激光技術(shù)在晶體材料中的使用情況

張舒明 陳斅恔

【摘 要】激光是上個(gè)世紀(jì)人類(lèi)最重要的一大發(fā)明，自從六十年代第一臺(tái)激光器產(chǎn)生到今天，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的技術(shù)進(jìn)步，發(fā)生器的輸出功率越來(lái)越大，能量轉(zhuǎn)換效率極為提高，激光束的性能也越來(lái)越優(yōu)秀，使用范圍得到了很大的拓寬。自從激光技術(shù)被應(yīng)用到工業(yè)制造中以來(lái)，便以其無(wú)污染、高效率、智能化等優(yōu)勢(shì)受到科技研究和生產(chǎn)發(fā)展的重視。本文介紹了激光技術(shù)的主要特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，概述激光技術(shù)在晶體材料的加工制備，探傷檢損和性能測(cè)試表征等方面的使用情況。

【關(guān)鍵詞】激光技術(shù) 晶體材料 使用

激光技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今信息化時(shí)代電子工業(yè)領(lǐng)域的重要支柱，其在晶體材料中的使用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1 激光技術(shù)在晶體材料加工方面的使用

由于激光方向性好，能力密度高，當(dāng)運(yùn)用于材料加工領(lǐng)域的時(shí)候，具備許多常規(guī)熱加工方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。首先，能量高度集中的快速加工方式，將對(duì)非加工部位的影響降到最低，工件不易發(fā)生熱變形；因?yàn)槭欠墙佑|式加工，不會(huì)對(duì)材料造成直接沖擊，避免了機(jī)械變形，無(wú)“刀具”磨損，不但生產(chǎn)效率提升，而且質(zhì)量有保障，節(jié)約資源能源；將激光束作為加工“刀具”，便于操作和控制，易于導(dǎo)向和方向變換，當(dāng)加工復(fù)雜形面的時(shí)候有很大的優(yōu)勢(shì)。

目前激光技術(shù)在晶體材料生產(chǎn)中大多是通過(guò)激光束對(duì)材料施加影響來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接、分離、表面改性等功能。激光在高度聚焦?fàn)顟B(tài)下，即使發(fā)射的總能量不足以加熱一個(gè)雞蛋，卻可以穿孔3mm厚的鋼板，實(shí)際上在激光最開(kāi)始被發(fā)明出來(lái)的一段時(shí)間里，人們提出的就是用來(lái)打孔、切割寶石等各種用普通方式不易加工的物質(zhì)。

上海交通大學(xué)的劉朝陽(yáng)等研究了使用雙層熔覆工藝時(shí)材料內(nèi)部各參數(shù)動(dòng)態(tài)演化進(jìn)程，凝固過(guò)程中柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變和位于熔覆層橫截面上晶體的生長(zhǎng)分布[1]。在激光功率200W，光斑直徑0.6mm，激光行走速度5.0mm/s，送粉率6g/min的工藝條件下，可控制熔覆層高度0.487mm，寬度0.765mm，而基體的熔化深度只有0.121mm，避免了激光熔覆單晶合金于渦輪葉片尖端時(shí)雜晶或等軸晶的形成，獲得持續(xù)長(zhǎng)大的晶體組織，提高修復(fù)效率。

激光技術(shù)用于新材料的制備，包括通過(guò)激光束加熱前體物質(zhì)，物料蒸發(fā)后沉積于基板上制膜的激光物理氣相沉積，通過(guò)聚集的高溫高能光束促進(jìn)物料氣化并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終層積為膜的激光化學(xué)氣相層積。以及將基板試樣浸沒(méi)到鍍液內(nèi)，用高能激光誘發(fā)鍍膜的激光誘導(dǎo)液相化學(xué)鍍。這些方式為新型晶體材料的制備和運(yùn)用開(kāi)拓了研究空間，并朝著環(huán)保、經(jīng)濟(jì)型趨勢(shì)發(fā)展，發(fā)展前景相當(dāng)廣闊。

