2022年飞秒激光在微纳加工领域应用准分子激光微孔加工技术研究报告 .docx

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1、精品_精品资料_飞秒激光在微纳加工领域的应用飞秒激光开头应用到微纳加工领域始于20 世纪 90 岁月初.正是由于飞秒激光具有连续时间短及高脉冲功率密度的特性,使得其与物质相互作用时具有很多 特殊的 优点：确定的烧蚀阈值,规章的加工边缘,层层微加工以及可加工任何材料等.最近讨论结果说明：飞秒激光微细加工在微光学、微电子、微机械、 微生物、微医学 等多个领域具有潜在的应用价值.不同学科、不同试验具有不同的详细要求,这就需要实行相应的加工手段来实现特定加工目的,囚此飞秒 激光深孔加工技术等加工工艺开头引起越来越多讨论者的重视.激光整形技术是指在激光腔内或腔外采纳光学元件转变光束外形实现光束整 形.飞

2、秒激光脉冲整形有别于传统整形概念,主要是在保留原有高峰值功率特性基础上, 在光路中引人扩束器、滤波器以及衍射模板等光学器件,达到缩小聚焦尺寸、去除高斯光束四周荧光成分、削减脉冲形变及多种外形加工等目的.常用的是空间滤波和掩模掌握技术.空间滤波是实现对光束边缘荧光的屏蔽效用,实现集合点光学质量的改善,掩模掌握是通过掩模外形来实现对脉冲 的调制,以达到确定的加工目的.本文采纳聚焦物镜与接收材料同步运动的方法,可以很简单的将焦点前后脉冲的空间外形在材料表面以二维平面图形式表 示出来.在聚焦物镜前加小孔掩模板,通过小孔直径及小孔前后脉冲能量的变化,可直观观看到光束空间外形的转变.最终,试验选取合适参数

3、,胜利刻划 出边缘光滑的透射型金属光栅.1 试验装置及方法试验设备采纳的是 Clark 公司飞秒激光加工工作台 UMW-2110,iClark-MXRInc. .激光详细参数为：中心波长 775nm,脉宽 148 Fs,重复频率 1kHz,最大单脉冲能量 1mJ,在光路上加衰减片可以调整脉冲能量,聚焦前光斑直径5mm.掩模小孔直径可调范畴为 0.5 10mm.接 收材料为喷溅法镀在溶石英基 片上的金膜 厚度约为 300nm.飞秒激光经掩模小孔后由 5显微物镜 有效焦距为 40 mm聚焦金膜表面.采纳物镜与接收平台同步运动的方法,将焦点前后 脉冲的空间外形以二维平面图形式在金膜表面显示出来.加工

4、结果采纳透射式光学显微镜和 SEM进行分析测试.试验装置如图1 所示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 1 试验装置示意图物镜由平台承载做轴向 Z 轴移动,材料由 X-Y 轴承载,同步运行 Z 轴和 X轴就能够将焦点邻近轴向范畴内达到材料阈值的长度在金膜上记录下来,焦点位置是从材料表面之上移到材料内部,与此相对应,图像中是由右到左.结果可以和瑞利长度相比较进行分析.2 试验结果分析通常的,假如知道激光中心波长,透镜的焦距f 和入射光在透镜前表面处的束腰半径 ,就可以得到瑞利长度ZR,瑞利长度的表达式为：式中： 0 = 0 f/ ,为焦点处束腰半径.由于试验采纳的是物镜,从有效

5、工作距离较难推出真正的束腰半径,试验中0 采纳刀口法测量了焦点处束腰半径值为 11.5 m,所以 5显微物镜瑞利长度约为 0.54mm.而焦点邻近轴向范畴内光束半径 z 的变化是与瑞利长度和焦点处束腰半径有关的函数,如图2 所示,其表达式为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 2 光束束腰半径 z 在焦点邻近随传输方向变化示意图试验通过转变图 1 中针孔直径大小,观看焦点邻近光轴方向所能实现烧蚀区域的变化情形,分别采纳保持针孔前和针孔后脉冲能量不变的两种情形,在金膜 表面记录 下焦点邻近光束传输外形.图 3 为上述两种情形下显微图像.其中,Z 轴和 X轴运行速度均为 0.3mm

