双脉冲激光锡等离子体光源的碎屑动力学研究

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浅谈激光烧蚀技术的应用及研究进展

浅谈激光烧蚀技术的应用及研究进展

浅谈激光烧蚀技术的应用及研究进展摘要:随着激光技术的发展,当今社会激光烧蚀技术越来越受到了人们的关注。

本文主要介绍了几种激光烧蚀技术的不同应用,以及对激光烧蚀技术的进展做了简单的研究。

关键词:烧蚀等离子体聚合物激光烧蚀技术是通过飞秒-纳秒量级的脉冲激光来将材料表面烧蚀,已经被广泛应用于微加工、外科手术、X射线激光、生物分子质谱以及一些艺术品修复/清洁等领域;对激光烧蚀产生的等离子体的光学/光谱诊断是研究等离子体动力学的主要方法之一。

1 激光烧蚀技术的应用1.1 激光烧蚀光谱(LAS、LIBS)技术的应用近年来光谱领域发展迅速,其中激光烧蚀光谱技术是其中一种比较崭新的分析手段。

该技术主要是通过聚焦强激光束激发样品靶面,产生高温等离子体,通过测定等离子体冷却过程中发射光谱的波长与强度来进行定量分析、元素定性。

激光烧蚀光谱技术虽然对于痕量元素的分析能力不足,但是该技术并不需要对样品进行繁琐的化学处理,具有破坏性小,具有快速、实时、可远程监测等特点,被广泛应用于地质、冶金、核工业、材料、燃料能源、生物医药等领域;电感耦合等离子体质谱(ICP2MS)分析技术是一种公认的高灵敏度、强有力的、多元素及同位素分析技术。

1.2 激光烧蚀技术在微纳米材料制备中的应用激光与靶材相互作用后,周围的物理空间便可粗略的分为高温高压等离子体聚集区、液相区和固相区三个区域,如图1所示。

等离子体聚集区是由离子、电子以及未电离的中性粒子集合组成,整体呈现电中性,该区域对激光能量的传输障碍比较小。

液相区是靠近等离子聚集区的熔融层,材料处于液态或固-液共存态。

靠近液相区的是固相区,该区域虽然也吸收了激光能量,能使温度升高,但是能量强度不足以使该层进行熔化。

基于激光烧蚀技术制备的各类材料的生长过程,如一维纳米线和零维纳米颗粒、二维薄膜等,几乎都是通过应用高温高压等离子体的成核、生长所完成。

因此,激光烧蚀产生的高温高压等离子体在激光烧蚀技术制备微纳米材料中起着重要的作用。

激光等离子体相互作用产生X射线

激光等离子体相互作用产生X射线

激光等离子体相互作用产生X射线X射线是核外电子产生的短波电磁辐射,波长范围一般在0.001nm 到1nm或者更长一点。

比0.1nm短的叫硬X射线,长的叫软X射线。

X射线源在许多研究方面是非常重要的,在包括X射线显微镜和光谱学、全息技术和纳米技术、生物成像和探测超快过程等工业和医疗方面的应用尤其如此。

现在同步辐射光源是最强烈的X射线源。

在同步辐射光源中,辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁,磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射[1]。

在同步辐射光源中,辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁,磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射。

