（精密仪器及机械专业论文）飞秒激光双光子二维并行微细加工的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 作为一种新型的激光成型技术，飞秒激光双光子微细加工具有真三维的制作 能力和亚微米的加工分辨率等技术特点，在m e m s 研究领域受到越来越广泛的 重视。由于该技术的加工效率较低，无法满足m e m s 批量加工的要求，因此， 并行加工已经成为该技术发展的瓶颈。本文结合国家自然科学基金项目一一飞秒 激光功能微部件加工技术研究( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) 的主要研究内容，搭建了飞秒激 光双光子微细并行加工实验系统，初步实现了飞秒激光二维并行微细加工。本文 的主要成果如下： 首先，在总结国内外研究方法的基础上，设计并加工微透镜阵列，将其用于 飞秒激光加工系统上，实现分束聚焦，多焦点并行加工。自行设计、搭建飞秒激 光并行微细加工系统，成功实现了不同材料的二维字母结构的并行加工。同时对 系统加工一致性，分辨率进行分析。 其次，针对系统加工一致性，提出激光光束匀化整形的解决方法。设计了两 种匀化整形的二元光学器件，对其整形效果进行理论仿真，计算了其衍射效率。 为进一步提高并行加工系统加工效率，提高能量利用率，改善加工一致性，提供 了理论前提。 这些计算和实验结果，为飞秒激光微细加工技术在并行加工方向的深入发展 打下了良好基础。 关键词：飞秒激光并行加工微透镜阵列二元光学元件 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fl a s e rb a s e dl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y ，f e m t o s e c o n dl a s e r t w o p h o t o n3 d m i c r o f a b r i c a t i o nh a si t s u n i q u et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r s ，l i k e f a b r i c a t i o na b i l i t yo ft r u e3 dm i c r o s t r u c t u r e s ，s u b - m i c r o nr e s o l u t i o np o w e r i t b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nm e m sr e s e a r c ha r e a h o w e v e r ，t h ee f f i c i e n c y o ft h i st e c h n i q u ei sv e r yl o w , h a r dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm a s sf a b r i c a t i o no f m e m s p a r a l l e lf a b r i c a t i o nh a sb e c o m eac h o k ep o i n to ft h i st e c h n i q u e w i t ht h ea i d o fn s f c ( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) ，as y s t e mi sb u i l tu t i l i z e dam i c r o l e n sa r r a yt op r o d u c e m u l t i p l es p o t sf o rp a r a l l e lf a b r i c a t i o n 2 - dp a r a l l e lf e m t o - l a s e rf a b r i c a t i o ni sr e a l i z e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t m i c r o l e n s d e s i g n e d ，f a b r i c a t e da n du s e df oparallefabricationirst am l c r o l e n sa r r a yi sd e s i g n e dt a o r i c a t e aa n au s e di o rp a r a l