1064nm纳秒脉冲激光辐照水下锗材料光谱研究

王朔 张鹏波 蔡宏吉 侯力铭

摘  要：为了研究水对激光辐照半导体锗材料的影响，利用1064nm纳秒脉冲激光辐照锗材料，改变激光能量与锗材料所处环境，对其散射光谱进行采集与分析。结果表明，作用在空气中锗材料表面单脉冲激光能量35mJ，产生较多等离子体谱线。作用在薄层水覆盖的锗材料表面单脉冲激光能量35mJ、50mJ、100mJ，锗材料特有等离子体谱线消失。作用在水下50mm锗材料表面单脉冲激光能量35mJ，采集散射谱线表现为辐射谱形式，所有等离子体谱线消失。等离子体谱线的差异代表了激光辐照锗材料的损伤机理与损伤效果存在差异。此结果对于激光水下加工半导体材料以及军事光电对抗方面有着重要应用前景。

关键词：激光;水;锗材料;光谱

中图分类号：O439文献标志码：A         文章编号：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来，激光被引入并且用于半导体加工、微结构构造与薄膜加工等，并且激光在清洗、打孔、光刻等应用上表现出巨大前景。为了提高加工效率和精度，对激光加工过程中的激光与物质的相互作用进行了研究[1]。高功率脉冲激光束辐照靶材时，靶材吸收激光能量产生熔化、气化以及电离现象，导致靶材表面质量迁移和等离子体形成[2]。

锗是一种高载流子迁移率的半导体材料，因其特性被广泛应用于固体物理学和固体电子学领域[3]。在医疗、工业和军事等方面元素也发挥了重要作用，如太阳能电池中，锗作为衬底材料制成的太阳能电池正在慢慢成为主要的空间电源。在红外行业中，可用于导航、火灾报警、夜视仪器开发等[4]。水辅助激光加工也在近年来得到大量的关注。水约束激光工、水下激光切割和水下激光掩模刻蚀等新加工方法不断提出[5]。很多科研工作者也对影响激光加工的关键因素包括激光脉冲数、激光波长与激光能量等对激光加工的影响进行了较为深入的研究。本文利用1064nm纳秒脉冲激光辐照空气中与水下锗材料，对产生的散射光谱进行采集，对光谱差异原因进行了分析。

1 实验装置

图1为1064nm纳秒脉冲激光辐照水下锗材料实验装置图，包括1064nm纳秒脉冲激光器、激光能量衰减器、脉冲式激光能量探测器、海洋QE65Pro光谱仪、计算机等仪器。单脉冲激光从激光器发出，经激光能量衰减器、玻璃片8%反射92%透射、全反镜反射、透镜聚焦照射到处于空气中或水中的锗材料表面。激光辐照锗材料产生的散射光谱经探头耦合进入光纤，传输至光谱仪，被光谱仪接收并记录于电脑中。

2 结果与分析

为了研究水对激光辐照锗材料的影响，本实验通过采集激光辐照空气中锗材料、薄层水下锗材料与50mm水下锗材料的光谱进行分析（如图2）。

从采集结果中可见激光辐照空气中锗材料出现较多等离子体谱线，谱线为N、O、H等空气中常见元素等离子体谱线与锗元素等离子体谱线叠加到激光辐照锗材料产生的热辐射谱上;激光辐照浅层水下锗材料也出现N、H、O等空气中常见元素等离子体谱线叠加到激光辐照锗材料产生的热辐射谱上，相比于激光辐照空气中锗材料，缺少589.3nm与602.1nm锗材料特征等离子体谱线;当激光辐照处于50mm水下锗材料时，所有等离子体谱线都不出现，采集的光谱结果仅以辐射谱的形式表现出来。

针对上述现象，考虑激光能量对激光辐照浅层水下锗材料的影响，将能量提高到50mJ、100mJ，重复激光辐照浅层水下锗材料实验，所得数据结果图3所示。

从图中可见随能量的增加589.3nm与602.1nm锗材料特征等离子体谱线并未出现，也就证明了，浅层水下锗材料的特征等离子体峰并未出现，被水影响湮灭掉。

上述结果表明，水对激光辐照锗材料存在较大影响，浅层水即可影响吸收掉锗材料特征等离子体峰，等离子体基团的吸收可使得激光辐照锗材料的损伤效果改变。当锗材料处于50mm水下时，并未出现任何等离子体峰，无等离子体基团能量释放去影响激光对锗材料的损伤效果。相比于激光辐照空气中锗材料，将锗材料至于水下，其损伤机理与损伤效果皆发生改变。

3 结论

通过实验测量了1064nm脉冲纳秒激光辐照水下锗材料的散射光谱。结果表明，水对1064nm脉冲纳秒激光辐照锗材料产生的散射光谱存在较大影响。空气中采集谱线在589.3nm与602.1nm处出现锗元素特征等离子体谱线，且采集谱线存在较多N、O、H元素特征峰;浅层水环境下采集谱线589.3nm与602.1nm处未出现锗元素特征等离子体谱线，锗元素特征等离子体峰湮灭;水深50mm时采集的散射谱线只存在辐射谱，元素等离子体谱线全部湮灭。实验结果表明激光辐照水下锗材料时可导致等离子体湮灭现象，这对于锗材料的激光精细加工是有着较重要意义的。下一步研究着重于浅层水下锗元素等离子体峰湮灭原因，从基础理论上给出现象出现原因。

参考文献：

[1]宋威廉.激光加工技術的发展[J].激光与红外，2006，36（b09）：755-758.

[2]刘楠楠.纳秒YAG脉冲激光烧蚀锗的等离子体特性研究[D].长春理工大学，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]张兴德，赵秀丽，程玉峰.锗在红外技术上的应用和发展趋势[J].稀有金属，1988（6）：49-54.

[5]邓宇，郭钟宁，连海山，等.水下纳秒激光微孔加工实验研究[J].现代制造工程，2016（7）：1-5.