飞秒激光烧蚀YAG单晶表面的表征

李长青， 王树成， 周玉锋， 刘宝良

(1.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022;2.哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所， 哈尔滨 150080)



飞秒激光烧蚀YAG单晶表面的表征

李长青1， 王树成1， 周玉锋2， 刘宝良1

(1.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院， 哈尔滨 150022;2.哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所， 哈尔滨 150080)

在飞秒激光作用下，对损伤YAG单晶表面的形貌特征及其损伤阈值进行分析，对YAG单晶表面的临界电场阈值进行计算。采用光学显微镜、原子力显微镜及扫描电镜对飞秒激光损伤的YAG单晶表面的烧蚀坑形貌进行表征。研究表明：YAG单晶表面的烧蚀坑呈现周期表面结构，在130 fs脉宽、中心波长为800 nm、单脉冲能量在80～580 μJ条件下，飞秒激光测试的YAG单晶的损伤阈值为4.24 J/cm2，计算获得了YAG单晶表面的电场临界阈值。

飞秒激光； YAG晶体； 损伤阈值； 烧蚀坑； 电场临界阈值

YAG晶体属于立方晶系，不具有双折射效应。其单晶状态下具有卓越的光学性能、力学性能及抗辐照的特性，是优异的窗口材料的候选之一。YAG晶体也可作为激光基体、衬底材料及荧光材料而被广泛应用[1]。

对激光作用于材料的损伤研究，超短脉冲激光如飞秒激光等与光学晶体的相互作用的实验和理论研究较多，特别是飞秒激光损伤晶体的研究报道[2-5]，但对于晶体的表面临界电场与损伤阈值分析报道较少。笔者主要是针对YAG晶体在飞秒激光作用下，其损伤阈值测定及表面损伤阈值的临界电场的分析研究。

1 实验测试与表征

1.1 晶体试样制备

研究采用YAG晶体取自提拉法(CZ法)生长制备的YAG单晶。采用内圆切割机切割YAG单晶，晶体定向采用DX-9B型双晶衍射仪，利用Ultrasonic35 Sauer超声加工设备对试样沿晶向加工，制备获得<211>晶向的试样，采用化学腐蚀法进行双面抛光，使晶片表面光洁度达到实验要求。

1.2 实验测试

如图1所示，为进行激光损伤实验而搭建激光系统。被测试YAG晶体试样安装固定在精密的二维移动平台上，YAG晶体试样垂直激光光束并沿水平方向上平移，能够保证在每一激光脉冲作用下试样表面在新的位置产生烧蚀坑。通过改变激光脉冲束的能量来形成烧蚀坑，分析测定激光晶体阈值。在激光光路中加入ICCD系统和能量调节装置，能够实时监测激光束能量和观察晶体表面的变化。

实验中所搭建的飞秒TR-CARS光谱激光系统是由美国Spectra Physics公司制造，利用掺钛的蓝宝石激光晶体自锁模技术产生飞秒激光。激光系统由四部分组成：Tsunami(振荡器)、Millennia(绿光激光器)、Spitfire(再生放大器)和Evolution(泵浦源)。激光器的标准脉宽为130 fs，时间波形为高斯脉冲；单脉冲能量调节范围80～580 μJ，激光脉冲能量采用能量计来测量监控，重复频率10 Hz，激光束的标准中心波长是800 nm，谱线宽度约为 20 nm。

图1 飞秒激光损伤实验装置示意Fig. 1 Schematic experimental setup for fs laser induced damage1.3 实验表征

为了观察激光损伤产生的烧蚀坑的微观形貌，采用Olympus GX51/BX51型光学显微镜(OM)观察YAG晶体试样表面烧蚀坑形貌并测定其尺寸。

为了表征激光损伤YAG晶体的烧蚀坑的深度，采用Dimension 3100型原子力显微镜(AFM)来表征。该测试方法采用接触扫描模式，测试扫描面积范围为80 μm×80 μm。

为了细致的观察YAG晶体表面烧蚀坑形貌特征，采用CamScan MX-2600扫描电子显微镜(SEM)来表征，其工作电压为0～25 kV。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