l e li a t ) r l c a t l o n ， t w o d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e sa r em a n u f a c t u r e d ，s u c ha sm i c r ol e t t e r sa r ed e m o n s t r a t e d a se x a m p l e so fm a s sp r o d u c t i o n af e ws p o t ss i m u l t a n e o u sf a b r i c a t i o nh a sb e e n r e a l i z e df o r t h ep h o t o p o l y m e r i z a b l er e s i na n dg l a s s t h ew o r kg a v er i s et oa r e v o l u t i o n a r ya u g m e n t a t i o nf o rc o n v e n t i o n a lt w o - p h o t o nm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ， a n di m p e l l e dt h ea p p li c a t i o no ft h i st e c h n o l o g y s e c o n d ，b e a ms h a p i n gm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r dw i t ht h ea i do fi m p r o v et h e c o h e r e n c eo ft h ef a b r i c a t i o n t w ok i n d so fp h a s ep l a t e si sd e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c e a n de f f i c i e n c yo ft h ep h a s ep l a t e sa r ec a l c u l a t e db yc o m p u t e r a l lt h e s ee x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t er e s u l t sw i l lb eh e l p f u lt oo u rp r o j e c t sa n d i m p r o v e m e n ti nt h i sr e s e a r c ha r e a k e yw o r d s ： f e m t o l a s e r ，p a r a l l e lp r o c e s s i n g ，m i c r o l e n sa r r a y ，b i n a r yo p t i c a l e l e m e n t ( b o e ) i i 中国科学技术大学硕士学位沦文 第一章序论弟一早，丁叱 1 飞秒激光双光子技术简介 1 1 飞秒激光双光子三维微细加工技术原理 1 9 6 0 年第一台红宝石激光器的出现，利用激光处理材料的技术迅速在世界 范围内发展起来。由于当时激光技术和相关材料技术水平较低，导致激光光束 质量相对较差，因此该领域的研究主要集中在些简单的材料处理方面。 n d ( n d d o p e dy a g ) 激光、c 0 2 激光、a r 离子激光和准分子激光等新型激光器的出 现极大地改善了这种落后状况，这些激光器研制成功后，先后在激光焊接、激光 切割、激光诱导气相沉积、激光打孔和复合材料合成等多个方面得到了广泛的应 用，同时与此紧密相关的激光立体成型技术也得到了迅速发展。包括分辨率较高 的传统的激光成型技术在内，系统加工所能实现的分辨率大体上在几个到几十个 微米的范围。虽然随后出现的使用短波长准分子激光的紫外光刻技术可以实现低 于1 0 0 n m 的加工分辨，但是从本质上讲，紫外光刻技术仍然属于二维或二维半的 加工方法，难以满足微机电系统真三维的加工要求。这些技术中所应用的激光基 本上属于连续激光或纳秒、皮秒量级的宽脉冲激光，大多是利用激光光束所产生 的热能来处理材料【2 j ，因此难以达到很高的分辨率。 2 0 世纪9 0 年代初，飞秒激光钛蓝宝石激光器的出现推动了立体光成型技术 向一个全新的阶段发展【3 j 。