飞秒激光辐照氧化钛薄膜：红外光束下的累积效应

摘要： 本文研究了采用高重复频率飞秒激光束辐照磁控溅射生长于SiO2/Si基底上的氧化钛薄膜（TiO1.8）形成激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的机制。实验使用波长λ=1030 nm的Yb:YKW 500 fs线偏振激光，在静态和动态（扫描）条件下以100 kHz重复频率辐照300 nm厚的薄膜。静态光束条件下，确立了与薄膜材料相关的孕育行为，其损伤阈值为72 mJ/cm2。接近该能量密度值且激光脉冲数从1增至1000时，微裂纹在光束腰直径区域（约60 μm）内产生并扩展。此外，当采用远超损伤阈值的高能量密度280 mJ/cm2时，辐照区中间地带发生熔融现象，并出现有助于微裂纹稳定的意外"愈合效应"。同时，在高斯光束斑中心观察到整个薄膜的烧蚀。动态模式下以4 mm/s扫描速度和100 kHz重复频率实现了TiO1.8薄膜的大面积加工（最大25×25 mm2）。在此对应110 mJ/cm2能量密度和3000次累积脉冲数的辐照条件下，整个辐照表面形成二维LIPSS纳米裂纹（长度200 nm，周期λ/8至λ/9），该现象主要归因于热机械烧蚀机制。