激光與晶體的相互作用

摘 要：人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展有了質(zhì)的飛躍。激光與晶體材料之間的相互作用主要包括多光子離化，等離子吸收激光能量等現(xiàn)象。本文以激光的內(nèi)涵為基礎(chǔ)，分析激光和晶體之間相互作用的非線性現(xiàn)象，以促進(jìn)微電子和光電子工業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：激光；晶體；相互作用

一、激光概述

（一） 激光發(fā)展歷程

激光是自1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器出現(xiàn)后受到人們的關(guān)注，且被越來越多地研究。對激光的研究極大地推動(dòng)了光物理的發(fā)展。1964年鎖模技術(shù)出現(xiàn)后，激光產(chǎn)生的許多非線性現(xiàn)象得以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了激光與物質(zhì)材料相互作用的微擾理論。20世紀(jì)70年代，飛秒脈沖激光得以發(fā)現(xiàn)，從此激光進(jìn)入了飛秒激光技術(shù)時(shí)代。激光在物理、化學(xué)、生物等方面得到廣泛的應(yīng)用。激光的發(fā)現(xiàn)為人們研究物質(zhì)新現(xiàn)象、新性質(zhì)提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性質(zhì)的科學(xué)研究領(lǐng)域，可為未來科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定基礎(chǔ)。其中飛秒激光極高的峰值功率密度可用于誘導(dǎo)材料的非線性現(xiàn)象的出現(xiàn)，是激光研究的一個(gè)極其重要的方面。

（二）激光與晶體相互作用原理

激光與晶體之間相互作用表現(xiàn)為通過二者之間的相互作用機(jī)理來改變物質(zhì)的性狀。激光中超短脈沖激光與晶體材料之間相互作用會(huì)出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，比如光離效應(yīng)、等離子吸收激光熱量效應(yīng)等。超長脈沖激光與晶體之間相互作用是通過使用長脈沖激光對材料進(jìn)行加工，改變晶體材料的物理形態(tài)，使其從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，最后經(jīng)過物質(zhì)熱熔環(huán)節(jié)的處理，過濾晶體材料中的雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對晶體材料的加工。在這個(gè)過程中，也能更多地認(rèn)識(shí)到激光本身的特性。在改變晶體材料物理形態(tài)的過程中，長脈沖激光的特性也發(fā)生了改變，更能夠直觀地觀察到晶體材料在長脈沖激光照射下性態(tài)變化的特殊瞬間。超短脈沖激光與晶體材料的相互作用則更為復(fù)雜，其中發(fā)生的非線性效應(yīng)有多種變化，不易直接地得出研究結(jié)論。

二、激光與晶體的相互作用分析

對激光與晶體相互作用的研究分析主要從超短激光和超長激光兩個(gè)方面進(jìn)行，分別闡述了超短激光與晶體材料的相互作用，超長激光與晶體材料之間的相互作用。最后構(gòu)建現(xiàn)階段廣泛使用的Docchio模型對移動(dòng)損傷的分析，得到高速激光脈沖下對物質(zhì)損傷的結(jié)果，以進(jìn)一步激發(fā)激光的潛能。

（一）非線性效應(yīng)

超短脈沖激光與晶體材料之間的相互作用主要是晶體材料對激光的能量吸收，分為線性和非線性吸收兩種狀況。飛秒激光有非常高的峰值和較窄的脈寬，其與晶體材料的相互作用主要表現(xiàn)為非線性效應(yīng)。

非線性效應(yīng)包括光離化、隧道離化以及雪崩離化。光離化是指物質(zhì)中受到束縛的電子直接吸收激光中的能量，使電子由價(jià)態(tài)發(fā)展到導(dǎo)態(tài)的過程。根據(jù)激光強(qiáng)度和頻率的不同，光離化和隧道離化的重要程度也不同。

在低頻率、高強(qiáng)度的激光光場中，主要發(fā)生的是隧道離化效應(yīng)。在隧道離化的過程中，激光的光場直接將受到束縛的電子從原子帶上的庫侖阱上解放，消除庫侖阱。在電場很強(qiáng)的激光中，庫侖阱就可以被消除，使電子通過量子力學(xué)的隧道現(xiàn)象穿過短壁壘，成為自由電子。