由于飞秒激光脉冲经强聚焦后，可以在很低的平均输 出功率下实现g w c m 2 量级的瞬时激发光强，如此高的激发光强可使材料发生显 著的非线性光化学反应，而不是传统的热效应，因此，与传统连续激光和长脉宽 的脉冲激光相比，飞秒脉冲与材料的相互作用发生了本质的变化。飞秒激光双光 子微细加工的工作原理便是利用飞秒激光诱导光敏材料发生的局域光化学反应， 包括光还原、光聚合和光解离等过程，利用三维扫描系统伎这一过程在一定空间 范围内有选择地发生，然后通过显影工艺后实现器件的三维成型。以常用的光聚 合材料为例，光引发剂经双光子激发后生成活性自由基，被加工材料在活性自由 基的引发下发生聚合反应，在一定的曝光间隔内在激发位置生成固化点。加工光 束在一定空间范围选择性扫描曝光将使生成的固化点连成一个整体，最终可实现 微器件的三维成型，最后通过显影完成整个工序。利用飞秒激光技术实现材料的 双光子吸收以达到三维微加工的目的，这种新型的三维光成型技术表现出了很多 传统光成型技术没有的优点，其中最显著的就是极高的空间分辨率。该技术之所 以能够达到如此高的分辨率，是因为材料发生双光子吸收的几率与激发光强度的 平方成正比，由双光子吸收引发的光化学反应将被局域在激光强度很高的焦点周 围极小的区域内( 体积的数量级为入3 ，九为入射激光的波长) 。 中国科学技术大学硕士学位沦文 由于双光子激发的非线性效应，飞秒双光子微细加工技术具有很高的三维分 辨率。与传统的光成型技术相比，它可以采用层叠式的3 nt _ 方法来制作三维微器 件，加工系统并不需要产生树脂薄层，甚至可以采用空间任意的扫描方式进行器 件的成型，加工的准备工作较简单。 1 2 飞秒激光双光子三维微细加工技术的特点 目前双光子三维微细加工的主要工作方式是利用飞秒激光诱导光敏材料发 生双光子激发以及相关的光化学反应( 如光致聚合、光致折变) ，结合扫描及控 制系统选择性曝光。飞秒激光经聚焦后可以在焦点附近的很小的空间范围内形成 极高的瞬时激发光强。在这种激发光强下，很多物质可以实现有效的双光子激发。 该技术主要有以下一些特点： 1 加工系统结构简单利用三维扫描结合光束通断控制的加工方式进行微细加 工的技术已非常成熟。飞秒激光双光子三维微细加工系统具有加工稳定性好、 加工设备易于维护、结构简单等优点。系统中的光束通断系统和光路都比较 简单，虽然有些部件的结构比较复杂，例如飞秒激光器和三维微移动台，但 这些器件已基本实现了商品化和集成化。 2 一次写入一次成型飞秒双光子三维微细加工的曝光全过程均是是材料内部 完成，不需要单光子立体光刻技术中甩胶匀胶等工序，也不需要半导体微加 工工艺和l i g a 技术中的掩模设备。并且系统是通过光路通断系统来控制曝 光与否，因此无论是单个三维微器件还是由多个材料相同的微器件组成的微 系统，只要写好控制程序，控制好光路通断和三维微移动台的移动，其制作 过程均可在一次曝光成型中完成。 3 空间分辨能力极高由于双光子激发的非线性，飞秒激光在器件的三维加工 中表现出了超出衍射极限的空间加工分辨能力。利用双光子诱导材料发生光 折变和光色变等原理进行的三维加工也具有很高的空间分辨力。 4 加工热影响很小 与传统连续激光或其它脉宽较大的脉冲激光相比，飞秒激 光脉冲激发过程中光子能量沉积的速度比能量扩散的速度更快，即材料吸收 光子的能量将十分有效地作用到电子激发过程中，而不会变成热量。因此， 在进行双光子加工时，激光与材料相互作用的区域受热影响很小，加工质量 较高。 5 很高的加工参数可变性利用飞秒双光子微细加工系统制作的微器件对结构 形式无任何限制，可通过计算机预先设计、修改。系统将通过控制程序分析 被加工器件的特点，提取有用的数据信息，并生成相应的控制命令以驱动光 路开光和三维微移动扫描台协调工作。 2 中国科学技术大学硕= i = ：学位论文 6 加工环境要求较低与电子束和离子束等微细, d n - r - _ 技术相比，双光子三维微 细加工技术对加工环境的要求比较低。 1 3 该技术的国内外研究现状 自r e n t z e p i s d 、组将双光子技术应用于光学存储【3 j 以来，双光子技术以其突出 的优点引起了世界范围内的广泛重视。1 9 9 2 年w e b b d , 组首先双光子技术引入了 微细加工领域【4 j 。目前，随着国内外科研工作者对双光子激发理论和高效双光 子吸收材料的深入研究，双光子三维微细加工技术已取得的主要研究成果有： 日本大阪大学的k a w a t a 和孙宏波等人利用双光子微细加工技术制作了1 0u m 长，7l am 高的三维公牛图形【5 j 。据文献 6 介绍，整个公牛结构大约有2 10 6 个 固化单元构成，采用逐点扫描的加工方式，整个加工过程经历3 个小时。