这些源是宽带相干和长脉冲。

我们也可以利用高能激光脉冲去Thomson散射这些被传统方式加速的电子[2-5]。

另一方面,需要有超高亮度,连贯和短脉冲(飞秒或更短)的X 射线源来研究瞬态过程。

在加速器的家族中,几个大的自由电子激光器在未来10年内取得里程碑式的进展,并提供最亮的X射线源。

相对论性激光等离子体提供了一个飞秒级X射线产生的潜在补充渠道。

甚至在紧凑的项目中,x射线波长桌面自由电子(TT-XFEL)也存在[6]。

然而,人们必须显著提高被激光加速电子束的品质以使TT-XFEL成为现实。

本世纪起,相对论超强超短激光入射等离子体可产生X射线已经被广泛证实。

当一束短的相对论下的强激光脉冲在稀薄等离子体中传播。

其有质动力可以排开电子,形成电子空泡(Bubble)。

通过波破或其他注入方式,一些等离子体电子可以被限制并且被腔中的纵向场加速,这就是所谓的空泡电子加速模式。

由于它的固定的三维空间结构,该气泡具有横向场。

加速的相对论下的电子这些场中做横向的振动并且发射出短波射线(可到X 射线量级)。

另外一种方法是激光作用于固体靶产生的相对论高次谐波。

激光可以瞬间将固体物质转换成等离子体,激光与固体的相互作用是高度非线性的,导致谐波产生。

在高密度等离子体的表面,人们可以区别产生谐波的两个主要的不同机理。

当激光强度呈弱相对论性2182210/I W m cm λμ<时,谐波是由于所谓的相干弱辐射(CWE )产生的。

激光等离子体加速机制研究综述

激光等离子体加速机制研究综述

激光等离子体加速机制研究综述1 研究现状随着激光技术的发展,激光强度不断增强,脉宽不断缩短,对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。

激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽,等离子体状态参数(最主要是密度)密切相关。

随着激光强度变大,开始是线性响应,然后随着激光不断增强,非线性效应和相对论效应开始占主导。

当强度超过1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑,加剧了理论研究难度但也催生了更多的物理现象产生。

比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对论孤子和涡旋。

而根据等离子体的密度不同,激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体(同气体靶作用)和稠密等离子体(同液、固体作用)。

对于1微米的激光,能在等离子体中传播的临界密度是1.1×1021cm-3,介于气体密度与固液密度之间。

激光脉宽的减小使得激光等离子体相互作用出现新的物理现象。

fs级别的脉宽,对稀薄等离子体可以通过直接的LWFA来加速电子。

超短超强激光驱动电子等离子体加速电子,可获得能量高达1GeV、电荷接近1 n c、方向性优良、能散度小的高性能电子束,从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。

研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常重要的意义与价值。

图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强首先,激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收,除了普通的逆轫致吸收和共振吸收,在高强度相对论激光还有很多吸收机制,比如真空加热,J×B加热,有质动力直接加速离子,鞘场加速等等,下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年,Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加速电子的机制,这就是直接激光尾场加速(LWFA)[1],原理是超强超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时,纵向的非线性力——有质动力(F p=-q2▽a02/4mw2)将电子推开,共振激发出等离子体波(尾波场)。

面向EUV光源的实验流体力学研究进展

面向EUV光源的实验流体力学研究进展

面向EUV光源的实验流体力学研究进展
邓巍巍;翟天琪;高立豪;许晟昊;赵新彦;刘艳初
【期刊名称】《力学进展》
【年(卷),期】2024(54)1
【摘要】EUV(极紫外)光源是EUV光刻机的核心部件,其原理是基于纳秒脉冲激光轰击锡液滴靶产生的等离子体辐射发光.EUV光源本质是一种流体光源,涉及丰富而复杂的流体力学基本问题,跨越从皮秒到毫秒的四个特征时间尺度.本文综述了面向EUV光源的实验流体力学研究进展.首先根据靶的类型,分别介绍了射流、液滴和液膜靶的生成与调控基本原理和技术路线.之后对三种靶与激光相互作用过程的特征
时刻与典型现象进行了梳理,重点放在各个特征时间尺度内激光轰击液滴靶的研究
进展,总结了不同参数激光脉冲轰击后靶的推进、变形和破碎规律.最后对EUV光源中值得重点关注的实验流体力学关键问题进行了总结和展望,提出改善激光等离子
体EUV光源稳定性、亮度和寿命需要从以下三方面持续开展研究:高频率、小直径、长间距液滴靶串的精准生成和调控,激光辐照产生等离子体的膨胀和辐射规律,以及
液滴靶变形破碎机理和碎屑抑制、收集及清洁技术.
【总页数】35页(P138-172)
【作者】邓巍巍;翟天琪;高立豪;许晟昊;赵新彦;刘艳初
【作者单位】南方科技大学力学与航空航天工程系
【正文语种】中文
【中图分类】O35
【相关文献】
1.Cymer推进EUV光刻光源
2.下一代光刻技术的EUV光源收集系统的发展
3.IMEC利用配备LA—DPP光源的EUV曝光装置成功曝光晶圆
4.“LPP-EUV”光源中的高功率CO_2激光监测与控制系统
5.晶方科技:公司未涉及EUV光源业务
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基于激光烧蚀的等离子体羽辉膨胀动力学机制研究

