[论文解读] Damage threshold evaluation of thin metallic films exposed to femtosecond laser pulses: the role of material thickness

George D. Tsibidis, Dimitris Mansour+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Laser Material Processing Techniques参考文献 61被引用 35

一句话总结

本研究提出了一种多尺度理论模型，用于预测在飞秒激光辐照下薄金属膜的损伤阈值，考虑了厚度相关的光学与热响应。该模型经由Ni、Cr和Au的实验数据验证，揭示了损伤阈值随膜厚减小至光学穿透深度以下时呈线性下降，随后趋于饱和并趋同于体材料行为。

ABSTRACT

The employment of femtosecond pulsed lasers has received significant attention due to its capability to facilitate fabrication of precise patterns at the micro- and nano- lengths scales. A key issue for efficient material processing is the accurate determination of the damage threshold that is associated with the laser peak fluence at which minimal damage occurs on the surface of the irradiated solid. Despite a wealth of previous reports that focused on the evaluation of the laser conditions that lead to the onset of damage, the investigation of both the optical and thermal response of thin films of sizes comparable to the optical penetration depth is still an unexplored area. In this report, a detailed theoretical analysis of the impact of various parameters such as the photon energies and material thickness on the damage threshold for various metals (Au, Ag, Cu, Al, Ni, Ti, Cr, Stainless Steel) is investigated. A multiscale physical model is used that correlates the energy absorption, electron excitation, relaxation processes and minimal surface modification which leads to the onset of material damage. The satisfactory agreement of the theoretical model with some experimental results indicates that the damage threshold evaluation method could represent a systematic approach towards designing efficient laser-based fabrication systems and optimizing the processing outcome for various applications.

研究动机与目标

• 开发一种理论框架，以预测超短激光脉冲作用下薄金属膜的损伤阈值。
• 研究材料厚度如何影响金属在飞秒激光辐照下的光学吸收与热响应。
• 将厚度相关的能量吸收与电子-晶格弛豫动力学与表面损伤起始关联。
• 通过Ni、Cr和Au的实验数据验证模型，确保其预测准确性。
• 为纳米制造与薄膜应用中的激光加工参数优化提供系统性工具。

提出的方法

• 采用一维双温模型（TTM）模拟在介质基底上薄金属膜中电子与晶格温度的动力学行为。
• 引入多重新射算法，计算厚度相关的介电函数与光学性质。
• 使用具有温度依赖弛豫时间的Drude-Lorentz模型，以描述激光脉冲期间的瞬态光学行为。
• 应用基于熔点的热判据，将损伤阈值定义为使晶格温度达到熔点的辐照能量密度。
• 模拟波长为515 nm与1026 nm、脉宽为170 fs的激光辐照，评估波长依赖性。
• 在TTM方程中包含电子-声子耦合与热传导项，以模拟能量传递与热弛豫过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 薄金属膜的厚度如何影响其在飞秒激光辐照下的损伤阈值？
• RQ2 光学穿透深度在决定薄膜中吸收能量与后续热响应方面起什么作用？
• RQ3 光子能量差异（515 nm 与 1026 nm）如何影响厚度相关的损伤阈值？
• RQ4 与体材料相比，薄膜中电子局域化与电子扩散受限在多大程度上改变了损伤阈值？
• RQ5 是否能够通过结合厚度相关光学性质与TTM的理论模型，准确预测实验测得的损伤阈值？

主要发现

• 损伤阈值随膜厚减小至光学穿透深度附近时呈线性下降。
• 当膜厚超过光学穿透深度后，损伤阈值渐近趋近于体材料的值。
• 该模型在Ni、Cr和Au上的实验数据中表现出良好一致性，验证了其预测能力。
• 更薄的膜由于电子扩散受抑制，表现出更强的能量局域化，导致损伤阈值降低。
• 当膜厚与光学穿透深度相当时，薄膜的光学性质显著偏离体材料值，影响吸收与损伤起始。
• 该模型预测，具有不同电子分布的材料（如贵金属与过渡金属）由于电子-声子耦合与光学响应的差异，表现出不同的厚度依赖损伤阈值。