飛秒脈沖激光在微機(jī)械系統(tǒng)中脫附和加工的機(jī)理研究.pdf

1、自從飛秒脈沖激光的出現(xiàn)，基于這一新型超強(qiáng)超短脈沖激光的技術(shù)和應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。飛秒脈沖激光及其技術(shù)為科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)方法和工程應(yīng)用提供了前所未有的全新的工具和手段。飛秒脈沖激光由于在較小的光能能量密度下具有極高的光強(qiáng)、加熱時(shí)熱擴(kuò)散區(qū)域極小、可對物質(zhì)在原子、分子水平上操縱以及對物質(zhì)在微小區(qū)域內(nèi)某些重要屬性進(jìn)行改變與處理等特點(diǎn)，將在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微納米器件的加工制造等眾多領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。 隨著半導(dǎo)體器件尺寸的日益

2、減小，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造中，為了防止器件失效，將吸附在器件固體表面上的雜質(zhì)分子和殘留水分子進(jìn)行脫附清除具有重要的意義。本文將飛秒脈沖激光技術(shù)應(yīng)用于對MEMS器件表面的吸附分子(雜質(zhì))進(jìn)行脫附，以輻射傳熱和固體導(dǎo)熱的微觀能量輸運(yùn)機(jī)理和基于短脈沖激光導(dǎo)致的原子分子激發(fā)態(tài)的微觀脫附機(jī)理為基礎(chǔ)，討論了飛秒和納秒脈沖激光不同的加熱機(jī)理、脫附機(jī)理及其數(shù)學(xué)模型；借鑒Brown運(yùn)動(dòng)的思想，從隨機(jī)過程角度，建立了短脈沖激光(包括飛秒脈沖激光和納

3、秒脈沖激光)對金屬基體吸附層的雜質(zhì)進(jìn)行脫附的隨機(jī)過程物理模型。 針對飛秒和納秒脈沖激光不同的加熱和脫附模型，本文探討了相關(guān)的數(shù)值計(jì)算方法并設(shè)計(jì)了算法，對其過程及結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。比較了飛秒和納秒脈沖激光輻射下，基體電子、聲子不同的溫度分布規(guī)律，吸附分子的脫附概率隨激光輻射時(shí)間的演化規(guī)律及其對基體晶格的熱影響，得到了飛秒脈沖激光更適用于對MEMS或其它微系統(tǒng)中雜質(zhì)進(jìn)行脫附；比較了不同飛秒脈沖激光參數(shù)條件(如波長、最大光能能量密度、

4、光強(qiáng)、脈沖時(shí)間寬度)對吸附分子脫附概率的影響，獲得了在一定條件下，可以通過改變激光參數(shù)，提高吸附分子的脫附概率；提出了運(yùn)用雙脈沖飛秒激光技術(shù)，通過選取合適的雙脈沖飛秒激光的間隔時(shí)間，同樣既可以提高吸附分子的脫附概率，也能有效的阻止過高的聲子溫度所導(dǎo)致的晶格熱破壞。 本文還根據(jù)飛秒脈沖激光的非平衡態(tài)加熱的特性，模擬了加熱金屬薄膜時(shí)，晶格的溫度場分布及其隨時(shí)間變化規(guī)律。揭示了材料性能參數(shù)是影響飛秒激光加熱狀態(tài)的重要因素。根據(jù)文中定義