1、激光與物質(zhì)相互作用一直是人們非常感興趣的課題。自1960年美國物理學家梅曼(T.H.Maiman)成功研制出第一臺紅寶石激光器起，激光技術的發(fā)展就表現(xiàn)出強大的生命力，幾乎滲透到自然科學研究的各個領域。其中“激光與物質(zhì)相互作用”的研究成果是激光技術發(fā)展的一個重要標志。激光與物質(zhì)相互作用是物理學最重要的研究課題之一，它不僅在理論研究領域受到人們的普遍關注，而且在激光加工、材料制備以及軍事武器的制備等實際應用中已經(jīng)得到了廣泛應用。近幾年超短超

2、強激光科學的快速發(fā)展為人類提供了前所未有的功率密度(>1020W/cm2)、電場強度(>1011V/cm)和時間精度(10-15s)等非常極端的實驗條件，為許多科學的創(chuàng)新性研究和重大突破提供了極其重要的平臺并產(chǎn)生了革命性的影響。 硅是微電子器件的主要材料，但是硅是間接帶隙材料，發(fā)光效率很低，人們一直希望將光電子器件與硅基微電子技術聯(lián)系起來。雖然III-V族半導體材料，如GaAs等更適于光電子器件，但是由于現(xiàn)存的非常成熟的硅基材料

3、，所以人們很希望能以硅基材料來制備光電子器件，實現(xiàn)硅基光電集成。近年來，對納米硅材料特別是一維納米硅材料的研究已成為國際半導體材料和納米領域研究的熱點。 當功率密度足夠高的脈沖激光輻照到Si靶的表面時，靶材會在幾納秒的時間內(nèi)熔化、蒸發(fā)乃至電離，產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。濺射物中包含有電子、離子、原子、分子和團簇等，由它們攜帶著一定的質(zhì)量和能量，可以在靶對面的基底上沉積而形成薄膜，這就是脈沖激光沉積(PLD)制膜技術。目前PLD技

4、術已成為一種人們廣泛采用的制膜技術，其中氧化物、氮化物、高溫超導等物質(zhì)的高質(zhì)量薄膜已經(jīng)被制備出來。為了更好的控制薄膜的生長過程，找到最佳的實驗條件，以得到高質(zhì)量Si薄膜，對于沉積過程中等離子體的特性進行深入地研究是非常必要的。然而，關于Si激光等離子體的一些基本參量，如電子密度、電子溫度、等離子體中各成分的飛行速度等，研究得卻非常少。事實上，等離子體的這些參量不僅在理論上有助于更好的理解激光與物質(zhì)的相互作用過程，而且對PLD制膜的最佳條

5、件的確定起到相當有益的啟發(fā)。 本文主要對Si等離子體進行了光譜診斷，獲得了有關原子和離子的時間分辨譜及時間飛行譜，測量了等離子體的電子密度、溫度及等離子體羽的速度，并與理論計算進行了比較分析；結合實驗結果，對等離子體發(fā)射譜的時間演化特性和產(chǎn)生機制進行了詳細的研究，并對等離子體光譜的頻移進行了定性的分析。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，并對其作出了解釋。概括起來，本論文研究的主要內(nèi)容和結果如下： (1)研究了Si激光等離子

6、體輻射機制及光譜隨時間的演化特性。連續(xù)譜的短波帶強度隨延遲時間下降的速度比長波帶快得多，這是由于連續(xù)光譜的發(fā)射機制是軔致輻射和復合輻射綜合的結果。在溫度較高時軔致輻射占主導地位，在溫度較低時復合輻射起主要作用。激光等離子體的消失過程并不僅僅是一個能量耗散的過程，而存在著能量的交換，即對另一些原子的再激發(fā)；線狀譜的發(fā)射機制主要是碰撞激發(fā)，特別是高能電子的碰撞激發(fā)。大氣環(huán)境中激光輻照Si靶時，在激光功率密度小于空氣擊穿閾值時也發(fā)生了空氣的電

7、離，其主要原因是激光輻照Si靶時產(chǎn)生的初始電子引發(fā)了雪崩電離過程。我們認為初始電子的主要來源是激光輻照區(qū)內(nèi)的電子熱發(fā)射。 (2)由實驗所采集的光譜的時間演化譜可以看出，高壓下的連續(xù)譜強度比低壓下的大且持續(xù)時間長，這是由于被電離的背景氣體對電子密度的貢獻以及背景氣體的束縛作用。首次發(fā)現(xiàn)了在等離子體產(chǎn)生后的前20ns內(nèi)，連續(xù)譜迅速增大，之后逐漸減小。用軔致輻射和復合輻射解釋了此現(xiàn)象。 (3)首次發(fā)現(xiàn)氮離子和硅離子的壽命相差較

8、大，我們認為這是由于二者的產(chǎn)生機制不同：氮離子主要產(chǎn)生于空氣擊穿導致的雪崩電離，硅離子產(chǎn)生于激光燒蝕以及激光結束后粒子間的不斷碰撞激發(fā)。束縛作用、復合速率以及譜線展寬的影響使得在不同的背景氣體壓強下能觀察到的譜線存在較大的差異。我們還發(fā)現(xiàn)離子譜線強度的最大值出現(xiàn)的時間決定于連續(xù)譜最大強度出現(xiàn)的時間和相應離子激發(fā)態(tài)的上能級壽命。 (4)實驗測得連續(xù)譜強度、電子密度以及電子溫度的最大值發(fā)生在距離靶面0.3mm處。 (5)由理

9、論分析和對激光等離子體譜線的高斯及洛侖茲擬合可知，激光等離子體的展寬機制主要是斯塔克展寬。在相同的實驗條件下，各條不同波長譜線展寬各不相同，但展寬值之比在整個實驗過程中幾乎保持不變。利用等離子體對發(fā)射原子或離子的屏蔽效應，對實驗中觀察到的發(fā)射譜線的頻移進行了合理的解釋。隨著電子密度的增大，特征譜線的紅移量增大。 (6)利用時間飛行譜測得了等離子體羽的膨脹速度，在1大氣壓下速度的數(shù)量級為1.0×103m/s，隨時間下降很快；在3P