激光技術在晶體材料中的使用情況

張舒明 陳斅恔

【摘 要】激光是上個世紀人類最重要的一大發明，自從六十年代第一臺激光器產生到今天，經過半個世紀的技術進步，發生器的輸出功率越來越大，能量轉換效率極為提高，激光束的性能也越來越優秀，使用范圍得到了很大的拓寬。自從激光技術被應用到工業制造中以來，便以其無污染、高效率、智能化等優勢受到科技研究和生產發展的重視。本文介紹了激光技術的主要特點和發展現狀，概述激光技術在晶體材料的加工制備，探傷檢損和性能測試表征等方面的使用情況。

【關鍵詞】激光技術 晶體材料 使用

激光技術已經成為當今信息化時代電子工業領域的重要支柱，其在晶體材料中的使用主要表現在以下三個方面。

1 激光技術在晶體材料加工方面的使用

由于激光方向性好，能力密度高，當運用于材料加工領域的時候，具備許多常規熱加工方式無法比擬的優點。首先，能量高度集中的快速加工方式，將對非加工部位的影響降到最低，工件不易發生熱變形；因為是非接觸式加工，不會對材料造成直接沖擊，避免了機械變形，無“刀具”磨損，不但生產效率提升，而且質量有保障，節約資源能源；將激光束作為加工“刀具”，便于操作和控制，易于導向和方向變換，當加工復雜形面的時候有很大的優勢。

目前激光技術在晶體材料生產中大多是通過激光束對材料施加影響來實現焊接、分離、表面改性等功能。激光在高度聚焦狀態下，即使發射的總能量不足以加熱一個雞蛋，卻可以穿孔3mm厚的鋼板，實際上在激光最開始被發明出來的一段時間里，人們提出的就是用來打孔、切割寶石等各種用普通方式不易加工的物質。

上海交通大學的劉朝陽等研究了使用雙層熔覆工藝時材料內部各參數動態演化進程，凝固過程中柱狀晶-等軸晶轉變和位于熔覆層橫截面上晶體的生長分布[1]。在激光功率200W，光斑直徑0.6mm，激光行走速度5.0mm/s，送粉率6g/min的工藝條件下，可控制熔覆層高度0.487mm，寬度0.765mm，而基體的熔化深度只有0.121mm，避免了激光熔覆單晶合金于渦輪葉片尖端時雜晶或等軸晶的形成，獲得持續長大的晶體組織，提高修復效率。

激光技術用于新材料的制備，包括通過激光束加熱前體物質，物料蒸發后沉積于基板上制膜的激光物理氣相沉積，通過聚集的高溫高能光束促進物料氣化并進行化學反應，最終層積為膜的激光化學氣相層積。以及將基板試樣浸沒到鍍液內，用高能激光誘發鍍膜的激光誘導液相化學鍍。這些方式為新型晶體材料的制備和運用開拓了研究空間，并朝著環保、經濟型趨勢發展，發展前景相當廣闊。

2 激光技術在材料測試分析上的使用

當光照射到物質上時會產生兩種形式的散射，與原始激發光波長一致的是彈性散射的散射光，不同的是作用于材料后產生的非彈性散射光，拉曼效應的產生和分子內部的結構與組成有關，因此通過分析這種散射光譜，可以得到被照射材料分子內部運動的相關信息。由于拉曼散射是以分子碰到單色激光時不同的振動作為研究對象，所以其實際應用領域比X射線以晶體作為研究對象更為廣泛。拉曼光譜測量晶格的振動頻率，能夠表征材料骨架中的特殊組成和原子之間成鍵的狀態，得到快捷、簡便、可重復、最為關鍵的是對于被測式樣無損害的定性定量檢測。上硅所的劉學超等人就通過拉曼面掃描的方式對整個SiC晶體多型的空間結構和演化過程進行了系統探索[2]，研究了晶體的生長過程中晶界上結晶反應的變化情況，對于半導體材料的多型混雜鑒別具有重要意義。因為激光具備單色性好、方向性強、亮度高、相干性好等特性，將其與表面增強拉曼效應相結合，可獲得表面增強拉曼光譜。靈敏度相比于常規的拉曼光譜提高近百倍，激光共振拉曼技術能夠提高精度，有利于微濃度物質或者較少試樣的分析；在當前的材料結構研究中，激光拉曼與紅外光譜的結合使用能夠解決許多問題。

此外，激光在晶體材料的又一使用是測量技術，激光測量技術的發展與光電技術密切相關，目前主要有激光干涉測量技術，激光衍射測量技術和激光視覺三維檢測技術。劉濤借助自主設計的激光檢測儀觀測粗集料的表面微觀形貌，研究瀝青鋪筑路面的防滑效能[3]。由于激光是自然光波中的一種，測量精度有保障，光信號方便進行轉換和儲存，大大簡化了測量過程，易于數據的分析與后期處理，在各種測量領域受到重視。

3 激光與晶體材料的相互作用

近些年來，隨著各種材料制備手段的迅速發展和激光技術的日臻成熟，利用激光來實現晶體材料的改性具有特殊的實踐價值，故而對于激光和各種類型晶體之間的相互作用日益受到研究人員的關注。原子干涉儀使用激光脈沖序列構造，可用于測定原子內外部基本物理參數。以滲鈦的藍寶石晶體作為激光發生器，可以產生5fs的超快激光，能量高達100TW，被廣泛運用于各種超快現象的研究、X射線激光和相關材料處理方面。這些技術與實踐的相互結合，表明了激光技術在晶體材料研發領域的迅速發展。在當前的激光技術研究中，研究人員發現當使用長脈寬激光時，晶體燒蝕閥值和激光脈寬的開方具有正相關性，這表明材料表面的“激光燒蝕”過程主要是受熱傳導的控制，對于研究納米材料的穩定生長條件具有重要的指導意義。在通過適當的技術處理后，可運用于工業生產實踐中，制備碳納米材料和其它金屬氧化物納米材料[4]。

飛秒激光是目前人類能夠獲得的最短脈沖技術。其脈沖持續時間非常之短，為10的負15次方數量級，同時飛秒激光具有很大的瞬時功率，而且能夠實現精確的聚焦定位，使得在超細微空間的操作得以進行，從此人們可以在原子尺度上觀測到物質的運動。例如飛秒激光與SiN晶體的相互作用，首先是材料內部電子因為受到高頻激光輻照碰撞產生電離，形成等離子狀態；對等離子體進行適當處理，使其吸收激光能量，并傳遞給晶體基材，促使材料發生各種改性。對于其間復雜的作用機理進行研究，可以改進設備工藝，實現行業的高效生產。

參考文獻：

[1] 劉朝陽.激光熔覆單晶材料過程中的晶體生長的數值模擬[J].應用激光，2013（4）：144-146.

[2] 劉學超.拉曼面掃描表征氮摻雜6H-SiC晶體多型分布[J].無機材料學報，2012（6）：610-612.

[3] 劉濤.瀝青路面粗集料的微觀構造及抗滑性能研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[4] 崔洋.光學無損檢測技術的應用[J].科技信息.2009（5）.