6、/s,单脉冲能量在小孔前后分别为91.7 J,Z轴和 X 轴行程均为 600 m,图中由上至下针孔直径依次为、 4mm、3mm、2 mm.从图 3a 可以看出,不加针孔 开孔时,烧蚀区域在焦点邻近基本为对称分布,且偏离焦点位置时,烧蚀线宽快速增加,成纺锥型分布.随着小孔加入, 通光 尺寸变小,烧蚀区域线性尺度逐步降低,聚焦点位置与两翼烧蚀线宽差异明显削减,甚至有远离透镜迹象 见针孔直径为 2mm的情形 .转变脉冲能量而保证小孔 后的能量一样,烧蚀现象没有明硅差异 见图 3b,只是烧蚀线宽有所加大.上述现象通过式 1 和2 可以很好的说明：加入小孔后,由于孔径的限 制,使得照耀到透镜表面束腰半径

7、减小,造成焦点处的束腰半径 0 有所增加,瑞利长度 ZR变大,因而在式 2 中,焦点邻近束腰半径z 随 z 的变化比不加小孔时减弱,宏观上就得到了图3 中比较平缓的加工结果.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 3 光束刻痕与针孔直径变化关系图图 4 和图 5 分别给出了开孔以及小孔直径分别为4mm、3mm、2mm时不同脉冲能量下 小孔前测得 焦点邻近烧蚀外形的变化, Z、X轴行程仍为 600 m.随着小孔直径的减小,透过小孔后的脉冲能量将会低于材料烧蚀阈值.因此,在图 5a 和图 5b中只有 4 条烧蚀痕迹,甚至图 5c 中只存 在 3 条烧蚀线.从图4 和图 5 中可以看出,

8、单脉冲能鼍较低时,不管是开孔仍是肯定针孔作用下焦点邻近脉冲外形不存在明显纺锥型分布,但加针孔后焦点邻近光束半径变化仍 是舒 缓了很多,较利于进一步做深加工与切割方面的讨论.随着针孔直径的降低,能够实现烧蚀的区域在明显减小 小于瑞利长度 ,这主要是针孔限制了大部分能量到 达材料表面.小孔直径为4mm时,脉冲传输外形受激光能量的影响相对较小.与图 3 类似,试验另一个现象就是随着针孔孔径的减小,聚焦区域的最小束腰半径处 向靠近透镜方向移动,这一点可以用聚焦束腰半径与聚焦前束腰与透镜前表面距离的变化关系来很好说明.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 4 开孔时间束刻痕随脉冲能量变化关

9、系图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_利用上述试验结果,试验采纳开孔与针孔直径为4mm单 脉冲能量为 90 J两种情形分别对金膜和不锈钢板进行打孔加工,得到的图像如图6 10 所示.图 6 金膜表面加针孔 D=4mm时 在表面刻划的环形图案王娅纯光信 080120221182022可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_准分子激光微孔加工技术讨论准分子激光是以准分子气体作为激活介质而产生的激光.准分子激光属于紫外波段,波长短,适于高精度的微细加工.同时此波段光波的光子能量高,加工有机材料时以断裂化合键为主,热效应影响不大,因此相宜对高聚物进行加工.但是由于准分子激光器在鼓

10、励时的放电特别性,光束质量受到很大影响,输出的光斑较大,光斑能量分布也匀称,影响了 微加工的成效.本文从分析准分子激光器的光束特点动身,对波长为248nm的准分子激光光束的能量分布做了精确分析,设计加工了适于KrF 准分子激光匀束的光波导.增加了光斑的能量匀称度,提高了光束的能量密度,微孔加工质量得到提高.分析了目前主要的几种投影物镜系统特点,从光学设计理论动身,由专业光学设计软件ZEMAX 细心系统优化,设计加工了用于高精度准分子激光微孔加工的倍率为 100 1 的投影成像物镜.很好的排除了各种像差,能够达到10um 级的微孔加工精度,提高了加工精度.本文通过分析影响微孔加工质量的缘由,提出

11、减小微孔锥度和增加微孔深宽比的掩模旋转钻孔微孔加工方法.设计了扇形掩模,依据三轴联动加工台,组成掩模钻孔加工系统,在此基础上讨论了掩模旋转钻孔的加工参数.准分子激光 引英文： Excimer laser）是指受到电子束激发的惰性气体和卤素气体结合的混合气体形成的分子向其基态跃迁时发射所产生的激光.准分子激光属于冷激光,无热效应,是方向性强、波长纯度高、输出功率大的脉冲激光,光子能量波长范畴为157 353 纳M,寿命为几十毫微秒,属于紫外光.最常见的波长有157 nm 、193 nm 、248 nm 、308nm、351-353 nm .所谓准分子激光,是指受激二聚体所产生的激光.之所以产生称

