飛秒激光微構(gòu)造硅光學(xué)性質(zhì)研究及實(shí)驗(yàn)裝置.pdf

1、飛秒激光在一定氣體環(huán)境下照射硅片可在硅表面激光輻照區(qū)產(chǎn)生微米量級(jí)的尖峰結(jié)構(gòu)。經(jīng)過表面微構(gòu)造后的硅材料光吸收比有了大幅度提升。該現(xiàn)象不僅有助于深入研究飛秒激光與固體材料的相互作用，而且具備較大的工程應(yīng)用價(jià)值。為此，建立了飛秒激光微構(gòu)造硅的多套實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)微構(gòu)造硅的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 論文研究了微構(gòu)造硅的光吸收特性。結(jié)果表明，在六氟化硫氣體氛圍中的微構(gòu)造硅在0.3μm-200μm波段范圍內(nèi)對(duì)入射光輻射均具有較強(qiáng)吸收。在紫

2、外可見近紅外(0.3μm-2.5μm)波段，平均吸收比高于90％；在中紅外(2.5μm-20μm)波段，平均吸收比高于80％；在遠(yuǎn)紅外(20μm-200μm)波段，吸收比曲線不再平坦，隨著波長(zhǎng)的增加快速降低，最低吸收比仍高達(dá)20％，為平整硅吸收比的數(shù)倍。研究還表明，隨著微構(gòu)造硅尖峰高度的增加，微構(gòu)造硅吸收比增強(qiáng)。
　　 微構(gòu)造硅反射光空間分布實(shí)驗(yàn)表明，微構(gòu)造硅存在逆反射特性。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)還表明，微構(gòu)造硅表面波即使存在，其能量所占比

3、例亦不超過總反射信號(hào)的1％。
　　 在微構(gòu)造硅法向光譜發(fā)射率特性研究中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微構(gòu)造硅有著極高的法向光譜發(fā)射率，接近于理想黑體。在中紅外波段范圍內(nèi)，法向光譜發(fā)射率隨著尖峰高度的增加而增加，隨著溫度的升高而升高。
　　 利用TRACEPRO軟件對(duì)微結(jié)構(gòu)純硅的仿真分析中發(fā)現(xiàn)，表面微結(jié)構(gòu)和硅的高折射率是高吸收比的兩大主要原因。仿真得到的透射比曲線和實(shí)際吻合；反射，吸收曲線變化趨勢(shì)和實(shí)際基本吻合，但均有10％左右的偏離。

4、這表明，對(duì)微構(gòu)造硅而言，結(jié)構(gòu)對(duì)吸收的確起到了很大的作用，但遠(yuǎn)非全部。
　　 不同尺度的純微結(jié)構(gòu)金和硅的仿真結(jié)果表明，材料微結(jié)構(gòu)與材料吸收的關(guān)系較為復(fù)雜。平板材料吸收比越高，隨著尖峰高度的增加，吸收比變化速度越快。在趨勢(shì)上，隨著尖峰高度的增加，系統(tǒng)吸收比雖然增加，但在某些局部，吸收比會(huì)出現(xiàn)較大幅度的震蕩。
　　 這些極好的光學(xué)特性使微構(gòu)造硅在高效太陽能電池，寬波段探測(cè)器，太赫茲，黑體輻射等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。