01、重點(diǎn)和難點(diǎn)

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(duì)于提高加工技術(shù)、開發(fā)創(chuàng)新設(shè)備以及加深對(duì)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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)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(duì)其物理和化學(xué)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(xué)和機(jī)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(dòng)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(shí)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(cè)難點(diǎn)包括極短的時(shí)間尺度、高能量密度、高空間分辨率的需求，以及光學(xué)干擾和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，閃光科技為您提供先進(jìn)的成像解決方案：利用中智科儀IsCMOS相機(jī)與皮秒激光器同步工作，相機(jī)具備短門寬、高增益和精確的門控延時(shí)功能，能夠精確捕捉等離子體從產(chǎn)生到湮滅的整個(gè)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(xué)某實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，使用了中智科儀逐光系列IsCMOS相機(jī)，相機(jī)搭載了高量子效率且低噪聲的Hi-QE技術(shù)和GaAs像增強(qiáng)器，優(yōu)化了對(duì)極短時(shí)間尺度下光信號(hào)的捕捉，是專門為皮秒級(jí)時(shí)間分辨光譜和成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高端設(shè)備。

500皮秒光學(xué)門寬：允許在非常短的時(shí)間內(nèi)捕捉圖像，適合高速動(dòng)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(shí)序控制器：配備三通道同步時(shí)序控制器，可實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制。

高級(jí)低噪聲探測(cè)技術(shù)：無需制冷，減少設(shè)備的復(fù)雜性和維護(hù)需求。

快門頻率達(dá)5MHz：適合于高頻重復(fù)的實(shí)驗(yàn)條件。

Hi-QE和GaAs光陰極：提供更高的量子效率，增強(qiáng)圖像質(zhì)量。

雙層MCP增益選項(xiàng)：為需要更高增益的應(yīng)用提供更多選擇。

配合SmartCapture軟件的可視化時(shí)序設(shè)置，為皮秒級(jí)時(shí)間分辨率的光譜學(xué)和成像實(shí)驗(yàn)提供了一流的技術(shù)支持。

03、測(cè)試過程

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

實(shí)驗(yàn)背景：實(shí)驗(yàn)使用德國Edgewave皮秒激光器，波長(zhǎng)為355nm，工作頻率介于50khz至400khz。

測(cè)試裝置配置：中智科儀IsCMOS相機(jī)型號(hào)TRC411-S-H20-U，配備高通量的紫外光鏡頭。

實(shí)驗(yàn)流程與數(shù)據(jù)采集：本次實(shí)驗(yàn)中選擇用激光器觸發(fā)IsCMOS相機(jī)，通過對(duì)相機(jī)的Gate通道進(jìn)行延時(shí)順序掃描，以此確定相機(jī)與激光器的精確同步時(shí)刻。在鏡頭的前端安裝400nm的長(zhǎng)波通濾光片以屏蔽355nm波長(zhǎng)的激發(fā)激光。

首先，在環(huán)境光條件下進(jìn)行調(diào)焦。將TRC411相機(jī)的CMOS曝光時(shí)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(shí)設(shè)置Gate為10us，MCP增益為2200，并采用burst模式8來進(jìn)行調(diào)焦，直到實(shí)驗(yàn)材料在相機(jī)中清晰可見后固定相機(jī)位置。現(xiàn)場(chǎng)圖片：

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

調(diào)整TRC411相機(jī)的CMOS曝光時(shí)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(shí)間設(shè)定為13ns，MCP增益設(shè)置為2700，采用burst模式1。對(duì)Gate通道進(jìn)行一系列不同步長(zhǎng)延時(shí)的掃描，確定Gate的延時(shí)時(shí)刻位于129ns至140ns之間，在此時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室使用的高速相機(jī)僅能捕捉到等離子體發(fā)光的整個(gè)過程的疊加效果，無法對(duì)其演變過程進(jìn)行詳細(xì)分析。而本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，逐光IsCMOS相機(jī)TRC411能夠與皮秒激光器實(shí)現(xiàn)同步，通過其短門寬、高增益和精確的門控延時(shí)功能，成功捕捉了實(shí)驗(yàn)材料在皮秒激光激發(fā)下等離子體從生成到湮滅的詳細(xì)形態(tài)變化過程。

這次實(shí)驗(yàn)不僅展示了中智科儀IsCMOS相機(jī)在高速成像領(lǐng)域的先進(jìn)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(dòng)態(tài)特性，包括它們的生成、發(fā)展和湮滅過程。這對(duì)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