（光学工程专业论文）飞秒激光在固体材料上制作微结构的研究.pdf

j 1 i j f | 】1 j j | f 】| l | f | 删| | | l | | j i j f d ll m j 1j6y15321 飞秒激光在固体材料上制作微结构的研究 s t u d yo nf a b r i c a t i n gm i c r o s t r u c t u r e sw i t h ；o l i dm a t e r i a le m p l o y i n gf e m t o s e c o n dl a s e r 学科专业：光学工程 研究生：巫殷忠 指导教师：王清月教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年七月 中文摘要 本论文主要研究利用飞秒激光对固体材料进行微细加工及其在微结构制作 中的应用。 1 讨论了飞秒激光在宽带隙透明固体电介质中诱导的多光子电离、隧道电 离和碰撞电离过程，以及飞秒激光作用区域产生的局域等离子体密度随时间的变 化。理论计算表明雪崩电离导致透明固体电介质破坏所需的时间很短，典型值为 几十飞秒至百飞秒。另外讨论了飞秒激光在透明固体电介质内产生的自聚焦、等 离子体自散焦及成丝现象等非线性光学效应引起的材料折射率改变。 2 利用钛宝石飞秒激光放大器( 中心波长7 7 5n m 、脉宽l5 0f s 、重复频率 1k h z ) 作为写入光源，分别采用横向扫描模式和纵向扫描模式在熔融石英内直 写制作光学波导。比较了横向扫描和纵向扫描两种直写模式的优缺点及各自直写 的光波导的形貌，分析了横向扫描直写的光波导的横截面呈现椭圆形的原因，以 及采用柱透镜或狭缝对入射光束预先整型的改善方法。实验讨论了飞秒激光的入 射平均功率、扫描速度及重复扫描次数等参数对直写结果的影响，确定了直写良 好性能光波导的条件，并用搭建的简易测试装置初步测试了直写的光波导的传输 性能。 3 利用近红外飞秒激光聚焦照射光敏玻璃f o t u r a n ，经热处理及在稀氢 氟酸溶液中室温超声腐蚀，制作了竖直微孔、光滑微凹面及微通道等基础微结构。 实验探索了飞秒激光入射参数对制作微结构形貌的影响，并确定了制作这些微结 构的合适激光入射条件。实验发现飞秒激光曝光区域对激光入射参数( 能流和脉 冲数) 的饱和效应，从充分反应消耗的角度对此进行解释。 4 采用聚焦的近红外飞秒激光在光纤内逐点直写的方法，在未作增敏处理 的光子晶体光纤和单模通信光纤内直接诱导了周期性结构改变。摸索了飞秒激光 的入射平均功率及单点曝光时间对诱导结构改变的影响，为进一步利用近红外飞 秒激光直写长周期光纤光栅提供指导。 5 组建了一套基于掺镱( y b ) 大模面积光子晶体光纤飞秒激光放大器的微 纳加工系统，完善了该系统中三维微位移平台对刻划微图案的运动控制，通过氦 氖光同轴监视的方法解决了加工时入射激光聚焦于样品表面的定位问题，并利用 组建的加工系统对三类典型材料：半导体、金属薄膜和透明固体电介质进行了微 纳加工实验。在硅片及金属薄膜( 铬、铝) 表面直接刻划方形和圆形等微图案的 实验表明：刻划制作的微图案线条具有规整的边缘加工效果，且有效地减少了未 加工区域受到的污染和热影响，从而保护了制作衬底。在具有高破坏阈值的熔融 石英上的实验显示，若以比刻划硅片大得多的平均功率聚焦入射在其内部扫描， 可以观察到激光聚焦点处的诱导成丝现象和伴随的可见光辐射。 基于以上实验加工结果，分析了组建的飞秒激光加工系统的高重复频率和高 平均功率特点为提高微纳加工效率及扩展材料加工能力所带来的优势。通过与典 型的千赫兹重复频率的固体飞秒激光放大系统进行比较，阐述了基于光子晶体光 纤飞秒激光放大技术的微纳加工系统在整体结构、环境稳定性及操作维护等方面 的优点。 关键词：飞秒激光微细加工透明固体电介质折射率改变微结构光子晶体 光纤飞秒激光器 a b s t r a c t m i c r o m a c h i n i n go fs o l i dm a t e r i a l se m p l o y i n gn e a r - i n f r a r e df e m t o s e c o n dl a s e r a n di t sa p p l i c a t i o ni nf a b r i c a t i n gm i c r o s t r u c t u r e si sm a i n l ys t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 t h em u l t i p h o t o ni o n i z a t i o n ，t u n n e l l i n gi o n i z a t i o na n dc o l l i s i o n a li o n i z a t i o n i n d u c e di n s i d ew i d e b a n d - g a pt r a n s p a r e n tb u l kd i e l e c t r i c sb yf e m t o s e c o n dl a s e ra r e r e v e