-Nd玻璃(PNB586，中國江蘇省海安縣匯虹光電儀器廠)，其吸收光譜測試結(jié)果如圖1所示。實驗所選加工波長分別為585，720，775和807 nm，其中720 nm和775 nm為非共振波長；585 nm(最強吸收峰值點)為共振波長，對應于Nd3+能級譜圖的2個能級分別是：基態(tài)4I9/2，激發(fā)態(tài)4G5/2；807 nm(第2強吸收峰值點)為另一共振波長，對應于Nd3+能級譜圖的2個能級分別是：基態(tài)4I9/2，激發(fā)態(tài)4F5/2+2H9/2。4種加工波長所對應的吸收系數(shù)如表1所示。此外，還選用了透明石英玻璃作為另一種靶材，用于實驗對比。在400~1 000 nm波段，石英玻璃對任何波長都表現(xiàn)為透射特性，因而其吸收光譜為一條近乎過原點的水平直線。

圖1 Pr-Nd玻璃的吸收光譜

表1 Pr-Nd玻璃在不同波長處的吸收系數(shù)

1.2 實驗方法

實驗中所用激光器為鈦寶石飛秒激光器(美國光譜物理公司)，其中心波長為800 nm，脈寬為120 fs，重復頻率為1 kHz。實驗加工裝置示意圖如圖2所示，激光器出射激光首先通過分束鏡分光，一束用于800 nm激光的直接加工，另一束通過反光鏡導入到激光參數(shù)放大器(TOPAS)中，其可以在240~1 640 nm范圍內(nèi)對波長進行調(diào)節(jié)，精度為0.01 nm。經(jīng)過TOPAS調(diào)節(jié)的激光束再通過衰減片將激光功率調(diào)節(jié)到實驗所需5 mW，然后再通過一組反光鏡將一定功率的光束導入到物鏡中進行聚焦，且聚焦光束傳播方向垂直于靶材表面。靶材置于三維運動平臺(XMS, 美國理波公司)上，可隨三維運動平臺在空間范圍(長×寬×高)為160 mm×50 mm×25 mm內(nèi)精確定位和任意方向直線或曲線運動，精度可達5 nm。此外，圖中光譜儀用于實時監(jiān)控不同波長光譜的穩(wěn)定性，工業(yè)攝像頭(CCD)用于檢測不同波長的空間光強分布模式。加工過程中，首先將靶材置于離聚焦點足夠遠的地方，以使焦點不足以加工靶材表面；然后使靶材以0.06 mm/s的速度靠近焦點(方向)，同時沿方向以0.12 mm/s的速度移動；直到焦點進入靶材體內(nèi)，且表面不足以被損傷為止。

圖2 實驗加工裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 燒蝕閾值計算方法

材料的激光燒蝕閾值是指在給定實驗條件下，對指定靶材能產(chǎn)生足夠強非線性電離的最小脈沖激光能量密度，宏觀表現(xiàn)為能破壞靶材表面的最小脈沖激光能量密度。為了精確的計算燒蝕閾值，首先對空間高斯激光束進行如下分析，基模高斯光束的空間光強分布可表述為：

其中：為垂直于光軸的徑向位移；為沿光傳播方向的軸向位移；為入射激光波長；0=(0，0)為束腰0中心點處的激光功率密度，其值可通過對(0, 0)在整個橫截面內(nèi)積分求出，如式(3)所示；為入射激光總功率；為入射激光的橫截面；ω為場振幅減小到中心值的1/或光強降低到中心值的1/2時的光斑半徑，其與束腰半徑的關(guān)系如式(2)所示；0為束腰半徑，由于對(，)在光斑半徑ω范圍內(nèi)的積分結(jié)果只與輸入激光功率有關(guān)，如式(4)所示，因而若用一個針孔在橫截面內(nèi)去截激光，并使其軸線與光軸重合，調(diào)節(jié)針孔在激光傳播方向上的位置，使得通過針孔的激光功率為原激光功率的86.466%，則針孔的半徑即為該位置的光斑半徑ω，測量2個不同位置處的光斑半徑，即可通過式(5)求出束腰半徑0。