图2为光学显微镜下观察飞秒激光损伤的YAG晶体表面烧蚀坑(激光脉宽130 fs,中心波长800 nm，单脉冲)，从图2中可以看出，随着脉冲能量的增加，由激光束形成的烧蚀坑随之增大。

Fig. 2 Morphologies of craters on YAG crystal surface induced by fs laser

如图3所示，是飞秒激光烧蚀的YAG晶体表面的原子力显微形貌。从图3中可以看出，在脉冲激光能量580 μJ的条件下，烧蚀坑轮廓成不规则的椭圆形，其短轴约为57.4 μm，长轴约为115 μm。激光损伤的烧蚀坑边缘有隆起，并测定出烧蚀坑深度40～50 nm。

a AFM表面形貌线扫描

b AFM俯视显微形貌

Fig. 3 Atomic force morphology of YAG crystal induced by fs laser

为了更清晰的观察激光烧蚀坑的显微形貌，采用了SEM进行观察，如图4所示。观察到烧蚀坑内部出现了周期性的表面结构，被称为激光诱导周期表面结构(laser-induced periodic surface structures， LIPSS)，也被称作波纹，相关报道[6-7]认为是入射激光和沿着界面的散射波动相互干扰形成的。也有研究[8]认为，除了以上原因之外也与激光能量波动和偏振相关。图4 右上角是烧蚀坑中部局部放大SEM形貌，可以看出波纹周期基本相等，尺度在1.5 μm左右，接近激光波长的2倍，与J. Bonse等[9]报道结果不同，他们得出的结论是波纹周期与晶体折射率的比值，这个问题有待进一步研究。

图4 飞秒激光损伤YAG晶体的烧蚀坑SEM形貌

Fig. 4 Morphology of crater on YAG crystal induced by fs laser

2.2 阈值计算

常用的确定激光损伤阈值方法有外推法[10-12]，也有文献称作极大点法[13]。激光束的最大脉冲能量能够生成最大的烧蚀面积，根据文献[13]中的数学推理，对于束腰半径为r0的高斯形激光光束，可以得出烧蚀坑面积S和脉冲能量Ep的关系：

(1)

式(1)表明，当激光束能量密度Ep高于YAG晶体能量密度损伤阈值Jth时，激光能量密度Ep增大而使得烧蚀坑半径rs增大，得出lnEp与烧蚀坑面积S成线性关系，利用这种规律，选取一系列等差递增能量的脉冲激光损伤烧伤YAG晶体表面，并测定出烧蚀坑当量半径rs，得出烧蚀坑面积S，并绘制出S-lnEp关系曲线，推导出烧蚀坑面积S和脉冲能量Ep的关系：

(2)

(3)由式(3)分析得出S-lnEp关系曲线能够获得YAG晶体的损伤阈值。采用以脉冲能量Ep为变量的激光束照射YAG晶体表面，测量不同激光能量密度生成的烧蚀坑的当量直径，即可确定出YAG晶体的损伤阈值。图5是YAG晶体飞秒激光烧蚀面积与脉冲能量的关系。测定获得的YAG晶体表面在不同能量的激光脉冲作用下的烧蚀坑面积与脉冲激光束能量密度的关系曲线，得出烧蚀坑当量面积与激光能量的自然对数有较好的线性关系，在激光脉冲能量密度更小的范围内这种线性关系更为明显。

图5 YAG晶体飞秒激光烧蚀面积与脉冲能量的关系

Fig. 5 Relationship between crater areas and pulse energies of fs laser

如图5所示，YAG晶体在如上实验参数范围的飞秒激光作用下测定的其损伤阈值，得到的YAG单晶的损伤阈值为4.24 J/cm2，与Shizhen Xu等[14]报道采用145 fs脉宽、800 nm波长、飞秒激光测试YAG单晶，测得其损伤阈值3.59 J/cm2较接近。

2.3 机理分析

对于激光烧蚀晶体材料的损伤阈值机理性问题，Robert Eason[15]等提出了关于介电材料损伤阈值的计算公式。Robert Eason认为：在激光脉宽时间范围内，激光能量密度超过晶体材料的原子电离阈值，在脉冲结束前能够实现一部分材料表面原子的第一次电离。获得的激光脉冲的损伤阈值与脉宽的关系为

(4)