a l e d ，a n de v o l u t i o no ft h ed e n s i t yo fp l a s m al o c a l i z e di nf e m t o s e c o n dl a s e r - m a a e r i n t e r a c t i o na r e ai sd i s c u s s e d t h e o r e c t i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h et i m ef o r a v a l a n c h ei o n i z a t i o ni n d u c e db r e a k d o w ni nt r a n s p a r e n tb u l kd i e l e c t r i c si sv e r ys h o r t ， t y p i c a l l ys e v e r a l t e n st oh u n d r e d so ff e m t o s e c o n d t h er e f r a c t i v e i n d e x - c h a n g e i n d u c e db yn o n l i n e a ro p t i c a le f f e c t sp r o d u c i n gi nt r a n s p a r e n tb u l kd i e l e c t r i c sb y f e m t o s e c o n dl a s e r ，s u c ha ss e l f - f o c u s i n g ，p l a s m ad e f o c u s i n ga n df i l a m e n t a t i o n ，a r e a l s od i s c u s s e d 2 o p t i c a lw a v e g u i d ei sd i r e c t l yw r i t t e n i n s i d ef u s e ds i l i c a e m p l o y i n gt i ： s a p p i r ef e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e r ( 7 7 5 n l t lc e n t r a lw a v e l e n g t h ，15 0f s p u l s e d u r a t i o n ，1k h zr e p e t i t i o nr a t e ) ，b ya d o p t i n gt r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a ls c a n n i n g m o d e s ，r e s p e c t i v e l y m e r i t sa n dd e f e c t sf o rt w os c a n n i n gm o d e s ( t r a n s v e r s ea n d l o n g i t u d i n a l ) a r eb o t he l u c i d a t e d t h er e a s o nf o re l l i p t i c a lc r o s s s e c t i o no fw a v e g u i d e s w r i t t e nb yt r a n s v e r s es c a n n i n gi sa n a l y z e da n di m p r o v e m e n t so fb e a ms h a p i n g b e f o r e h a n db yc y li n d r i c a ll e n so rs l i ti sp r o p o s e d t h ei n f l u e n c e so fi n c i d e n ta v e r a g e l a s e rp o w e r , s c a n n i n gv e l o c i t ya n di t e r a t i v es c a n n i n gt i m e so nw r i t i n gr e s u l t sa r e e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d ，a n dc o n d i t i o nf o rw r i t i n go p t i c a lw a v e g u i d ew i t hg o o d p e r f o r m a n c ei sd e t e r m i n e d as i m p l ee x p e r i m e n t a ls e t u pi sf o u n d e d t oc h a r a c t e r i z et h e w r i t t e no p t i c a lw a v e g u i d e 3 f u n d a m e