依據(jù)以上分析，若靶材的燒蝕閾值已知，對于給定的加工光路系統(tǒng)，則可以模擬出激光光強在空間的燒蝕閾值包絡，其形狀如同2個棗胡的軸向疊加，沿光軸方向的截面如圖3所示(假設波長為807 nm，靶材燒蝕閾值為1.2 J/cm2)；反之，若通過燒蝕加工得到圖3所示的包絡，則亦可求出對應的靶材燒蝕閾值。

圖3 空間高斯分布的燒蝕閾值包絡

2.2 共振吸收對燒蝕閾值的影響

不同波長的飛秒激光燒蝕加工結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)對應的靶材為Pr-Nd玻璃，圖4(b)對應的靶材為石英玻璃；4條燒蝕輪廓對應的波長分別為585，720，775和807 nm。

靶材：(a) Pr-Nd玻璃；(b) 石英玻璃

對比圖3和4可以看出：波長720，775和807 nm的實驗加工圖形基本與理論計算結(jié)果圖形一致，而585 nm波長的實驗加工結(jié)果偏差很大，通過CCD觀測各波長出射激光的空間光強分布模式，發(fā)現(xiàn)585 nm波長為旋轉(zhuǎn)對稱的高斯橫模TEM10分布，而720，775和807 nm 3個波長為較理想的高斯基模TEM00分布，如圖5所示。為了基于以上方法計算各波長對應的靶材燒蝕閾值，選用720，775和807 nm波長的實驗加工結(jié)果作進一步分析。

波長/nm：(a) 585；(b) 720；(c) 775；(d) 807

對于波長720，775和807 nm，可以通過測量燒蝕輪廓的尺寸，根據(jù)以上理論分析，計算出對應條件下靶材的燒蝕閾值。為了減小測量誤差對計算結(jié)果的影響，選擇測量燒蝕輪廓的長度來計算對應的燒蝕閾值。表2給出了Pr-Nd玻璃和石英玻璃上燒蝕輪廓的長度測量結(jié)果。由表2可見：對于非共振波長720 nm和775 nm，2種靶材上的燒蝕長度基本相等；而對于共振波長807 nm，Pr-Nd玻璃上的燒蝕長度較石英玻璃上的燒蝕長度增長了6.8%；計算各個長度對應的燒蝕閾值，對比結(jié)果如圖6所示，相應的對于非共振波長720 nm和775 nm，2種靶材的燒蝕閾值基本一致；而對于共振波長807 nm，石英玻璃的燒蝕閾值為1.38 J/cm2，Pr-Nd玻璃的燒蝕閾值為1.21 J/cm2，降低了12.3%。盡管共振波長585 nm的加工結(jié)果無法推算出準確的燒蝕閾值，但對比2種靶材上的燒蝕輪廓長度(Pr-Nd玻璃上的燒蝕長度較石英玻璃上的燒蝕長度增長了19.8%)可以反映出：對于共振波長585 nm(最強吸收峰值點)，Pr-Nd玻璃的燒蝕閾值較石英玻璃的燒蝕閾值有更大的降低。

表2 不同波長飛秒激光對Pr-Nd玻璃和石英玻璃的燒蝕加工長度

1—Pr-Nd玻璃；2—石英玻璃

2.3 多光子電離對共振燒蝕的影響

飛秒激光燒蝕加工介質(zhì)材料，主要是通過大量光子的激發(fā)使靶材局部產(chǎn)生大量自由電子，進而達到瞬時的庫侖力失衡并發(fā)生庫侖爆炸，從而實現(xiàn)局部材料的去除。其中激發(fā)大量自由電子的基本過程為：大量光子輻照到靶材表面，使外層價帶電子主要通過雪崩電離和碰撞電離機制被激發(fā)到導帶，從而產(chǎn)生大量自由電子；然后雪崩電離和碰撞電離所需的種子電子來源于初始階段的光致電離(包括多光子電離和隧道電離2種機制)[15]。在飛秒激光與材料的相互作用過程中，多光子電離和隧道電離共同存在，所占比例取決于Keldysh因子[16]，該因子主要與材料的屬性及入射激光功率密度有關(guān)：

式中：P為電離勢；P為有質(zhì)動力勢；為入射激光的功率密度；為入射激光角頻率。當＞1時，多光子電離占主導；當＜1時，隧道電離占主導[14, 17]。對于靶材Pr-Nd玻璃和石英玻璃，在共振波長807 nm處，燒蝕閾值對應的Keldysh因子分別為：Pr-Nd=2.707，fused silica=2.537，都大于1，因而對于2種靶材，初始種子電子的產(chǎn)生方式主要為多光子電離。