式(4)中tp是激光脉宽；D是YAG单晶的热扩散系数，取0.045 cm2/s；Eb为结合能，YAG约5 eV/原子[15]；na是原子数密度，A是YAG晶体光学吸收系数，取值为0.054。可得出其损伤阈值为2.05 J/cm2，这比实验采用的极大值法测定的损伤阈值偏大一些，分析认为是选择参数的差别引起的。

库仑爆炸(Coulomb Explosion)理论常用来分析激光烧蚀晶体，对于飞秒激光烧蚀YAG晶体来说，库仑爆炸是分析其损伤机理的方法。在超短的激光脉冲作用于晶体表面时，表面会由于激发出的电子或离子产生静电场，静电场产生的应力克服晶体表面的结合力，出现晶体表面原子的脱离，如图6所示。

图6 激光辐照YAG晶体表面电场形成示意

Fig. 6 Schematic of surface electric field on YAG radiated by fs laser

针对YAG烧蚀问题，下面采用了Bettis[16]的理论和Bulgakova[17]提出的库仑爆炸判据对YAG的临界电场阈值进行分析。为了分析YAG晶体的电场临界阈值，采用Bettis[16]的理论表达式来计算激光烧蚀晶体材料引发电场临界阈值，烧蚀晶体的临界电场阈值被认为与na2/3/(n2-1)成线性关系，这里na是原子数密度，通过YAG晶体性质可得na为4.62×1021cm-3；n是YAG的折射指数，在室温为1.82(对于6 33 nm的波长光)， 则临界电场阈值Eth为

(5)

式(5)中qe是电子电量，数值为1.60×10-19C；ε0是真空介电常数，数值为8.85×10-14F/cm；经计算得出激光损伤YAG晶体表面的临界电场阈值为2.17×1010V/m。

Bulgakova[17]也研究认为库仑爆炸是可以对激光烧蚀晶体机理进行解释，并采用库仑爆炸判据(Criteria for Coulomb Explosion)进行解释，并分析得出临界电场阈值：

(6)

式(6)中Λat是YAG晶体的升华潜热，参考蓝宝石的升华潜热485.7 kJ/mol；na是原子数密度，取值为4.62×1021cm-3；ε是YAG晶体的介电常数，11.7；ε0是真空介电常数，计算得出临界电场阈值为2.7×1010V/m，此值略大于上述Bettis计算的临界电场，由于YAG升华潜热值小于蓝宝石， 因此，认为此种方法计算值与Bettis计算的临界电场偏差较小。在脉冲激光辐照下，产生的瞬间强电场足以脱离表面的原子而损伤基体，从而形成了表面损伤。

3 结 论

(1)飞秒激光损伤YAG单晶表面形成的烧蚀坑呈现周期表面结构。

(2)在130 fs脉宽、中心波长为800 nm、单脉冲能量在80～580 μJ范围飞秒激光测试的YAG单晶的损伤阈值为4.24 J/cm2。

(3)采用Bettis表达式和Bulgakova的库仑爆炸的判据计算方法YAG单晶表面的电场临界阈值计算结果相近。

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(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Study on femtosecond laser induced damage on YAG single crystal surface

LiChangqing1,WangShucheng1,ZhouYufeng2,LiuBaoliang1

(1.School of Material Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.Center for Composite Materials & Structure, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

This paper is concerned with an investigation into morphologies and damage threshold of YAG single crystal surface damaged by femtosecond laser, the computation of threshold electric field, and the characterization of morphologies of craters on YAG single crystal surface induced by femtosecond laser by optical microscopy, atomic force microscopy and scanning electrical microscopy. The results show that the crater on the surface of YAG single crystal is laser-induced periodic surface structures(LIPSS), the damage threshold of YAG single crystal is 4.24 J/cm2under 130 fs pulse duration, 800 nm mid wavelength, single pulse energy in range of 80～580 μJ, leading to the threshold electric field of YAG single crystal.

femtosecond laser; YAG single crystal; damage threshold; crater; electric field threshold

2016-08-26

国家自然科学基金项目(11572113);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531586)

李长青(1973-)，男，山东省日照人，副教授，博士，研究方向：无机非金属材料，E-mail:llchangqing@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.015

TB331； TN249

2095-7262(2016)05-0541-05

A