1064nm納秒脈沖激光輻照水下鍺材料光譜研究

王朔 張鵬波 蔡宏吉 侯力銘

摘? 要：為了研究水對激光輻照半導體鍺材料的影響，利用1064nm納秒脈沖激光輻照鍺材料，改變激光能量與鍺材料所處環境，對其散射光譜進行采集與分析。結果表明，作用在空氣中鍺材料表面單脈沖激光能量35mJ，產生較多等離子體譜線。作用在薄層水覆蓋的鍺材料表面單脈沖激光能量35mJ、50mJ、100mJ，鍺材料特有等離子體譜線消失。作用在水下50mm鍺材料表面單脈沖激光能量35mJ，采集散射譜線表現為輻射譜形式，所有等離子體譜線消失。等離子體譜線的差異代表了激光輻照鍺材料的損傷機理與損傷效果存在差異。此結果對于激光水下加工半導體材料以及軍事光電對抗方面有著重要應用前景。

關鍵詞：激光;水;鍺材料;光譜

中圖分類號：O439文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0050-02

Abstract： In order to study the effect of water on semiconductor germanium materials irradiated by laser， 1064nm nanosecond pulse laser was used to irradiate germanium materials， change the laser energy and the environment of germanium materials， and collect and analyze the scattering spectra of germanium materials. The results show that more plasma lines are produced when the monopulse laser energy is 35 MJ on the surface of germanium material in air. The monopulse laser energy 35mJ， 50mJ， 100mJ on the surface of germanium material covered with thin layer of water， the unique plasma spectral line of germanium material disappears. When the monopulse laser energy is 35 MJ on the surface of underwater 50mm germanium material， the collected scattering spectral lines are in the form of radiation spectrum， and all the plasma spectral lines disappear. The difference of plasma spectral lines represents the difference of damage mechanism and damage effect of germanium materials irradiated by laser. These results have important application prospects for laser underwater processing of semiconductor materials and military optoelectronic countermeasures.

Keywords： laser; water; germanium material; spectrum

引言

自二十世紀七十年代末以來，激光被引入并且用于半導體加工、微結構構造與薄膜加工等，并且激光在清洗、打孔、光刻等應用上表現出巨大前景。為了提高加工效率和精度，對激光加工過程中的激光與物質的相互作用進行了研究[1]。高功率脈沖激光束輻照靶材時，靶材吸收激光能量產生熔化、氣化以及電離現象，導致靶材表面質量遷移和等離子體形成[2]。

鍺是一種高載流子遷移率的半導體材料，因其特性被廣泛應用于固體物理學和固體電子學領域[3]。在醫療、工業和軍事等方面元素也發揮了重要作用，如太陽能電池中，鍺作為襯底材料制成的太陽能電池正在慢慢成為主要的空間電源。在紅外行業中，可用于導航、火災報警、夜視儀器開發等[4]。水輔助激光加工也在近年來得到大量的關注。水約束激光工、水下激光切割和水下激光掩模刻蝕等新加工方法不斷提出[5]。很多科研工作者也對影響激光加工的關鍵因素包括激光脈沖數、激光波長與激光能量等對激光加工的影響進行了較為深入的研究。本文利用1064nm納秒脈沖激光輻照空氣中與水下鍺材料，對產生的散射光譜進行采集，對光譜差異原因進行了分析。

1 實驗裝置

圖1為1064nm納秒脈沖激光輻照水下鍺材料實驗裝置圖，包括1064nm納秒脈沖激光器、激光能量衰減器、脈沖式激光能量探測器、海洋QE65Pro光譜儀、計算機等儀器。單脈沖激光從激光器發出，經激光能量衰減器、玻璃片8%反射92%透射、全反鏡反射、透鏡聚焦照射到處于空氣中或水中的鍺材料表面。激光輻照鍺材料產生的散射光譜經探頭耦合進入光纖，傳輸至光譜儀，被光譜儀接收并記錄于電腦中。

2 結果與分析

為了研究水對激光輻照鍺材料的影響，本實驗通過采集激光輻照空氣中鍺材料、薄層水下鍺材料與50mm水下鍺材料的光譜進行分析（如圖2）。

從采集結果中可見激光輻照空氣中鍺材料出現較多等離子體譜線，譜線為N、O、H等空氣中常見元素等離子體譜線與鍺元素等離子體譜線疊加到激光輻照鍺材料產生的熱輻射譜上;激光輻照淺層水下鍺材料也出現N、H、O等空氣中常見元素等離子體譜線疊加到激光輻照鍺材料產生的熱輻射譜上，相比于激光輻照空氣中鍺材料，缺少589.3nm與602.1nm鍺材料特征等離子體譜線;當激光輻照處于50mm水下鍺材料時，所有等離子體譜線都不出現，采集的光譜結果僅以輻射譜的形式表現出來。

針對上述現象，考慮激光能量對激光輻照淺層水下鍺材料的影響，將能量提高到50mJ、100mJ，重復激光輻照淺層水下鍺材料實驗，所得數據結果圖3所示。

從圖中可見隨能量的增加589.3nm與602.1nm鍺材料特征等離子體譜線并未出現，也就證明了，淺層水下鍺材料的特征等離子體峰并未出現，被水影響湮滅掉。

上述結果表明，水對激光輻照鍺材料存在較大影響，淺層水即可影響吸收掉鍺材料特征等離子體峰，等離子體基團的吸收可使得激光輻照鍺材料的損傷效果改變。當鍺材料處于50mm水下時，并未出現任何等離子體峰，無等離子體基團能量釋放去影響激光對鍺材料的損傷效果。相比于激光輻照空氣中鍺材料，將鍺材料至于水下，其損傷機理與損傷效果皆發生改變。

3 結論

通過實驗測量了1064nm脈沖納秒激光輻照水下鍺材料的散射光譜。結果表明，水對1064nm脈沖納秒激光輻照鍺材料產生的散射光譜存在較大影響。空氣中采集譜線在589.3nm與602.1nm處出現鍺元素特征等離子體譜線，且采集譜線存在較多N、O、H元素特征峰;淺層水環境下采集譜線589.3nm與602.1nm處未出現鍺元素特征等離子體譜線，鍺元素特征等離子體峰湮滅;水深50mm時采集的散射譜線只存在輻射譜，元素等離子體譜線全部湮滅。實驗結果表明激光輻照水下鍺材料時可導致等離子體湮滅現象，這對于鍺材料的激光精細加工是有著較重要意義的。下一步研究著重于淺層水下鍺元素等離子體峰湮滅原因，從基礎理論上給出現象出現原因。

參考文獻：

[1]宋威廉.激光加工技術的發展[J].激光與紅外，2006，36（b09）：755-758.

[2]劉楠楠.納秒YAG脈沖激光燒蝕鍺的等離子體特性研究[D].長春理工大學，2012.

[3]Bonse J， Bachelier G， Siegel J， et al. Time-and space-resolved dynamics of melting， ablation， and solidification phenomena induced by femtosecond laser pulses in germanium[J]. Physical Review B Condensed Matter， 2012，74（13）：134106.

[4]張興德，趙秀麗，程玉峰.鍺在紅外技術上的應用和發展趨勢[J].稀有金屬，1988（6）：49-54.

[5]鄧宇，郭鐘寧，連海山，等.水下納秒激光微孔加工實驗研究[J].現代制造工程，2016（7）：1-5.