在制作 该结构的过程中，该研究小组除了采用逐点曝光的扫描方式外，还开发了轮廓扫 描结合二次紫外曝光的方法，极大地提高了微器件加工的效率，需曝光的固化单 元数量减小为原先的5 ，加工过程耗时低于1 3 分钟。此外，该研究组还制作 了微链条、微管道、微齿轮和光子晶体等一系列三维微结构，还利用光镊驱动微 弹簧发生形变，并在此基础上研究了双光子加工的微弹簧的刚度【7 j 。 美国亚历桑那大学化学院j o s e p hw p e r r y 博士的研究小组应用双光子激发金 属阳离子发生光还原反应的工作原理，制作出了三维的金属微结构【8 】。实验中所 使用的材料为一种自制的混合溶液，通过双光子, d 口- r - 系统引发还原反应，一次生 长成型，可实现金、银和铜等金属微结构的连续成型。这种利用飞秒激光束诱导 金属生长，从而加工出金属三维微结构的方法将会在电子、光学和微机电领域中 得到很好的应用。 双光子微细加工技术也己成功地应用到一些具功能微器件制作中。日本名古 屋大学s h o j im a r u o d 1 工了一个前端具有针状结构的三维微“操纵器 【9 j 。该操纵 器可在光镊的驱动下实现对轻小物体的夹持和搬运。与此相比，东京农业技术大 学的t o s h i y u k iw a t a n a b e 教授制作的水凝胶微悬臂，是利用加工材料对紫外光敏 感的光致变形特性，使悬臂在受到紫外光照射后能够产生定量的形变，并且这种 变形在照射光消失时又会逐渐恢复【l 。这种类型的器件在微传感器、光探测器 的制作中应该会有较好的应用潜力。匈牙利科学院的p et e rg a l a j d a 及其合作者利 用双光子加工制作了相互啮合的传动齿轮组】。并实现光镊驱动主动齿轮以 1 0 r a d s 1 的速度转动，带动与之啮合的齿轮旋转。整个齿轮组通过飞秒激光双光 子加工系统一次成型，这项工作显示了双光子成型技术结合光驱动技术在m e m s 系统中的应用前景。 日本神户通信技术研究室的s h i y o s h iy o k o y a m a 和l 他的合作研究人员利用飞 中国科学技术大学硕士学位论文 日本神户通信技术研究室的s h i y o s h iy o k o y a m a 矛d 他的合作研究人员利用飞 秒激光双光子微细加工技术制作出了微型激光谐振腔( 1 2 j 。激光谐振腔尺寸为2 0 0 l am 1 0 0um 。使用5 3 2 n m ，8 n s 的激光泵浦谐振腔后，实现波长6 0 6 6 n m ，单脉 冲能量o 0 5uj 的激光输出。运用这种方法制作激光微谐振腔还可以通过改变加 工中使用的染料的种类实现不同类型的激光输出。 光子晶体的加工也已成为双光子微细加工技术应用的一个重要领域。b h c u m p s t o n 从光引发剂分子结构的角度分析了具有大截面双光子吸收能力的材料 应该具有的特点【1 3 】，制作了三维的光子晶体，并在红外区产生了明显的光带隙 现象。由于常见的光敏树脂制作光子晶体时很难产生较大的材料折射率改变( 固 化材料和空气间隙相比) ，不能实现性能优良的光子晶体的制作。日本大阪大学 的孙宏波博士利用具有放大级的飞秒激光，以硅为基体材料，制作成功了三维光 子晶体【l4 1 。利用多光子激发的微爆炸现象使制作的三维结构出现微米级的空穴 和硅相互间隔的周期结构，折射率的改变a n = 0 4 5 ；实验结果经测试后发现出 现了明显的光带隙区，这一实验结果具有很强的实际应用价值。 除了上面给出的研究结果外，飞秒激光诱导的双光子激发在其它方面也有了 很好的应用：三维高密度信息存储【3 】【”】、具有纳米级分辨能力的飞秒近场加工 、金属表面浮雕结构的制作等等【1 7 】。 随着串行加工工艺日趋成熟，加工效率成为各研究者关注的焦点。日本大阪 大学的孙宏波及其合作伙伴利用4 1 4 1 的微透镜阵列实现飞秒激光多焦点并行 加工，同时加工出数百个微结构【l8 | ，各聚焦点的单点分辨率达到2 0 0 n m ，并且已 经做到三维的并行加工，如图1 1 。该方法有很高的加工效率和能量利用率， 缺点是由于高斯光束的光强分布不均匀，导致加工区间中心和边缘结构的不一致 性较大。同时，在文献 18 中，给出了光强分布不均匀对各个加工结构的影响， 指出在小范围内，光强不均匀的影响可以忽略。他的实验结果表明，光强分布不 均匀对于结构加工的影响比对于单点加工的影响小的多，因为双光子三维加工逐 点扫描的特点，使得单点大小的差异影响更多的是点的重合率。 图1 1( a ) 并行加工的二维字母结构 ( b ) 并行加工的三维螺旋结构 4 中国科学技术大学硕士学位论文 微结构金属模板，只有孔的部分飞秒激光能通过，并在被加工材料上形成2 2 的点阵。这种方法能量利用率极低，由于激光能量的限制，不能同时加工很多结 构。