基于激光烧蚀的等离子体羽辉膨胀动力学机制研究

Re e r h o a m a Pl m e Ex n i n Dy m i s M e h nim s a c n Pl s u pa s o na c c a s Ge e a e le s r Ab a i n n r t d by Pu s d La e l to
维普资讯
第 2 9卷 第 5期
20 0 7年 l 月 O
三 峡大 学 学报 ( 自然 科 学版 n e ) fChn reGo g sUnv ( t rl e c s Sc
Vo. O 1 29 N .5 0 e.2 7 t 00
Ab ta t Th na c xp nso e h nim sf rpl s ume g ne a e ul e a e a i ton a e s ud sr c e dy mis e a i n m c a s o a ma pl e r t d by p s d ls rr d a i r t — id i t i c sde i g whe a ma i ia i n e f c . Ba e he c s d r to f l c lc ns r a i ns o e n de a l on i rn n pl s on z to fe t s d on t on i e a i n o o a o e v to f ma s a d mome t s n n um ,c l c e s t e a s m p i n t t p a ma c n b i we s c m p e sbl d a l i nd ole t d a h s u to ha l s a e v e d a o r s i e i e lfu d a hg e i h t mpe a ur — gh pr s u e i e a r t e hi e s r d alg s,t pa e nu b r d n iy nd p e s e e o ve e to a ma i y— he s c m e e s t a r s ur v l m n fpl s n c l rc lc r i t r b a ne is l i i a oo d na e a e o t i d fr ty.U nd r t o ri ta n und r o ii ns,t w yn mis nd e he pr pe nii la d bo a y c nd to he ne d a c e o ve e q a i ns a e t n de i e . The r s t r m he pr s ntm o li ia e t a he p a ma dy a c v l m nte u to r he rv d e uls f o t e e de nd c t h t t l s n mi e pa son b ha orc n b v d n l n l nc d by t on z to e r e叩,whih i r a e hee pa son a c l x n i e vi a e e i e t y i fue e he i i a i n d g e c nc e s st x n i c e — e a i n a ldie ton .Thepl s l cte n t e a i la r ns r e d r c i s t het r e l ha e f r ton i l r c i s a ma ve o ii si h x a nd t a ve s i e ton O t a g ta l ves l- s mi rt vo v me t c r c e itc . i l iy e l e n ha a t rs is a Ke wo d pule a e ; y rs s d ls r pls l a ma p ume; d yma c v v me t mis e ol e n

