论文部分内容阅读
本文通过研究脉冲激光对材料表面处理时产生的各种形貌变化,推断激光对材料表面损伤的机理并结合光电子能谱测试结果分析了准分子激光对PTFE材料作用后其表面的结构和性质的变化。首先,在背景气压为大气压的条件下,从理论角度计算了1064 nm激光对Si和Hg0.8Cd0.2Te的损伤阈值分别为P0=4.44×108 W·cm-2和P0=9.48×106 W·cm-2。从实验角度用1-on-1方法测量了激光对Si和Hg0.8Cd0.2Te靶材的损伤阈值分别为1.82×108 W·cm-2和8.42×106W·cm-2。其次,同种激光对Si和Hg0.8Cd0.2Te以及不同激光波长对二者表面的激光烧蚀效应的异同,我们也分别作了讨论与分析。发现Si和Hg0.8Cd0.2Te都出现了熔融和蒸发现象,同时,激光还造成了表面的三种力学破坏:温度梯度的存在而产生的热应力,蒸发波和爆轰波的反冲力。这三种力学破坏直接对表面造成机械损伤,突出表现为样品表层的碎裂和褶皱。在同样的准分子激光条件下,Si和Hg0.8Cd0.2Te的损伤形貌差异不仅取决于二者的物理性能(禁带宽度、光吸收系数、热胀系数、熔点、熔化潜热等),还要依赖激光的性能参数。不同激光对同一Hg0.8Cd0.2Te材料的影响也不相同,1064 nm激光对Hg0.8Cd0.2Te表面的烧蚀其熔融效应要强于248 nm激光,原因是248 nm激光对Hg0.8Cd0.2Te的蒸发汽化效应更强一些,因此Hg0.8Cd0.2Te在1064 nm激光作用下表面呈更明显的熔融状态。不同激光对同一Si材料影响也不相同,不同波长激光对单晶Si材料表面损伤的差异主要源自于Si材料对不同激光的吸收系数的显著差别,并且在紫外光辐照下Si表面热效应明显,出现了周期性条纹,虽然边缘也出现了由于机械作用而导致的褶皱现象,但没有发现明显的断裂痕迹。再次,本文还分析了准分子激光对Si和PTFE表面损伤的形貌差异。准分子激光对Si表面的损伤主要是光热作用,而对PTFE表面辐照产生的化学键的断裂则主要是光化学作用而形成的,表面形貌的显著区别来源于这两种材料性质的不同:一种是半导体一种是绝缘体。这其中包括化学键的结合能不同,熔点不同,对光的吸收系数不同,而且Si是晶体,有着较高的熔化潜热,PTFE材料是非完全晶态,熔化潜热极小。最后,利用了光电子能谱测试手段,对激光处理后的表面元素成份变化进行了分析。准分子激光在常温常压下对置于空气中的PTFE进行表面处理,其表面被碳化且粗糙度增加,使得F原子被剥离,去氟效应明显;F被剥离后出现的空位一部分与O连接,形成含氧基团,含氧基团的引入导致表面分子的极化,另一部分会与相邻的C相交叉连接。这些有助于对PTFE进一步的接枝或与化学试剂的反应。本文以Si、Hg0.8Cd0.2Te和PTFE为例,研究了激光对物质表面损伤的作用机理。作为基础性研究,对高功率密度激光烧蚀的液体溅射理论以及对Si和Hg0.8Cd0.2Te表面损伤阈值的研究有了进一步地完善,理论上得出了造成晶体表面损伤和形态改变的因素主要有热应力、蒸发波和爆轰波的反冲力。本文还合理解释了准分子激光对PTFE的作用机理并测试了生成产物及其性质的改变,所获得的一些重要结论为今后的激光与物质相互作用研究提供了依据。