皮秒激光脉冲辐照硅晶片上 LIPSS 形成中的相干效应

利用不同的激光辐照图案对硅表面进行改性，研究表明，在辐照光斑间重叠度极小的情况下，只要偏振方向与扫描方向一致，从第二个激光脉冲起即可产生高度规则的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。若激光辐照光斑沿垂直于光偏振的方向偏离前一个光斑，则即使经过多次脉冲也无法形成 LIPSS。这种相干效应可通过三波干涉来解释——即辐照光斑内产生的表面电磁波（SEW）、由前一个激光脉冲形成的火山口边缘散射的 SEW，以及入射激光脉冲——它们为周期性光吸收图案的放大提供了条件。为了研究 SEW 从激光改性区（由于材料熔化、非晶化以及前序激光脉冲形成的残余应力，该区域的折射率可能发生变化）散射的可能后果，我们在熔化区域内进行了流体动力学建模与仿真。仿真表明，应力和垂直位移可能在激光扫描过程中被放大。三波干涉和应力积累这两种机制均可为表面结构化提供额外的控制自由度。