山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定

山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定

山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定文章属性•【制定机关】山东省人民政府•【公布日期】2008.04.19•【字号】鲁政发[2008]54号•【施行日期】2008.04.19•【效力等级】地方规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】科技奖励正文山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定(鲁政发〔2008〕54号)各市人民政府,各县(市、区)人民政府,省政府各部门、各直属机构,各大企业,各高等院校:为认真贯彻党的十七大精神,全面落实科学发展观,深入实施“科教兴鲁”和“人才强省”战略,鼓励科学技术创新,奖励在发展我省科学技术事业中作出突出贡献的单位和个人,根据《山东省科学技术奖励办法》,经山东省科学技术奖励委员会严格评审和省科技厅审核,省政府决定,授予山东省眼科研究所谢立信院士和山东省生物药物研究院凌沛学研究员2人2007年度山东省科学技术最高奖;授予山东师范大学满宝元等完成的“光电功能材料的制备、表征及其激光与之相互作用研究”等2项成果2007年度山东省自然科学奖一等奖,青岛科技大学张书圣等完成的“糖苷功能配合物的合成、表征及其与DNA作用机理的电化学研究”等6项成果2007年度山东省自然科学奖二等奖,青岛理工大学贺可强等完成的“滑塌型地质灾害非线性动力学参数与预测理论研究”等12项成果2007年度山东省自然科学奖三等奖;授予山东省医药生物技术研究中心韩金祥等完成的“脑脊液病原体抗体诊断芯片的研制”1项成果2007年度山东省技术发明奖一等奖,中国海洋大学战文斌等完成的“对虾白斑症病毒(WSSV)病的单克隆抗体检测诊断技术及其应用”等6项成果2007年度山东省技术发明奖二等奖,山东农业大学柴同杰等完成的“魏氏梭菌类毒素疫苗与抗毒素血清制备研究”等4项成果2007年度山东省技术发明奖三等奖;授予山东省农业科学院等单位完成的“优质高产广适强筋小麦新品种济麦20号的选育与应用”等30项成果2007年度山东省科技进步奖一等奖(含2项其他项目),山东棉花研究中心等单位完成的“抗虫棉新品种鲁棉研16号、17号、22号、23号选育与配套生产技术”等117项成果2007年度山东省科技进步奖二等奖(含2项其他项目),潍坊市农业科学院完成的“高产优质抗病花生新品种潍花6号的选育与推广”等320项成果2007年度山东省科技进步奖三等奖(含3项其他项目);授予日本东京工业大学水流徹教授和日本农林水产交流协会福岛分会末永武雄会长2人2007年度山东省国际科学技术合作奖。

脉冲激光烧蚀金属的动力学研究进展

脉冲激光烧蚀金属的动力学研究进展

脉冲激光烧蚀金属的动力学研究进展【摘要】简要评述了激光烧蚀金属过程中的等离子体羽、烧蚀材料蒸汽、温度场方面的实验和理论模型研究进展。

报道了激光能量密度(或者功率密度)、脉宽等参数对等离子体、烧蚀蒸汽动力学过程影响的实验和理论结果。

【关键词】脉冲激光;金属烧蚀;等离子体;温度;物理模型Research Progress Dynamics of Metal Ablation under Pulse LaserCHENG He-ping1,2XU Yuan1WEI Rong-hui3ZHENG Li1XIE Guo-qiu1(1.School of Information and Engineering, Huangshan University,Huangshan Anhui,245041,China;2.Henan Key Laboratory of Advanced Non-ferrous Metals,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan,471003,China;3.School of Physics and Engineering, Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan,471003,China)【Abstract】The progress of experiments and models about plasma plume, vapor and temperature field of metal ablation under pulse laser were reviewed. The theoretical and experimental results of dynamics of plasma and metallic vapor induced by pulse laser with different parameters such as fluence (or power density), pulse width etc. were reported.【Key words】Pulse laser;Metal ablation;Plasma;Temperature;Models0引言激光自发明以来的半个世纪左右时间里,在功率、能量、脉宽等参数品质上都有快速提高,现在已经开发出品种繁复的各类型激光器广泛用于科学研究、工业加工、医学治疗等领域。