n t a l m i c r o s t r u c t u r e ss u c ha sv e r t i c a lm i c r o h o l e ， s m o o t h m i c r o c o n c a v es u r f a c ea n dm i c r o c h a n n e la r ef a b r i c a t e dw i t hap h o t o s e n s i t i v eg l a s s ( f o t u r a n ) e m p l o y i n gf o c u s e di r r a d i a t i o n o fn e a r - i n f r a r e df e m t o s e c o n dl a s e r , f o l l o w e db ys u b s e q u e n th e a tt r e a t m e n ta n du l t r a s o n i ce t c h i n gi nd i l u t eh y d r o f l u o r i c a c i ds o l u t i o na tr o o mt e m p e r a t u r e i n f l u e n c e so fi n c i d e n tf e m t o s e c o n dl a s e r p a r a m e t e r s o n m o r p h o l o g i e s o ff a b r i c a t e dm i c r o s t r u c t u r e sa r e e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d ，a n da p p r o p r i a t ec o n d i t i o nf o rf a b r i c a t i o ni sd e t e r m i n e d s a t u r a t i o no f d i m e n s i o n so fi r r a d i a t e da r e aw i t hi n c i d e n tf e m t o s e c o n dl a s e rp a r e m e t e r s ( i n c l u d i n g f l u e n c ea n dn u m b e ro fp u l s es h o t s ) i sf o u n dd u r i n ge x p e r i m e n t ，a n di ti se x p l a i n e d b a s e do nf u l l yr e a c t i n ge x h a u s t i o n 4 e m p l o y i n gf o c u s e dn e a r - i n f r a r e df e m t o s e c o n dl a s e rd i r e c tw r i t i n g ，p e r i o d i c s t r u c t u r a lc h a n g ei si n d u c e di n s i d en o n - s e n s i t i z e dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) a n d s i n g l em o d ec o m m u n i c a t i o nf i b e r i n f l u e n c e so fi n c i d e n ta v e r a g ep o w e r a n de x p o s u r e t i m eo nt h ei n d u c e ds t r u c t u r a lc h a n g ea r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hf a c i l i t a t e st h ed i r e c t w r i t i n go fl o n g p e r i o d - - f i b e r - g r a t i n gb yn e a r - i n f r a r e df e m t o s e c o n dl a s e r 5 m i c r o m a c h i n i n gs y s t e m b a s e do n y b d o p e dl a r g e m o d e a r e ap h o t o n i c c r y s t a lf i b e r ( p c f ) f e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e ri sf o u n d e d t h em o t i o nc o n t r o lf o r f a b r i c a i t o no fm i c r o - p a t t e r nu s i n gt h r e e - - d i