1 绪论

1.1课题背景及研究意义

自从梅曼在1960年研制出世界上第一台激光器以来，人们已经研制出了各种类型的激光系统，如气体激光器，液体激光器，固体激光器，化学激光器和半导体激光器等等。随着各类激光器输出功率和输出能量的不断提高，对激光系统中所采用的各类光学元件抗激光损伤能力的要求也越来越高。其中热效应是激光对材料损伤和破坏的主要原因之一。当入射激光的能量在金属，半导体等材料中沉淀足够多时，在相应材料的表面和体内就会产生熔融和汽化等现象。利用上述现象，激光在工业上主要应用于激光切割、激光焊接、激光打孔等机械加工工艺，军事上主要应用于高能激光武器[1-4]。

由于硅和锗在红外波段透射比高，而硅材料甚至在远红外波段也有较高的透射比。这些半导体远红外窗口材料，被用作红外成像系统和红外滤光器的基底材料。这些光学探测系统被广泛应用于军事、科学、以及空间领域，并且经常要与激光配合使用，这些探测器在工作波长范围内吸收强烈并经常聚焦环境下工作，极易产生破坏性损伤。因此，研究激光对这些探测器的破坏机理是非常重要的[5]。硅作为一种非常重要的半导体材料，有着广泛的应用，硅材料切割时形成的损伤，对于成品率有着重要影响。研究硅切割时裂纹的形成机制，有着重要意义。硅在高温环境下的塑性变形特点，可以像金属材料一样，对硅片进行激光热成形、热弯曲加工。归根结底是对激光与半导体材料相互作用机理的研究。特别的，近几十年国内外深入地研究了激光与硅及硅基光电探测器相互作用的机理。这些研究主要涉及由激光辐照引起的熔融损伤，热应力损伤，光学击穿以及雪崩击穿。

1.2激光与半导体材料相互作用的研究现状

1.2.1国外研究状况

关于激光与半导体材料相互作用的研究，早在1967年，Gfinberg AA等[６]就对激光对半导体损伤进行了初步研究。Liu PL等[7]对皮秒激光作用下硅材料的熔融损伤进行了分析，并对损伤形貌进行了研究。Sreckovic M[8]用自由振荡激光器完成了硅材料的损伤实验，并对损伤机理进行了研究。Gorodetsky G[9]进行了脉宽为14ns的准分子激光对硅材料的损伤实验，并对过程中的熔融现象、损伤形貌和过程中材料内部的超声波进行了研究。Tom HWK等[10]对飞秒激光作用下硅材料的损伤机理进行了分析，研究得出飞秒激光作用下硅材料内部的原子无序现象是由于电子的激发引起的。Preston JS[11]对波长10．6微米的连续激光辐照硅薄膜过程进行了分析，对光斑尺寸、材料表面状况等因素对损伤形貌的影响进行了分析。Gross等[12]建立了两种模型解释硅与激光作用时裂纹的生长和裂纹的形状。他们观察到径向裂纹集中在畸形区域边界，环向裂纹沿着畸形区域边界。Watkins[13]对形态破坏和深度缺陷以及他们对探测器电常数的影响进行了研究。Moeglin [14]对Watkins 的研究进行了扩展，得出并不存在单一损伤阈值，而是随着能量密度的增加逐渐降低。V K．Arora[15]对单晶硅和硅基底探测器在波长1064nm的脉冲激光辐照下的损伤阈值进行了研究，结果表明在重复频率高于1Hz的情况下，材料的损伤阈值随着重复频率的增大而降低。Amit Pratap Singh[16]对飞秒激光辐照下硅表面损伤形貌进行了研究，发现硅表面在激光作用下出现了涟漪状波纹，波纹间距从0．5微米到2微米间变化，随着激光能量和脉冲次数的增加，损伤区域逐渐变为离子状态。Cheng 等[17]研究热辅助激光冲击喷丸过程，发现该过程中，晶体硅会产生强大的错位运动和塑性变形。