相比之下，利用微透镜阵列进行分束，实现并行加工的优点显而易见，其效 率高，能量利用率高，分辨率也较高。 目前，双光子三维微细加工技术所需要解决的关键问题有： 1 开发制作新型功能器件和系统充分利用双光子加工技术的一次写入 成型和真三维的技术特点，制作具有一定功能的微器件。 2 深入研究双光子三维微细加工的工作机理 研究飞秒脉冲与材料的非 线性作用过程，从理论上定量的分析双光子三位微细加工分辨率的影响 因素，探讨进一步提高双光子微细加工分辨能力和加工质量的方法。 3 提高加工效率为了满足m e m e s 批量生产的要求，需要通过优化光路， 分束整形，实现并行加工，提高加工的效率，加工区间和能量利用率。 4 拓宽加工材料的范围在深入研究现有紫外光刻胶材料双光子可加工 性的同时，开发具有大双光子吸收截面的新型材料，合成新型复合材料 和功能材料。 5 双光子微细加工技术和其它微细加工方法的结合特别是该技术和i c 工艺、l i g a 工艺的结合，将微电铸、电镀技术引入双光子微细加工系统 以提高器件加工的质量和效率。 6 研究双光子微细加工系统商业化、小型化和集成化的可行性现有的双 光子微加工系统多为实验系统，性能还不稳定，维护技术较难掌握，而 且体积较大，与实际商业化使用还有很大距离。 2 二元光学元件 2 1 二元光学元件介绍及特点 8 0 年代中期，美国麻省理工大学林肯实验室威尔得坎普领导的研究组率先 提出了“二元光学”的概念 1 9 , 2 0 】，他们这样描述道：“现在光学有一个分支。它 几乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕 结构；由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩 模是用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。”之后二元光学作为 一门技术和学科迅速地受到学术界和工业界的重视，研究二元光学成为光学界的 新热潮。二元光学元件因其在实现光波变换上所具有的传统光学难以实现的卓越 功能，有利于实现光学系统的阵列化、微型化和集成化，因此开辟了光学研究的 新领域【2 1 , 2 2 1 。 关于二元光学概念，目前科学界还没有统一的准确的定义，普遍认为，二元 中国科学技术大学硕士学位论文 光学是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并结合超大规模集成( v l s i ) 电路制作工艺，在片基上或传统光学器件表面刻蚀产生具有数个台阶深度的浮雕 结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。二元光 学不仅在变革常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而且能够实现 许多传统光学难以达到的目的和功能，它的出现给传统光学设计理论及加工工艺 带来了一次新的革命。二元光学技术的出现同时解决了衍射元件的效率和加工问 题。 ： 二元光学技术一经提出就引起了技术发达国家的重视，引起了各研究机构、 大学及工业界的极大兴趣，并被m i t 林肯实验室称为振兴和发展美国光学工业的 主要希望。二元光学能获得如此高的评价，除了具有体积小、重量轻、容易复制 等显而易见的优点外，还具有以下优点【2 3 甾】： 1 高衍射效率 二元光学元件是一种纯相位衍刺光学元件，为便于掩膜加工，可做成多 相位阶数的浮雕结构。一般使用n 块模板可得到l ( = 2 n ) 个相位阶数，当 n = 2 、4 、8 和1 6 时，分别有t 1 - - 4 0 5 、8 1 、9 4 9 和9 8 6 。 如果是亚波长微结构及连续相位面形，可以达到接近1 0 0 的衍射效 率。 2 特殊的光学性能 二元光学元件可产生一般传统光学元件所不能实现的波面，如非球面、 环状面、锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件；使用亚波长结构还 可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性；此外，二元光学在促进小 型化、阵列化、集成化方面的作用更加巨大。 3 独特的色散性能 在一般情况下，二元光学元件多在单色光下使用，但正因它是一个色散 元件，具有不同于常规元件的色散特性，故可在折射光学系统中同时校 正球差与色差。以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用 表面上的浮雕相位波带结构校正像差。这一方法已用于新的非球面设计 和温度补偿等技术。 