m e n s i o n a lt r a n s l a t i o ns t a g ei nt h es y s t e mi s i m p r o v e da n dl o c a t i o no fl a s e rf o c u ss p o to nt h es u r f a c eo fas a m p l ei s s o l v e db y c o a x i a lm o n i t o r i n gw i t hh e l i u m - n e o n ( h e - n e ) i a s e r t h r e et y p i c a lt y p e so fm a t e r i a l ， i n c l u d i n gs e m i c o n d u c t o r , m e t a l l i c t h i nf i l ma n dt r a n s p a r e n tb u l kd i e l e c t r i c s ，a r e m i c r o m a c h i n e d b yt h ef o u n d e ds y s t e m e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tl i n e s c o n t a i n e di nt h er e c t a n g u l a ra n dc i r c u l a rm i c r o p a t t e r n sd i r e c t l yw r i t t e no nt h es u r f a c e o fs i l i c o n ( s i ) ，c h r o m i u m ( c oa n da l u m i n u m ( a i ) f i l m ，o w nu n i f o r ma n dr e g u l a r m o r p h o l o g y i na d d i t i o n ，c o n t a m i n a t i o na n dh e a te f f e c ta r ee f f e c t i v e l yr e d u c e dd u r i n g m i c r o m a c h i n i n g ，w h i c hh e r e i n ，p r o t e c t st h es u b s t r a t e w h e nf e m t o s e c o n dl a s e rw i t h m u c hh i g h e ra v e r a g ep o w e rt h a nt h a to fd i r e c tw r i t i n go ns i l i c o ni sf o c u s e da n ds c a n s i n s i d ef u s e ds i l i c a ，f i l a m e n t a t i o na n dc o n c o m i t a n tv i s i b l er a d i a t i o na r ef o u n da r o u n d t h el a s e rf o c u ss p o t b a s e do na b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ti sr e v e a l e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h r e p e t i t i o nr a t ea n dh i g ha v e r a g ep o w e rb r i n ga d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y a n d e n h a n c e dc a p a b i l i t yt ot h ef o u n d e ds y s t e mi nm a t e r i a lp r o c e s s i n g c o m p a r i n gw i t h t y p i c a ls o l i dk i l o h e r t z - r e p e t i t i o n - - r a t ef e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e r , t h em i c r o m a c h i n i n g s y s t e mb a s e do np c ff e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e re x h i b i t sm e r i t si nc o m p a c ts t r u c t u r e ， e n v i r o n m e n t a ls t a b i l i t ya n dm a n i p u l a b i l i t y