對于普通石英玻璃，價帶電子電離所需穿越的帶隙寬度為9 eV，由于585 nm和807 nm對應的單光子能量分別為2.119 eV和1.536 eV，因而價帶電子需要至少同時分別吸收5個或6個光子才能被激發(fā)到導帶成為自由電子。但對于Pr-Nd玻璃，光子可以通過共振吸收的方式被價帶電子所吸收，使得在飛秒激光與靶材作用過程中，束縛電子對光子的吸收強度得以顯著增強，能更容易地電離產(chǎn)生種子電子，從而較普通多光子電離，共振吸收多光子電離能為隨后的雪崩電離和碰撞電離提供更多的種子電子。所以在共振波長585 nm和807 nm飛秒激光的作用下，Pr-Nd玻璃的燒蝕輪廓長度較石英玻璃有較明顯的增長，燒蝕閾值有所降低，且對于807 nm波長，燒蝕閾值降低了12.3%；而在非共振波長720 nm和775 nm飛秒激光的作用下，無此共振燒蝕效應。

3 結(jié)論

1) 依據(jù)高斯光束的空間光強分布規(guī)律，模擬仿真了靶材的燒蝕閾值輪廓線，并提出了一種基于燒蝕輪廓的靶材燒蝕閾值計算方法。

2) 在相同實驗條件下，共振波長585 nm和807 nm飛秒激光在Pr-Nd玻璃上的燒蝕輪廓長度較石英玻璃上的燒蝕輪廓長度分別增長了19.8%和6.8%，且對于807 nm波長，Pr-Nd玻璃的燒蝕閾值較石英玻璃的燒蝕閾值降低了12.3%；而對于非共振波長720 nm和775 nm，2種靶材的燒蝕輪廓長度和燒蝕閾值基本一致。

3) 在多光子電離的情況下，Pr-Nd玻璃在共振吸收波長585 nm和807 nm的作用下，能更容易激發(fā)出更多的初始種子電子，使得隨后的雪崩電離和碰撞電離更為劇烈，從而實現(xiàn)Pr-Nd玻璃燒蝕閾值的降低。

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Influence of femtosecond laser resonant absorption on ablation threshold fluency of Pr-Nd doped silicate glass

LUO Zhi, SUN Xiaoyan, ZHOU Jiangxiazi, YIN Kai, TAN Chao, DENG Wang, DUAN Jian

(State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to further understand the influence of resonant absorption on ablation threshold fluency of femtosecond laser ablating target, two kinds of wavelength (resonant wavelengths 585 nm and 807 nm, and nonresonant wavelengths 720 nm and 775 nm) were adapted to process Pr-Nd doped silicate glass (Pr-Nd Glass), which owned special absorption spectrum, and ordinary fused silica. Based on ablating profiles, a computing method for calculating ablation threshold fluency was put forward. The results show that the approach of producing initial seed electron is mainly multiphoton ionization near ablation threshold fluencies of the two targets, and the multiphoton ionization is extremely strong when Pr-Nd Glass is ablated by the resonant wavelengths 585 nm and 807 nm. Compared with fused silica, the lengths of ablation profiles increase respectively by 19.8% and 6.8% ablated with these two wavelengths. For wavelength 807 nm, the ablation threshold fluency decreases by 12.3% compared with that of fused silica. However, the resonant ablation efficiencies fade away ablated with the nonresonant wavelengths 720 nm and 775 nm, and there are substantial agreement for the lengths of ablation profiles and the ablation threshold fluencies of the two targets.

resonant absorption; femtosecond laser; ablation threshold fluency; multiphoton ionization

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.017

TN249

A

1672?7207(2015)10?3676?06

2015?03?11；

2015?06?24

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2011CB013000)；國家自然科學基金資助項目(51005250，91123035)(Project (2011CB013000) supported by the National Basic Research Program of China (973 Program); Projects (51005250, 91123035) supported by the National Natural Science Foundation of China)

孫小燕，博士，副教授，從事激光加工研究；E-mail：Sunxy@csu.edu.cn

(編輯 陳愛華)