2 激光技術(shù)在材料測(cè)試分析上的使用

當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種形式的散射，與原始激發(fā)光波長(zhǎng)一致的是彈性散射的散射光，不同的是作用于材料后產(chǎn)生的非彈性散射光，拉曼效應(yīng)的產(chǎn)生和分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與組成有關(guān)，因此通過(guò)分析這種散射光譜，可以得到被照射材料分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息。由于拉曼散射是以分子碰到單色激光時(shí)不同的振動(dòng)作為研究對(duì)象，所以其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域比X射線以晶體作為研究對(duì)象更為廣泛。拉曼光譜測(cè)量晶格的振動(dòng)頻率，能夠表征材料骨架中的特殊組成和原子之間成鍵的狀態(tài)，得到快捷、簡(jiǎn)便、可重復(fù)、最為關(guān)鍵的是對(duì)于被測(cè)式樣無(wú)損害的定性定量檢測(cè)。上硅所的劉學(xué)超等人就通過(guò)拉曼面掃描的方式對(duì)整個(gè)SiC晶體多型的空間結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)探索[2]，研究了晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中晶界上結(jié)晶反應(yīng)的變化情況，對(duì)于半導(dǎo)體材料的多型混雜鑒別具有重要意義。因?yàn)榧す饩邆鋯紊院谩⒎较蛐詮?qiáng)、亮度高、相干性好等特性，將其與表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)相結(jié)合，可獲得表面增強(qiáng)拉曼光譜。靈敏度相比于常規(guī)的拉曼光譜提高近百倍，激光共振拉曼技術(shù)能夠提高精度，有利于微濃度物質(zhì)或者較少試樣的分析；在當(dāng)前的材料結(jié)構(gòu)研究中，激光拉曼與紅外光譜的結(jié)合使用能夠解決許多問(wèn)題。

此外，激光在晶體材料的又一使用是測(cè)量技術(shù)，激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與光電技術(shù)密切相關(guān)，目前主要有激光干涉測(cè)量技術(shù)，激光衍射測(cè)量技術(shù)和激光視覺(jué)三維檢測(cè)技術(shù)。劉濤借助自主設(shè)計(jì)的激光檢測(cè)儀觀測(cè)粗集料的表面微觀形貌，研究瀝青鋪筑路面的防滑效能[3]。由于激光是自然光波中的一種，測(cè)量精度有保障，光信號(hào)方便進(jìn)行轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程，易于數(shù)據(jù)的分析與后期處理，在各種測(cè)量領(lǐng)域受到重視。

3 激光與晶體材料的相互作用

近些年來(lái)，隨著各種材料制備手段的迅速發(fā)展和激光技術(shù)的日臻成熟，利用激光來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體材料的改性具有特殊的實(shí)踐價(jià)值，故而對(duì)于激光和各種類(lèi)型晶體之間的相互作用日益受到研究人員的關(guān)注。原子干涉儀使用激光脈沖序列構(gòu)造，可用于測(cè)定原子內(nèi)外部基本物理參數(shù)。以滲鈦的藍(lán)寶石晶體作為激光發(fā)生器，可以產(chǎn)生5fs的超快激光，能量高達(dá)100TW，被廣泛運(yùn)用于各種超快現(xiàn)象的研究、X射線激光和相關(guān)材料處理方面。這些技術(shù)與實(shí)踐的相互結(jié)合，表明了激光技術(shù)在晶體材料研發(fā)領(lǐng)域的迅速發(fā)展。在當(dāng)前的激光技術(shù)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用長(zhǎng)脈寬激光時(shí)，晶體燒蝕閥值和激光脈寬的開(kāi)方具有正相關(guān)性，這表明材料表面的“激光燒蝕”過(guò)程主要是受熱傳導(dǎo)的控制，對(duì)于研究納米材料的穩(wěn)定生長(zhǎng)條件具有重要的指導(dǎo)意義。在通過(guò)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理后，可運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，制備碳納米材料和其它金屬氧化物納米材料[4]。

飛秒激光是目前人類(lèi)能夠獲得的最短脈沖技術(shù)。其脈沖持續(xù)時(shí)間非常之短，為10的負(fù)15次方數(shù)量級(jí)，同時(shí)飛秒激光具有很大的瞬時(shí)功率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精確的聚焦定位，使得在超細(xì)微空間的操作得以進(jìn)行，從此人們可以在原子尺度上觀測(cè)到物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。例如飛秒激光與SiN晶體的相互作用，首先是材料內(nèi)部電子因?yàn)槭艿礁哳l激光輻照碰撞產(chǎn)生電離，形成等離子狀態(tài)；對(duì)等離子體進(jìn)行適當(dāng)處理，使其吸收激光能量，并傳遞給晶體基材，促使材料發(fā)生各種改性。對(duì)于其間復(fù)雜的作用機(jī)理進(jìn)行研究，可以改進(jìn)設(shè)備工藝，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的高效生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉朝陽(yáng).激光熔覆單晶材料過(guò)程中的晶體生長(zhǎng)的數(shù)值模擬[J].應(yīng)用激光，2013（4）：144-146.

[2] 劉學(xué)超.拉曼面掃描表征氮摻雜6H-SiC晶體多型分布[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2012（6）：610-612.

[3] 劉濤.瀝青路面粗集料的微觀構(gòu)造及抗滑性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[4] 崔洋.光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].科技信息.2009（5）.