k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r , m i c r o m a c h i n i n g ，t r a n s p a r e n tb u l kd i e l e c t r i c s ， r e f r a c t i v e i n d e x c h a n g e ，m i c r o s t r u c t u r e ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e rf e m t o s e c o n dl a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成臬，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巫勇殳。专、 签字日期：二 8 年子月硌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五王鼹电j 签字日期：力硝年子月出日 导师签名： 签字日期：卫p 彦年月日 天津大学博士学位论文第l 章绪论 1 1 飞秒激光发展简述 第1 章绪论 二十世纪八十年代以来随着宽带可调谐激光晶体、自锁模技术的发展以及啁 啾脉冲放大技术的出现，超短脉冲激光技术得到了很大的发展，产生了脉冲宽度 窄至飞秒( 1 0 j 5 秒) 量级，峰值功率高达太瓦( 1 0 1 2 瓦) 甚至拍瓦( 1 0 1 5 瓦) 的超短脉冲激光。 典型的以掺钛蓝宝石晶体作为增益介质的飞秒激光器，由于具有非常宽的荧 光光谱( 6 5 0n m 1 2 0 0a m ) ，使其理论上可支持窄至几飞秒的激光脉冲。另外， 它的其他一些性质，如硬度大、损伤闽值较高、具有较大的增益截面以及良好的 热传导性能等【1 4 】，也使其成为超短脉冲激光器的理想增益介质。1 9 9 1 年英国 的s p e n c e 等人利用氩离子激光器全线泵浦钛宝石晶体，用s f l 4 棱镜对补偿腔内 色散，依赖钛宝石晶体的克尔效应，获得了6 0 f s 的激光脉冲，首次成功研制出 以掺钛蓝宝石为增益介质的固体飞秒激光器 5 ，这标志着固体飞秒激光器进入 了一个新的发展阶段。 19 8 5 年，啁啾脉冲放大技术( c h i r p e d p u l s e a m p l i f i c a t i o n ，c p a ) 【6 】6 的提出巧 妙地解决了飞秒激光脉冲放大的问题，极大地推动飞秒激光放大器的发展。这种 技术提出在放大一个低能量的飞秒激光脉冲时，为了避免该飞秒脉冲的高峰值功 率对增益介质及传输元件的破坏，不让它直接通过增益介质进行放大，而是先用 脉冲展宽器在时域上将它展宽至p s 甚至n s 量级后再通过增益介质，待脉冲各频 谱成分抽取充分的能量后，用脉冲压缩装置将它压缩回飞秒脉冲宽度，从而得到 放大的飞秒激光脉冲【7 】。借助于啁啾脉冲放大技术，可以将飞秒激光单脉冲能 量从纳焦耳提升至毫焦耳，相应的峰值功率也大大提高。 1 2 激光加工概述 自1 9 6 0 年世界上发明首台红宝石激光器以来，激光用于材料加工的研究便 伴随着激光的各个发展阶段。随着激光技术的发展，新的激光加工应用也不断出 现。目前工业上用于材料加工与处理的激光系统主要有c 0 2 激光器、n d ：y a g 激 光器及准分子激光器等，它们的脉冲宽度涵盖了从连续至纳秒直至皮秒的范围。 天津大学博士学位论文 第1 章绪论 随着激光技术的发展，脉冲宽度更窄的飞秒激光在微纳加工中的应用也已经引起 人们的极大重视。下面简要介绍这几种激光系统在材料加工中的应用及其特点。 1 2 1c 0 2 激光器和n d ：y a g 激光器 以10 6g m 波长的c 0 2 激光器和1 0 6g m 波长的n d ：y a g 激光器为代表的高 平均功率、大能量激光加工系统，目前仍然在激光加工中具有最广泛的应用。这 类激光系统的脉冲宽度通常为连续至纳秒( n s ) 范围，它对材料的加工是基于材料 中的电子对入射光子的共振线性吸收获得的热能，将材料逐步熔化、蒸发并去除， 因而它本质上是热熔性的加工过程，依赖于材料对激光波长的高吸收和材料的热 学特性，相对来讲属于”粗”加工方式，主要用于对一些材料，典型的如金属和合 金，进行切割、焊接、打孔、表面处理及雕刻等。 由于这类激光系统输出的脉冲持续时间较长，远大于材料的热扩散时间，造 成加工区域吸收的激光能量不可避免地向周围扩散，导致热影响区较大，因而不 太适于微纳量级的精细加工。 1 2 2 紫外准分子激光器 紫外准分子激光系统的脉冲宽度通常为纳秒量级，由于波长很短，因而单光 子能量较大。它与材料作用时，单个光子被材料线性吸收后，通过光化学作用导 致材料分子或原子的化学健断裂，从而达到材料加工的目的。它本质上属于光化 学反应过程，与前面的c 0 2 和n d ：y a g 激光加工的热熔性过程不同，它导致的 热扩散影响较小。 准分子激光的波长很短，因而光束可被聚焦至很小的空间尺寸( 正比于激光 波长) ，从而提高对材料的加工精度，适于对半导体衬底、聚合物、陶瓷等非金 属材料进行光刻、表面处理、钻孔等多种微细加工应用，且在激光医疗方面也得 到了一定程度的应用。