激光等离子体相互作用产生的非线性力——有质动力

激光等离子体相互作用产生的非线性力——有质动力

1.2 相对论下的有质动力式 当激光强度超过 1018W/cm2 时, 需要考虑相对论效应, 进行 相对论修正。将场强 E 和磁场强度 B 用电矢量 A 来表示, 采用 ∂ A ∂A y 洛伦兹规范, 有 E = - ∂A 和 B = -∇ ˑ A =(0, - Z , ) 。此时, 电 ∂t ∂x ∂x 子在光场中的受力方程可以简写为: ∂ p p e ∂A e p +( ㊃∇) p = ㊃ ˑ∇ˑ A c ∂t c γ ∂x γ 对于非线性有质动力项 (二阶及以上项) , 可得到: ep p Fp = ˑ(∇ ˑ A) ˑ ∇p cγm γm 结 合 一 阶 项 结 果 p = A , γ = 1 + p2 和 数 学 关 系 式 1 ∇p2 = p㊃∇p + p ˑ(∇ ˑ p) ,化简可得: 2 F p = - mc2 ∇γ
ω2 E2 pe ㊃∇ L [1 - cos(2ω L t)] 2 ω L 16π ω2 E2 pe 该式求平均后为: < F p > t = 2 ㊃∇ L 。 ω L 16π Fp = -
1 , 可以采用单粒子理 论、 流体理论和动力学理论等, 我们在下文中通过流体力学理 论推导有质动力的表达式。 1.1 非相对论下的有质动力式 在激光等离子体中, 光波电场压力的变化能产生有质动 力, 有质动力引起电子密度变化, 会带来密度的涨落, 进而自洽 的产生离子密度的涨落。 对于一个空间分布不均匀的高频光场, 假定其电场表达式 为: E = E L ( x)㊃ cos ω L t 。 将等离子中的电子和离子当作两种流体处理, 由于离子质
2 结语
——有质动力
张子昊(驻马店市高级中学,河南 驻马店 463000)
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屑 的产生 , 但 是又在一 定程度 上 限制 了转 换效率 的提 高[ 3 ] 。 外加磁场 的方法 , 可 以使等离 子体 中的带 电粒子 发生偏 转 ,
可以用 来 控 制 部 分 碎 屑 ,但 是 并 不 能 阻挡 其 中 的 中性 粒
限。 增大 数值孔径虽然 可以提高 分辨率 ,但是提 高数值孔径
第 3 5 卷, 第l 期
2 0 1 5年 1月








Vo 1 . 3 5 。 No . 1 , p p 4 4 — 4 7
S p e c t r o s c o p y a n d S p e c t r a l An a l y s i s
J a n u a r y ,2 0 1 5
双 脉 冲激 光锡 等 离子 体 光源 的碎 屑 动 力 学研 究
刘超智 ,窦银萍 , 张 龙 , 孙长凯 , 郝作 强 , 林 景全
长春理工大学理学院 , 吉林 长春 1 3 0 0 2 2


极紫外光刻是下一代大容量集成 电路制造 中最有 发展前景 的技 术之一 ,而碎 屑的减缓 及阻挡一 直
1 3 . 5 n I n E U V 光源 的首 选 靶 材 。
引 言
在集成 电路制作技术 中, 光刻技术是 电路 生产制造 中最 为关键的技术 , 光学投影光刻技术 系统 中,光刻分 辨率可 以 表示 为 R—k / NA,其 中 忌 为工 艺 因子 , 为 曝 光波 长 , NA 为数值孔径 。 从这个 式子可 以看 出,可 以通过减 小工艺 因子 , 减 小曝光波 长和增大数值孔径三个 主要 途径来提 高光 刻分辨率 。 但是 ,当工艺因子降低到 0 . 2 5时 已经到达物理极
延迟 ,主脉冲激光入射 到这个预 等离子体上 ,大部分 主脉 冲
能量会沉积其 中, 加 热预 等离子并 与预 等离子 体相互 作用 , 当预等离子体被加热到合适 的等离子 电子温 度时 , 就会 产生
是极 紫外光刻光源研究 中亟需解决 的关键 问题 。研究了双纳秒激 光脉冲辐 照锡靶产 生的等离 子体碎 屑的动 力学演化 。 结果表明 , 等离子体碎屑强 烈依赖于 预脉 冲的能量及其 与主脉 冲的时 间延迟 ,当预脉 冲能量 为
3 0 n U,双脉冲时间间隔 1 5 0 I 1 8 情 况下 , 大部分锡离子的能量从 2 . 4 7 k e V 降低 到 0 . 4 0 k e V, 降低了 6 . 1 倍,
然而 ,激光烧 蚀产 生的等离 子体碎 屑会对 E UV收 集镜
产生刻蚀和沉积 ,使其反射 率迅速下 降 。因此 , 如 何减 缓碎 屑是激光等离子体光源 中必须要解 决 的关 键 问题 。目前 ,主 要采用质量 限制靶材 、外加磁场 、 外加 缓 冲气 体等方 法来减
缓 碎 屑 。这 些 方 法 各 有 特 点 , 质 量 限制 靶 材 可 以 有 效 减 少 碎
会急剧降低聚焦深度 ,对实 际生产造成 不便 。因此 ,降低 曝 光波长成为 当前主流 的研究方 向, 极 紫外 光刻也就顺理成 章 成为下一代大容 量集 成 电路 制 造 中最 有体 阻挡 光源 碎 屑I 是 普遍 采用 的方 法之


