解決方案-皮秒激光產(chǎn)生的等離子體對硅材料加工過程成像

01、重點和難點

在硅材料加工和研究領(lǐng)域，皮秒脈沖激光激發(fā)的等離子體對于提高加工技術(shù)、開發(fā)創(chuàng)新設(shè)備以及加深對材料物理特性的理解都有重大研究意義。這種影響尤其體現(xiàn)在硅材料表面等離子體形態(tài)變化的研究上，研究關(guān)鍵點包括：

高精度加工與微納制造：硅作為微電子和光電子領(lǐng)域的核心材料，其加工精度至關(guān)重要。皮秒脈沖激光加工可實現(xiàn)高精度，尤其適合微納尺度的加工。深入研究等離子體的形態(tài)變化，有助于實現(xiàn)更精準的材料移除和微納結(jié)構(gòu)的制造。改善材料屬性與器件性能：硅表面等離子體的相互作用對其物理和化學屬性有著重要影響。這一過程的研究可以揭示激光加工如何改變硅的電氣、光學和機械特性，從而提升器件性能。優(yōu)化加工工藝：通過深入理解等離子體的動態(tài)變化，可以優(yōu)化工藝參數(shù)，如激光功率、脈沖持續(xù)時間和頻率，以提高加工效率和質(zhì)量。控制熱影響區(qū)域：皮秒激光加工具有較小的熱影響區(qū)，研究等離子體的變化有助于更好地控制加工中的熱傳播，減少熱損傷。

研究這一過程的拍攝和觀測難點包括極短的時間尺度、高能量密度、高空間分辨率的需求，以及光學干擾和數(shù)據(jù)處理的復雜性。

為了應對這些挑戰(zhàn)，閃光科技為您提供先進的成像解決方案：利用中智科儀IsCMOS相機與皮秒激光器同步工作，相機具備短門寬、高增益和精確的門控延時功能，能夠精確捕捉等離子體從產(chǎn)生到湮滅的整個過程，為硅材料表面等離子體形態(tài)變化的研究提供關(guān)鍵視角。

02、解決方案

在我們?yōu)槟暇┖娇蘸教齑髮W某實驗室構(gòu)建的實驗設(shè)置中，使用了中智科儀逐光系列IsCMOS相機，相機搭載了高量子效率且低噪聲的Hi-QE技術(shù)和GaAs像增強器，優(yōu)化了對極短時間尺度下光信號的捕捉，是專門為皮秒級時間分辨光譜和成像實驗設(shè)計的高端設(shè)備。

500皮秒光學門寬：允許在非常短的時間內(nèi)捕捉圖像，適合高速動態(tài)過程的觀察。

高幀速率：最大98幅/秒的幀頻，適用于快速連續(xù)拍攝。

內(nèi)置同步時序控制器：配備三通道同步時序控制器，可實現(xiàn)精確的時間控制。

高級低噪聲探測技術(shù)：無需制冷，減少設(shè)備的復雜性和維護需求。

快門頻率達5MHz：適合于高頻重復的實驗條件。

Hi-QE和GaAs光陰極：提供更高的量子效率，增強圖像質(zhì)量。

雙層MCP增益選項：為需要更高增益的應用提供更多選擇。

配合SmartCapture軟件的可視化時序設(shè)置，為皮秒級時間分辨率的光譜學和成像實驗提供了一流的技術(shù)支持。

03、測試過程

任務(wù)概述：逐光IsCMOS相機拍攝激光誘導等離子體發(fā)光形貌演變過程。

實驗背景：實驗使用德國Edgewave皮秒激光器，波長為355nm，工作頻率介于50khz至400khz。

測試裝置配置：中智科儀IsCMOS相機型號TRC411-S-H20-U，配備高通量的紫外光鏡頭。

實驗流程與數(shù)據(jù)采集：本次實驗中選擇用激光器觸發(fā)IsCMOS相機，通過對相機的Gate通道進行延時順序掃描，以此確定相機與激光器的精確同步時刻。在鏡頭的前端安裝400nm的長波通濾光片以屏蔽355nm波長的激發(fā)激光。

首先，在環(huán)境光條件下進行調(diào)焦。將TRC411相機的CMOS曝光時間設(shè)置為10ms，并將觸發(fā)模式設(shè)為內(nèi)部觸發(fā)，頻率為1kHz。同時設(shè)置Gate為10us，MCP增益為2200，并采用burst模式8來進行調(diào)焦，直到實驗材料在相機中清晰可見后固定相機位置。現(xiàn)場圖片：

第二步，激光器的同步輸出Sync Out接口使用示波器測量輸出電平為4V@1MΩ，可以直接連接TRC411相機的外觸發(fā)端口。

調(diào)整TRC411相機的CMOS曝光時間為10ms，并將觸發(fā)模式設(shè)置為高頻外觸發(fā)，頻率為200kHz。Gate時間設(shè)定為13ns，MCP增益設(shè)置為2700，采用burst模式1。對Gate通道進行一系列不同步長延時的掃描，確定Gate的延時時刻位于129ns至140ns之間，在此時間窗口內(nèi)成功捕捉到等離子體發(fā)光現(xiàn)象。

結(jié)果可得此硅材料上被皮秒脈沖激光激發(fā)的等離子體從產(chǎn)生到湮滅的形貌演變過程：

此實驗材料激發(fā)出的等離子體從產(chǎn)生到湮滅的過程約為10ns。

之前實驗室使用的高速相機僅能捕捉到等離子體發(fā)光的整個過程的疊加效果，無法對其演變過程進行詳細分析。而本次實驗結(jié)果顯示，逐光IsCMOS相機TRC411能夠與皮秒激光器實現(xiàn)同步，通過其短門寬、高增益和精確的門控延時功能，成功捕捉了實驗材料在皮秒激光激發(fā)下等離子體從生成到湮滅的詳細形態(tài)變化過程。

這次實驗不僅展示了中智科儀IsCMOS相機在高速成像領(lǐng)域的先進性能，還為硅材料等離子體研究提供了重要的技術(shù)支持。通過這種精確的成像技術(shù)，我們能夠深入探究和理解等離子體的動態(tài)特性，包括它們的生成、發(fā)展和湮滅過程。這對于優(yōu)化材料加工工藝、開發(fā)新型材料處理方法以及提升器件的性能和質(zhì)量具有重要意義。
審核編輯 黃宇