但由于材料对准分子激光能量的吸收是线性过程，使得加 工精度的进一步提高仍然受到光学衍射极限的限制。 由于准分子激光对材料的破坏主要基于光化学反应过程，因而只能与某些具 有紫外敏感性的材料相互作用，这限制了准分子激光可# h i 材料的种类和范围。 利用准分子激光与敏感的衬底材料相互作用时，线性吸收的过程限制了紫外激光 可穿越衬底的最大深度( 通常小于lm m ) ，因而利用准分子激光在衬底制作器件 或结构时，只能在衬底表面较浅的区域进行，属于平面制作工艺。 此外，处于紫外波段的准分子激光对于传输光学元件有更高的要求，其工作 气体的腐蚀性和毒性也带来操作维护上的不便。 天津大学博士学位论文第l 章绪论 1 2 3 飞秒激光器 典型的以掺钛蓝宝石晶体为增益介质的固体飞秒激光器通常输出可见至近 红外波段的飞秒激光脉冲，材料在该波段的线性吸收并不强，特别是很多透明玻 璃对该波段都具有高透过率，因而飞秒激光对材料的破坏并不主要依靠线性吸收 激光能量。在激光加工领域，与其他典型的长脉宽大能量工业激光系统相比，飞 秒激光的单脉冲能量小的多，如钛宝石飞秒激光振荡器输出的单脉冲能量只有纳 焦耳量级，经过放大后通常也只有毫焦耳。然而，由于其脉冲宽度极窄，使其具 有极高的峰值功率，经过物镜聚焦在微小的焦点区域后能达到极高的强度。 高强度的飞秒激光脉冲与物质相互作用时，通过非线性吸收在极短的时间内 将激光能量注入到激光焦点处微小的材料区域，并在该区域产生局域的高密度等 离子体膨胀，从而导致材料直接发生汽化而去除或者发生结构改性，该过程避免 了热扩散效应的影响，使飞秒激光加工材料成为具有高空间加工精度的非热熔性 “冷”处理过程。 1 3 飞秒激光微细加工的特点 通常的激光微细加工是指加工尺寸在微米至亚微米范围的材料加工。飞秒激 光作为一种新的微细加工手段，它具有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率， 使它与材料作用的机理与传统长脉冲激光的热效应不同。飞秒激光被物镜聚焦在 微小的焦点区域后具有极高的能流密度，与材料相互作用时在焦点区域发生多光 子吸收，通过多光子电离和雪崩电离过程瞬间在加工区域产生局域的高密度等离 子体，导致在微小的加工区域内产生材料去除或结构改性( 取决于入射激光参数、 材料种类和加工方式) 的加工效果，最终达到微纳加工的目的。飞秒激光极短的 脉冲持续时间和低的脉冲能量大大减小了它在材料加工区域产生的热效应，从而 减小了热影响范围，保证了良好的加工形貌。它与材料作用时在焦点区域产生的 多光子吸收是非线性光学效应，只有聚焦光斑中央的高光强区才能达到发生该效 应的阈值，这使得加工区域的尺寸可突破入射激光的光学衍射极限，从而提高空 间加工精度。另外，焦点处的多光子吸收使入射飞秒激光可聚焦在透明材料内部 任意位置，实现三维微纳加工。 归纳起来，飞秒激光用于材料的微细加工主要具有以下几个特点： ( i ) 飞秒激光脉冲与材料的作用时间极短，且单脉冲能量小，因而在加工 区域产生的热效应很小，特别适于有保护性要求的加工应用，如对生物组织及易 爆炸材料的加工； 天津大学博士学位论文第1 章绪论 ( i i ) 聚焦的高强度飞秒激光通过诱导材料微小区域的多光子吸收，使得飞 秒激光可以突破光学衍射极限达到亚波长的空间加工精度，且实现在透明固体材 料内部的二维微细加工： ( ) 飞秒激光加工具有确定的破坏阐值，由于飞秒激光聚焦后可以达到极 高的强度，超过绝大部分材料的破坏闽值。因而飞秒激光可以加工广泛的材料。 目前的飞秒激光微细加工应用中大多数采用的是固体飞秒激光放大系统，其 施型的脉冲重复频率为几千赫兹，这导致微细加工的速度不快，在加工面积稍大 的结构时，显得非常耗时，因此飞秒激光微细加上的效率善待提高。 1 4 飞秒激光对透明固体电介质的微细加工 借助于飞秒激光在材料微细加工方面的独特优势，人们尝试利用它加工广泛 的材料，主要涵盖金属、透明固体电介质( 玻璃、晶体、聚合物) 、半导体、易 爆物、陶瓷、薄膜及生物组织等【8 一1 5 】，在微光学、微电子学、微机械器件及生 化医学微分析系统的制作方面得到了应h 4 ，它简化了制作工艺，节省时间和成本。 本文主要介绍飞秒激光对透明固体电介质的微细加工应用。随着t 秒激光与 固体材料相互作用研究的深人，人们发现高强度的b 秒激光可以导致透明固体材 料发生物理结构或化学性质的改变，它与激光入射参数、聚焦条件及材料种类等 因素有关，如导致材料表面微纳区域的去除、材料内部局域微爆炸结构改变、材 料折射率改变及化学腐蚀性质改变等。 图卜l 所示为利用飞秒激光在蓝宝石晶体表面通过逐点烧蚀使材料去除而刻划 的六边形周期徽结构 1 6 ，单个周期的几何尺寸小于入射激光的波长，为百纳米 左右。 图卜l 飞秒激光刻划的周期蚋米微结构。右边为单个周期的放大图 天津大学博士学位论文第1 章绪论 若聚焦飞秒激光的强度远高于透明固体材料的破坏闻值，且聚焦物镜的数值 孔径较大( 蓟i n a 06 以上) 时，则在材料内部微小焦点区域瞬间产生的高密度等 离子体膨胀导致该处发生微爆炸，产生微米甚至亚微米尺寸的空腔或实心点的结 构改变，使该微小区域材料的密度发生改变，由此导致的材料折射率改变可达1 0 。 