国 际上 很 多研 究 机 构 都 正 在 开 展 更 短 波 长 的 光 刻 研 究 ,
主要包括 1 5 7 i l m 波长 ,极紫外 光 ( E U V) ,X射线 以及更 短 的电子和离子束l 1 ] 。目前 ,以世界上 最大 的光刻机生 产商~
荷 兰 AS MI 公 司为 代 表 的 公 司 和 研 究 机 构 大 力 研 究 发 展 以
碎屑得到了有效抑制 。 通过对碎屑动能角分布的测量 , 发现此 方法可 以有效减 缓全 角度 范 围的激光锡 等离 子体碎屑 , 并且越接近靶材法线方向 , 碎屑 的动能减少得越多 。
关键词 等离子体碎 屑 ; 激光等离子体 ; 双脉 冲
中图分类号 : 05 3 9 文献标识码 : A D OI : 1 0 . 3 9 6 4 / j . i s s n . 1 0 0 0 — 0 5 9 3 ( 2 0 1 5 ) 0 1 — 0 0 4 4 — 0 4

加入缓冲气体 的多少需要掌握一个 平衡 ,过多 的话 会对
E uV 辐射存在 较强 的吸收 ,过少 的话 就不 能达 到碎 屑抑制 的效果 , 并且缓冲气体不能阻止大尺 寸的碎 屑 , 这 是因为气 体 阻挡 碎屑的实质是 气体 分子 与碎屑粒 子的碰撞 ,大尺寸碎 屑的动能较 大 , 气体分 子对其作 用十分有 限 。因此 ,我们需 要采用一种既能保证一定的转 换效 率 ,同时又能减缓碎屑 的 方法 。 使用双脉 冲激光 辐照靶材 产生等 离子体 E U V 辐射 就
1 3 . 5 r i m 波长的极紫外辐射光( E UV) 为光源 的光刻 。 极 紫外
光 刻光 源中 ,由激光 与一 些靶 材 相互 作用 产生 的 等离子 体 E uV辐射 因具有转化效率高 、碎屑可控制 、 光源尺寸 小、稳 定、 清洁等 特点而被 广泛认 可。目前 , 锡 、氙 气和锂 等靶 材 可 提供 1 3 . 5 n m极紫外辐射 光 , 其中, 锡离 子 的 s s n “ 跃 迁可产生转换 效率 达 3 的E UV辐射 l 2 ,因此 , 锡 成 为
收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 8 — 2 7 , 修 订 日期 :2 0 1 3 — 1 1 - 2 2
是其中一个有效的方法。在主激光 脉冲达到 靶材之前 , 使用

个预脉冲激光辐照靶材表面 , 从 而 在 靶 材 表 面 形 成 一 个 低
密度并且密度分布较平滑的预等离子体 ,然后经过一定 时间
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