4 更多的设计自由度 在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或利用 不同光学材料的不同折射率校正像差，而在二元光学元件中，则可通过 改变相位结构的位置、槽宽与槽深及槽形结构产生任意波面，大大增加 了设计变量，从而能设计出许多全新功能的光学元件，是对光学设计的 一次新变革。 中国科学技术大学硕士学位论文 5 宽广的材料可选性 二元光学元件可以将二元浮雕面形转移至玻璃、电介质或金属基底上来 使用，可用材料范围大；此外，在光电系统材料的选取中，一些红外材 料如z n s e 和s i 等，由于它们有一些不理想的光学特性，故经常被限制 使用，而二元光学技术则可利用它们并在相当宽广的波段作到消色差； 在远紫外应用中，可使有用的光学成像波段展宽i 0 0 0 倍。 2 2 国内外研究概况和发展趋势 纵观国内外研究现状，目前二元光学的研究重点集中在三个领域：激光束 或电子束直写技术及高分辨率刻蚀技术；超精细衍射结构的分析理论与设计；二 元光学元件在国防、工业及消费领域的应用。其中核心技术为二元光学的c a d 、 掩模技术、刻蚀技术和l i g a ( 同步辐射光成形) 技术。经过近1 0 年的研究，二元 光学己在设计理论、制作工艺和应用等方面取得了突破性的进展。 理论研究方面，当二元光学元件的衍射特征尺寸大于光波波长时，可以采 用标量衍射理论进行设计。计算全息以及关于二元光学元件衍射效率与相位阶数 之间的数学表达式都是标量衍射理论的结果。在此范围内，可将二元光学元件的 设计看作一个逆衍射问题，即由给定的入射光场和所要求的出射光场求衍射屏的 透过率函数。基于这个思想的优化设计方法有盖师贝格一撒克斯通( g e r c h b e r g s a x t o n ) 算法( g s ) 或误差减法( e r ) 及其修正算法【2 6 , 2 7 j 、直接二元搜索法( d b s 也 称爬山法( h c ) ) 【2 8 】、模拟退火算法( s a ) 【2 9 】和遗传算法( g a ) 【3 0 1 。在国内，中国科 学院物理研究所杨国帧和顾本源提出任意线性变换系统中振幅一相位恢复的一 般理论和杨一顾( y g ) 算法【3 ，并且成功地应用于解决多种实际问题和变换系 统中。 在许多应用场合中，二元光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级， 刻蚀深度也较大( 几个波长量级) ，标量衍射理论中的假设和近似不再成立p 2 l ， 此时，光波的偏振性质和偏振光之间的相互作用对衍射结果影响很大，必须发展 严格的矢量衍刺理论及计算方法。矢量衍射理论基于电磁场理论，必须在适当的 边界条件上严格的求解麦克斯韦方程组，已经发展几种相关的设计理论，如积分 算法，微分算法，模态法和耦合波法【3 3 ”】。 在加工工艺方面，在v l s i ) j d 工技术、电子、离子刻蚀技术发展的推动下，二 元光学制作工艺方面取得的进展集中表现在：从二值化相位元件向多阶相位元 件、连续分布相位元件发展；从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展。最早的二 元光学制作工艺是用图形发生器示h v l s i 技术制作二阶相位型衍射光学元件。到 8 0 年代后期，随着高分辨率掩模版制作技术的发展，掩模套刻、多次沉积薄膜 中国科学技术大学硕= 匕学位论文 的对中精度的提高，多阶相位二元光学元件的制作成为可能，大大提高了衍射效 率。9 0 年代初直写技术应用于二元光学元件的制作中1 3 8 - 4 0 j ，直接利用激光和电 子束在基底上写入二维或三维浮雕图案。根据二元光学元件的特点，其他一些新 工艺，例! t u l i s a 、热溶、溶胶一凝胶( s o l g e l ) 及离子扩散等技术也被应用于加 工二元光学元件，还可以利用灰阶掩模及p m m a 紫外感光胶制作连续相位器件。 随着二元光学技术的发展，二元光学元件已广泛用于光学传感、光通信、数 据存储、激光医学和其他特殊系统中，它的发展已经经历了三个阶段【4 1 | 。 第一阶段，人们采用二元光学技术改进传统的折射光学元件，通常是在球面 折射透镜的一个面上刻蚀衍射图案，以改善它们的一般光学性能，并实现普通光 学元件无法实现的特殊功能。这类元件主要用于像差校正和消色差，实现折衍 复合消像差和较宽波段上的消色差。此外，二元光学元件能产生任意波面以实现 许多特殊功能，而具有重要的应用价值。如光束整形元件、激光聚焦校正元件、 光互连元件等【4 2 44 l 。+ 第二阶段，主要发展微光学元件和微光学阵列。8 0 年代末，二元光学进入 微光学领域，向微型化、阵列化发展。