量级【17 1 8 】。这种材料改性形式适台用作透明材料内的三维光学数据存储和制作 三维点阵微结构。图1 2 ，图1 3 ，图i 4 所示为利用近红外飞秒激光在熔融石 英内部直接诱导的点结构用于光学数据存储1 7 1 。 图卜2 飞秒激光在透明固体村料内分层直写三维光学数据存储币意罔 图卜3 透射光学最微镜观察飞秒激光在石 英玻璃内诱导的存储点骱。4 蹦秆髻辫辅槲熊” 1 9 9 6 年d a v i s 等人发现聚焦的近红外飞秒激光可以在多种块状玻璃内部诱导 折射率改变，通过焦点的扫描直接制作光学波导【1 2 i3 】( 如图卜5 和图1 6 所 天津大学博十学位论文第1 章绪论 示) ，这引起人们的极大研究兴趣，提出了对这种诱导折射率改变机理的多种解 释，并尝试利用飞秒激光在各类透明固体材料内部，如玻璃、晶体、聚台物及光 纤等直写制作了多种微光学器件，如光波导【13 ，1 9 - 2 2 、有源光波导【2 3 2 5 】、光 分束器和方向耦台器【1 9 - 2 l2 6 2 7 】、体光栅【2 8 3 0 、光纤光栅口】3 2 】、光学存储 器【17 ，3 3 3 5 】、衍射器件【3 6 】、光子晶体 3 7 3 8 等，显示了飞秒檄光直写技术在集 成光学制作中的潜在应用。 图卜5 飞秒激光在石英玻璃、硼酸盐玻璃 氟玻璃和硫化物玻璃内直写的光波导 图卜66 3 3 咖和8 1 0 衄波长的光分别入 射垒在氟玻璃；囊i 矍i i 导后的多横和 当聚焦入射的e 秒激光的强度稍高于某些透明固体材料的破坏闽值且聚焦 物镜的数值孔径值较大时，可以在材料内激光焦点处诱导比微爆炸情形小得多的 折射率改变，为ln 。1 0 ：量级 】2 ，3 9 ，这种材料改性形式适于制作波导型的做 光学元件，如图17 所示利用近红外飞秒激光在一种硼酸盐玻璃内( 康宁一 0 2 15 ) 直写制作的形光耦合器 2 0 。 曩 p霪疆慧。 警薯 一。 *习|*o#=， ， ， 一 二 一 天津大学博士学位论文 第1 章绪论 卧。7 “睇龇椒q - - 0 光2 耦1 5 黧勰嚣嚣铺皎觚”“坩 另外，有些材料经聚焦的飞秒激光照射后，由于照射区域形成精细的纳米结 构【4 0 或化学结构发生变化f 4 吼使照射区域的化学反应活性改变。有人发现绎 b 秒照射过的区域，其在酸溶液中的腐蚀速度比未照射区域快得多因而产生选 择性腐蚀现象。这种材料改性形式非常适于微腔、微通道等微流体器件的制作， 具有单步成型、可立体制作等优点。 图卜8 显示4 0 1e 秒激光在石英玻璃照射区诱导的与入射偏振方向有关的纳米 结构形貌，它与照射区的选择性腐蚀现象密切相关。 圈卜8 不阿偏振方向的飞秒激光在石英玻璃表面扫描后产生的纳米结构：( a ) 偏振方向e 平行于扫描方向s ( b ) 偏振方向e 垂直于扫描方向s 。k 为 射撒光波矢 网1 9 给出了 4 1 飞秒激光在石英玻璃内部扫描后，崩稀的氢氟酸( h f ) 溶液腐 蚀得到的h 形微通道，通道的直径为1 01 2m ，深度1 0 0um 。 天津大学博士学1 奇_ 论文 第1 章绪沦 i 文 鳓 图卜9 飞秒檄光在秆英玻璃内制作的i i 形微通道的各角度观察图。( a ) 表面顶视幽：( b 最而f3 0 “的水平段微通道的1 更视罔：( c ) 侧视罔 1 5 本论文的主要工作 本论文主要研究利用近红外e 秒激光对固体材料进行微细加工及其在微结 构制作中的应用。 1 讨硷了飞秒激光在宽带隙透明固体电介质中诱导的多光子电离、隧道电 离和碰撞电离过程，以及飞秒激光作用区域内产生的局域等离于体密度随时坷的 变化。理论训算表明雪崩电离导致透明固体电介质破坏所需的时间很短，典型值 为几十飞秒至百飞秒。讨沦了聚焦的面强度飞秒激光在透明固体电介质内产生的 自聚焦、等离子体自散焦及成丝现象等非线性光学效应引起的材料折射车改蹙。 2 利用钛宝石飞秒激光坡大辩( 中心波长7 7 5n m 脉宽15 0f s 、重复频率1 k l q z ) ，分别采用横向扪描模式和纵向押描模式，存熔融石英内部直写制作了光 学波导，用措建的简易测试装置初步测试丁直写的光波导的传辅性能。 比较了横向扫描和纵向扫捕两种直写模式的优缺点及择i q 直写的圯波导的 形貌，分析了横向直写的光波导横截面呈现椭阋形的原罔，咀及采用柱透镜或接 缝对入射光束预先整型的改善方法。讨论了飞秒激光的 射平均功率、扫捕逑噎 及重复扫捕次数等参数对商写结果的影响，确定了直写良好性能光波导的条件。 3 利用近红外飞秒激光聚焦照射光敏玻璃f o t u r a n ，辅以热处理及氢氟 酸腐蚀，制作了具有竖直微孔、光滑微凹面及微通道等基础微结构。探索了飞秒 激光入射参数对制作微结构形貌的影响，确定了制作这螳微结构需选取的合理澈 天津大学博士学位论文 第l 章绪论 光入射条件。实验中发现飞秒激光曝光区域尺寸对激光入射参数( 能流和脉冲数) 的饱和效应，并从充分反应消耗的角度对此进行解释。 4 采用聚焦的近红外飞秒激光在光纤内逐点直写，在未作增敏处理的光子 晶体光纤和单模通信光纤上直接诱导了周期性结构改变。摸索了飞秒激光的入射 平均功率及单点曝光时间对诱导结构改变的影响，为进一步利用飞秒激光直写长 周期光纤光栅提供指导。 