非線性現(xiàn)象中的雪崩效應(yīng)要發(fā)生則晶體中必須要帶有相當(dāng)數(shù)量的導(dǎo)帶電子。導(dǎo)帶電子通過持續(xù)不斷地吸收激光能量，在與光子的相互作用中滿足能量守恒定律。在滿足能量守恒定律過程中，電子要吸收光子能量。在吸收了一定的光子能量后，導(dǎo)帶電子具有了較高能量，能夠與其他電子相碰撞，將另一個(gè)價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶電子上，就會(huì)形成兩個(gè)低動(dòng)能的導(dǎo)帶電子。這個(gè)過程會(huì)使得價(jià)帶上的導(dǎo)帶電子呈幾何級(jí)數(shù)增長，發(fā)生雪崩離化效應(yīng)。

（二）長脈沖激光與晶體材料相互作用

長脈沖激光與晶體的相互作用主要在于長脈沖激光中導(dǎo)帶電子的雪崩離化使導(dǎo)帶電子的數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長，導(dǎo)致在激光照射下，激光強(qiáng)度和頻率超過了晶體的承受限度，使得晶體發(fā)生損傷。超長脈沖激光的持續(xù)時(shí)間較長，導(dǎo)帶電子有足夠?qū)嵺`通過電子晶格的耦合將能量通過聲子傳遞到整個(gè)電子晶格。這樣晶體材料在吸收長脈沖激光能量時(shí)就會(huì)發(fā)生損傷，并產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)。長脈沖激光對晶體材料的照射損傷于能量沉積時(shí)間和熱擴(kuò)散時(shí)間長短相關(guān)。因此，長脈沖激光對材料的損傷閾值具有不確定性。

此外，在長脈沖激光對晶體產(chǎn)生損傷過程中，如果是缺陷或者不純的晶體材料，則會(huì)使晶體材料的導(dǎo)帶電子雪崩離化效應(yīng)充分進(jìn)行，對于脈沖寬度只有幾秒或者激光頻率不高的的脈沖也能對晶體材料產(chǎn)生損傷。但如果是有缺陷的晶體材料本身都有較高的導(dǎo)帶電子濃度，晶體材料在大量吸收激光脈沖能量時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷閥值大大降低，同時(shí)也增加了確定損傷閥值的難度。因此，在研究長脈沖激光與晶體相互作用過程中，導(dǎo)帶電子濃度極為關(guān)鍵。若晶體材料因各種原因本身帶有較多的導(dǎo)帶電子，則在激光照射區(qū)域中噶生光損傷的概率就會(huì)大大增加。若導(dǎo)帶電子數(shù)量較少，則發(fā)生光損傷的可能性就較小。

（三）Docchio模型

Docchio模型的構(gòu)建主要是為了用來計(jì)算激光照射下光損傷的后果。這一模型的搭建主要依靠激光與晶體相互作用的理論。在這一模型中，通過分析激光和晶體之間的相互作用，了解相互作用的機(jī)理和物質(zhì)之間的局限性，研究改進(jìn)和完善的方法，得出更為精準(zhǔn)的分析結(jié)果。通過Docchio模型的對移動(dòng)損傷的分析，可得出這一結(jié)論：如果激光入射強(qiáng)度超過了晶體材料損傷的最大承受限度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)晶體的光損傷現(xiàn)象。

三、結(jié)語

激光和晶體作用研究是目前尖端的科學(xué)研究課題，其成果對物理、化學(xué)、工程等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。其中飛秒激光與晶體之間的非線性效應(yīng)復(fù)雜多變，還需要投入更多的人力、物力和財(cái)力加大研究深度，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)，也有利于促進(jìn)我國尖端科學(xué)技術(shù)水平的提升，占領(lǐng)國際激光晶體作用研究的制高點(diǎn)。

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作者簡介：

梁彬（1994-），女，遼寧凌源人，沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物理學(xué)專業(yè)。