用二元光学方法制作的高密度微透镜阵列 的衍射效率很高，且可实现衍射受限成像。此外，当刻蚀深度超过几个波长时， 微透镜阵列表现出普通的折射元件特性。并具有独特的优点：阵列结构灵活，能 产生抛物面、椭圆面的等各种轮廓形状的透镜表面，透镜阵列的填充因子可以达 到1 0 0 。这类高质量的衍射或折射微透镜阵列，在光学信息处理、光通信、光 存储和激光束扫描等许多领域中有重要的应用【4 5 , 4 6 j ，本文就是利用折射型微透镜 阵列来实现飞秒激光微细并行加工的。 第三阶段，即目前正在发展的阶段，二元光学向多层或三维集成微光学反展， 在成像和复杂的光互连中进行光束变换和控制。多层微光学能够将光的变换、探 测、处理集成在一体，构成多功能的集成化的光电处理器，这一进展将使一种能 按照不同光强进行适应性调整、探测出目标的运动并自动确定目标在背景中的位 置的图像传感器成为可能。这一代微光学技术的典型应用就是多层光电网络处 理。 二元光学的发展不仅使光学系统的设计和光学加工工艺发生深刻的变革，而 且其总体发展趋势是未来微光学、微电子学和微机械的集成技术和高性能的集成 系统。今后二元光学元件的研究将可能在以下方面发展： 1 具有亚波长结构和连续相位二元光学元件的设计理论与制作技术【4 7 】 这类元件的待征尺寸比波长还要小，其反射率、透射率、偏振待性和光谱特 性等都显示出与常规光学元件截然不同的特征，因而具有许多独特的应用潜力。 但是由于其结构微小复杂，加工困难，计算理论也不成熟，因此研究重点包括： 中国科学技术大学硕士学位论文 建立正确和有效的理论模型用于超精细结构衍射元件的设计；特殊波面变换的算 法研究；发展微细加工技术，以制作逼近临界尺寸的微小元件及开拓亚波长结构 衍射元件的应用。 2 微型光机电集成系统【4 副 微工程技术被列为美国国家关键技术，主要包括微电子学、微机械学和微光 学这三个相互关联相互促进的学科，是发展新一代计算机、先进机器人及智能化 系统，促进机械、电子及仪器仪表工业实现集成化、微型化的核心技术。二元光 学技术则是发展微光学的重要支柱，如果将二元光学元件直接刻蚀在集成电路芯 片上，并在一块芯片上布置微光学阵列，甚至完全集成化的光电处理单元，将导 致超密集传感系统的产生，将极大的促进微系统的发展。 3 二元光学的c a d 软件开发 至今研究者还没有找到适合于不同浮雕结构的简单有效的理论模型，二元光 学元件的设计无法达到像普通光学设计那样，可以使用能求出任意面形、传递函 数及系统像差的通用软件来达到设计目的。二元光学元件要成为通用的标准光学 元件而得到广泛的应用，必须发展其设计工具，才能与常规光学结合，形成一代 崭新的光学系统。 3 本文研究的意义和主要内容 3 1 研究意义 随着m e m s 技术的发展，与之紧密相关的微细加工技术也面临着更严峻 的挑战。飞秒双光子微细加工技术优异的特性已越来越明显地表现出来：可选 材料的多元性和功能性；亚微米级的加工分辨能力和任意三维结构的加工能力； 工艺上便于附加其它工艺来实现对不同要求的微结构进行成型等优点。将其应用 于微细加工领域，使其在微器件的设计、制作等研究领域发挥其独特优势，对促 进微机电系统的研究有着重要意义。 但是，传统的单光束飞秒激光双光子微细加工技术每次只能加工一个微结 构，需要十几分钟甚至更长的时间。对于重视效率的现代产业来说，飞秒激光微 细加工技术还远远达不到产业化的要求。随着串行加工工艺日趋成熟，并行加工 成为该技术发展的瓶颈，同时也是研究者关注的焦点。因此，提高加工效率是促 进这项技术获得更快更好发展的必要条件。 3 2 主要研究内容 本文的主要研究任务是国家自然科学基金项目“飞秒激光功能微部件加工技 术研究”( n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) 的部分内容。围绕双光子三维微细加工技术的效率问 9 中国科学技术大学硕士学位论文 题，进行相关光学元件的自主设计以及对加工系统的改进。主要的研究内容有： 1 采用效率较高的微透镜阵列多焦点聚焦的方法，设计并d n - r _ 了用于双光 子激光分束实现并行加工的二元光学微透镜阵列，测试了其光学性能。 并成功用于自主搭建的双光子三维微细加工系统，初步实现二维并行加 工，为实现并行加工奠定了基础。 2 设计用于高斯光束匀化整形的二元光学元件。模拟其整形效果及衍射效 。率。为更好的利用激光能量，提高并行加工质量，奠定了基础。 中国科学技术大学硕= 匕学位论文 第二章基本原理 双光子三维微细加工技术是一项集超快激光技术、c a d c a m 技术、光化学 材料技术、超高精度定位技术和其它相关技术于一体的新型微细加工方法。从 9 0 年代初发展至今，该技术尚处在不断完善不断发展的过程中。