12、为准分子,是由于它不是稳固的分子,是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子,其寿命仅为几十毫微秒.准 分激光是一种气体脉冲激光,所产生的是波长为193nm的准分子激光,它是一种超紫外线光波,此波长的激光吸取范畴窄,激光的能量几乎完全被角膜上皮细胞 和基质吸取,超过这个范畴的组织不会吸取到激光,每一个激光脉冲可以切削 0.2 到 0.25um 厚度的生物组织,所以四周的组织不会损耗.准分子激光与生物组织作用时发生的不是热效应,而是光化反应 ,所谓光化反应,是指组织受到远紫外光激光作用时,会断裂分子之间的结合键,将组织直接分别成挥发性的碎片而消散无踪

13、,对四周组织就没有影响,达到对角膜的重塑目的,能精确消融人 眼角膜估计去除的部分空间精确度达细胞水平,不损耗四周组织.它的波长短,不会穿透人的眼角膜,因此对于眼球内部的组织没有任何不良的作用.准分子激光在医学上主要用于屈光不正的治疗,如用PRK、LASIK、LASEK等方法进行屈光不正的治疗,是目前临床上应用比较普遍、安全、快捷、有可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_效、稳固的屈光不正治疗方法.准分子激光由 Nikolai Basov, V. A. Danilychev和 Yu. M. Popov等人于 1970 在莫斯科物理讨论所创造.使用电子束激发氙气二聚体,产生的准分子激光波

14、长为 172nm.1975 年包括美国政府的海军讨论试验室、 诺思罗普 讨论和技术中心, AvcoEverett讨论试验室,和美国桑迪亚国家试验室 5 在内的多家政府讨论机构讨论利用电子束激发惰性气体卤化物.1979 年西德 Lambda Physik 公司生产出第一台商业用 准分子激光器 .迄今为止已经发觉的能够产生准分子激光的气体有10 多种.准分子激光第一被应用在工业上 :美国 IBM公司开头使用并且改进准分子激光技术,主要应用在运算机芯片的制造以及塑料物质上蚀刻精确的图形.1980 年 IBM公司应用 193nm准分子激光刨光钻石.1982 年 IBM将准分子激光技术应用在半导体光刻工

15、艺中.1986 年 AT&T贝尔试验室研制出第一台准分子激光分步投影光刻机.目前准分子激光已广泛应用在临床医学以及科学讨论与工业应用方面,如：钻孔、标记表面处理、激光化学气相沉积,物理气相沉积 ,磁头与光学镜片和硅晶圆的清洁等方面 , 微机电系统 相关的微制造技术准分子激光于 90 岁月始在医学上得到运用,主要有：眼科：使用 193nm准分子激光进行 LASIK 手术,矫治 屈光不正 的临床试验,开头了激光治疗近视.1990 年, Dr Pallikaris、Buratto ,Galvis和 Dr Ruiz结合 ALK的技术与先进激光仪结合而创造了准分子激光角膜原位磨镶术Laser-Assis

16、ted inSitu Keratomileusis,LASIK.经过几年的临床试验成效跟踪, 1995 年 10 月FDA最终正式批准 PRK手术可以治疗 600 度以内的近视, 400 度以内的散光.1995 至 1999 年, FDA又相继批准了 1200 度以内的近视、 600 度以内散光和 600 度以内远视的 LASIK 治疗.1993 年中国卫生部首次批准引进的两台 准分子激光治疗仪 在北京同仁医院以及协和医院 应用 PRK技术,1995 年开头应用 LASIK技术.1996 年台湾通过人体试验而正式核准使用 PRK技术.1997 年意大利 Rovigo 医院眼科中心 Massin

17、o lamellion MD创造准分子激光角膜上皮磨镶术 laser epithelial keratomileusis,LASEK1999 年, 波前引导激光手术技术 也称为经心肌血运重建术 transmyocardial revascularization,TMR或激光心肌血可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_运重建术 transmyocardial laser revascularization,TMLR,于心脏外科临床的新技术.是近年来应用可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_经 皮 直 接 心 肌 血 运 重 建 术 percutaneousdirectmyocardial revascularization, PDMR是 在 TMR技术基础上进展起来的用于心脏内科临床的一种新型冠心病介入治疗技术,是冠心病治疗史上的一项新进展.这些都为过去常规内外科治疗不能有效的治疗的冠心病病人供应了一种新的方法.王娅纯光信 080120221182022可编辑资料 - - - 欢迎下载