5 以实验室研制的掺镱( y b ) 大模面积光子晶体光纤飞秒激光放大器( 中 心波长1 0 4 0n n l ，脉度1 0 0f s ) 组建了一套高重复频率、高平均功率的飞秒激光 微纳加工系统，完善了该系统中三维微位移平台对刻划微图案的运动控制，通过 氦氖光同轴监视的方法解决了加工过程中入射激光聚焦于样品表面的定位问题， 并用组建的加工系统对三类典型材料：半导体、金属薄膜和透明固体电介质进行 了微纳加工实验。 通过组建的微纳加工系统在抛光的硅片( s i ) 及金属铝膜( a 1 ) 、铬膜( c r ) 表面直 接刻划线阵、方形、同心圆环等微图案的实验，结果表明：利用组建的加工系统 在这两类材料表面刻划的微图案线条具有规整的边缘加工效果，且有效地减少了 未加工区域受到的污染和热破坏，从而保护了制作衬底。在具有高破坏阈值的熔 融石英内部扫描的实验则显示，若以比刻划硅片大得多的激光平均功率入射，可 以观察到飞秒激光聚焦点处的诱导成丝现象和伴随的可见光辐射。 基于以上组建系统的微纳加工结果，分析了该系统高重复频率和高平均功率 的特性为提高微纳加工效率及扩展材料加工能力带来的优势。通过与典型的千赫 兹重复频率固体飞秒激光放大系统对比，阐述了基于光子晶体光纤飞秒激光放大 器的微纳加工系统在系统结构、环境稳定性及操作维护等方面的优点。 天津大学博士学位论文第2 章飞秒激光与透明固体电介质相互作用理论 第2 章飞秒激光与透明固体电介质相互作用理论 自1 9 6 0 年激光被发明以来，激光诱导的固体材料破坏就伴随着激光的发展 而被广泛研究 4 2 5 0 】，因为它对科学研究和工程应用都很重要，例如激光在透明 固体电介质中的破坏限制了激光系统的最大运转功率。随着激光技术的发展，新 的激光系统不断出现，扩展了人们对激光诱导材料破坏的研究范围。基于钛宝石 晶体等宽带增益介质的超短脉冲激光系统，其输出的脉宽可窄至飞秒量级，利用 啁啾脉冲放大技术对脉冲进行放大后达到极高的峰值功率，它能诱导材料独特的 破坏机理和现象，应用于材料的微细加工具有长脉冲激光无可比拟的优势，因而 引起人们对飞秒激光与材料相互作用的研究兴趣。 脉宽( t ) 在几十皮秒( p s ) 以上的入射激光脉冲对宽带隙固体电介质材料的 破坏与激光脉冲加热导带电子及导带电子把能量传递给晶格等热过程密切相关。 当在电介质内沉积的激光脉冲能量足够使其熔化、沸腾或者破裂时，就导致材料 的破坏。实验发现脉宽在2 0p s 以上的激光脉冲对材料的破坏阈值遵循【2 的规 律 5 1 】，即脉宽越长，材料的破坏阈值越高。 脉宽小于1 0p s 的超短激光脉冲，特别是高强度飞秒激光脉冲，它的脉冲持 续时间远小于固体电介质的热扩散特征时间( 皮秒至微秒范围) ，使得脉冲与材 料的作用已经结束而热扩散却还未来得及发生，因而飞秒激光脉冲与固体电介质 的相互作用不是热作用过程，它对固体电介质的破坏阈值不遵循t 2 的规律，而 与飞秒脉冲产生自由电子密切相关。高强度飞秒激光通过在固体电介质内激发多 光子电离、隧道电离和碰撞电离( 雪崩电离) 等物理过程，产生局域的高密度等 离子体，使激光能量在该区域被非线性吸收，最终等离子体膨胀导致固体电介质 的破坏。聚焦的飞秒激光在透明固体电介质内诱导的光学破坏已被应用于微光学 器件的制作，如在各种块状玻璃中制作波导型光子器件。 2 1 飞秒激光诱导的光电离 2 1 1 多光子电离和隧道电离 透明固体电介质常具有较大的带隙宽度，比可见和近红外波段的单光子能量 大得多，因而它对该波段低强度激光的线性吸收较弱。当高强度的飞秒激光与透 明固体电介质作用时，电介质中原子的束缚电子同时吸收多个入射光子的能量 天津大学博士学位论文第2 章飞秒激光与透明固体电介质相互作用理论 后，其动能超过电离势能而脱离原子成自由电子，或越过带隙宽度由价带跃迁至 导带成为自由电子，这个过程称为多光子电离，如示意图2 1 所示。多光子电 离是多阶非线性过程，它的反应截面很小，因而要求入射激光具有很高的强度。 光子 e 咖姗 八厂、r 岭i 、厂、r 岭 、 八厂、r 岭 t u 厂八厂、+ 7 0 、厂、厂、r 吟，。 、厂、厂、厂、岭 图2 1 多光子电离示意图 逼 、。 透明固体电介质在高强度飞秒激光的超强电场作用下，原子中的束缚电子通 过量子隧道效应越过由原子核库仑场和激光电场共同产生的有限高度势垒，脱离 原子成为自由电子，这种光电离产生自由电子的过程称为隧道电离。 多光子电离和隧道电离可以通过如下的k e l d y s h 参数7 建立联系 5 2 - 厂：w ( 2 m _ * e _ g ) 2 ( 2 1 ) e l 式中，m 木，e 分别为电子有效质量和电子电量，彩，e 分别为外界入射电 场的振荡角频率和振幅，e 。则是固体电介质的带隙宽度。 若窄带隙宽度的介质在外界极强的入射电场作用下，使得参数，口l ，隧道 电离占支配地位；反之，若y 口l ，则多光子电离占支配地位。一般认为，只有 在入射激光产生的电场强度( e ) 高于1 0 0m v c m 时，隧道电离才成为主要的 电离过程。 2 1 2 碰撞电离 在透明固体电介质中，由于束缚的价带电子的电离势能或带隙宽度比激光的 光子能量大，因而束缚电子极少吸收低强度激光的能量。高