利用双光子激 发诱导光敏材料发生聚合反应，再利用显影液将未曝光的部分溶解掉，只留下经 过曝光的结构，最终实现微器件的三维成型。因此，双光子诱导材料发生显著的 光化学反应是飞秒激光双光子微细加工实现的技术基础。 1 光化学基本原理 光化学主要是研究处于电子激发态的原子、分子的结构及其物理化学性质的 科学。在双光子微细加工技术中，飞秒激光与被加工材料在物镜焦点的局域空间 内发生强烈的相互作用，而光化学反应在这些过程中占主体地位。 1 1 材料激发态的产生 光化学中的电子激发态是指将一个电子由低能轨道跃迁到高能轨道所形成 的状态。将分子由基态跃迁到激发态有电离辐射、放电、化学激活等很多种方法， 但是在光化学中，最常见的方式是分子通过吸收光子能量跃迁到激发态。分子要 跃迁到激发态，首先要吸收足够的激发能量，另外还需要通过选择定则判断处于 特定状态下的电子所发生的跃迁是否被允许。一定类型的电子跃迁是否允许是由 跃迁过程中电子的自旋状态的变化、分子的动量和几何形状变化与否、描述分子 轨道的波函数的对称性以及轨道空间的重叠程度来决定的【4 引。 以羰基( = c = o ) 化合物为例描述激发态的产生。碳原子和氧原子之间的化学 键由一个对称的6 键和一个反对称的兀键组成，每个轨道包含两个电子。处在基 态的氧原子有两个被填满的原子轨道未参与成键，同时该基团还存在兀空轨道和 6 反键轨道。计算该体系的相重数或阶m 为【5 0 j ： m = 2x ( 自) 睫态总和) + l ( 2 1 ) 当m = l 时，称该分子处于单线态，用符号s o 表示。由于羰基碳原子与其他基团 电子体系的相互作用时，分子轨道之间的能量区可能发生畸变，这种畸变取决于 羰基碳原子上的取代基和这些取代基的：l = - i b 歹t j n 序，这一点对于光敏材料来讲尤为 重要，由于这个特性，可以很方便的通过优化光引发剂中发色团的种类和相互间 的排列顺序来有效地增加材料对光子的吸收截面。当羰基受到光辐照时，如果某 个光子能量或者几个频率光子的能量和等于某对轨道间的能量差，而且这对轨道 中能量高的是空轨道，能量低的被电子占据，那么低能轨道中的一个电子就可能 会吸收光子而进入空的高能轨道。根据选择定则，在羰基中最有可能发生的跃迁 中国科学技术大学硕士学位沦文 一 伺：n o 兀戥n 专6 ； 6 j 兀；6 6o 电子从一个轨道向另一轨道跃迁时，自旋态通常保持不变，相重数m 仍旧为 1 。这种单线态，称为第一激发态，用符号s l 表示。实际的光化学反应一般伴随 着多个跃迁过程的同时发生，但它们发生的概率会存在一定的差异，这不仅取决 于基团中轨道的分布情况，同时还与外部的激发条件紧密相关。 羰基部分单线激发态的衰变非常快，这使得未成对电子没有足够的时间发生 化学作用。这种情况下，激发态电子还可以通过“系间窜越”这样一种量子过程 达到另一种状态。在这种跃迁过程中，电子将改变其自旋态，这时态的相重数为 2 ( 1 2 + 1 2 ) + 1 - 3 ，称为三线态，用符号t l 表示。三线态的寿命比单线态要长 的多( 一般为1 0 q s ) 【5 ，这一特点使处于这种状态的粒子与周围粒子发生碰撞成为 可能，最终可能实现粒子间的光致电子、能量转移。 处于激发态的电子回到基态可通过多种途径，具体有：( 1 ) 重新发射能量小 于或者等于激发时所吸收的能量的荧光光子；( 2 ) 激发态电子把部分或全部激发 能转换成局部化学键的振动，不经发射或只发射低能辐射回到基态。 1 2 有机光聚合材料的固化原理 目前，飞秒激光双光子光成型技术加工三维微器件主要是利用有机材料的光 聚合。有机光聚合材料可以根据加工系统的要求进行分子结构设计和材料搀杂处 理，同时它还可以实现从可见区到红外区的荧光发射，这些都为器件的成型和功 能器件的制作提供了良好的条件。此外，与金属或其它无机材料相比，大多数有 机光聚合材料导热性相对较差，加工过程中的热量扩散影响很小。 人们目前所发现的光聚合反应本质上来说基本都属于由活性基团( 活性自由 基和离子) 引发聚合链的增长的链式聚合反应。从光解机理来区分，有机光聚合 材料主要分为自由基类光聚合材料和阳离子类光聚合材料。这两种材料除了激发 光引发剂产生活性基团的方式不同外，聚合链的增长和链的终止都是相同的。 在光成型技术中应用的最为广泛是自由基类光聚合材料。这种材料通常以单 体或低聚物为基础( 常用含量4 0 州) ，加入光引发剂( 常用含量1 0 w t ) 、特定 的活性稀释和其它一些添加剂。除了少数的聚合单体可以通过直接光解机理引发 体系聚合外，对于大多数单体，必须通过光引发剂或光敏剂才能引发光聚合。在 光成型过程中，光引发剂首先吸收辐射能量，跃迁至某一激发态，若该激发态的 能量大于断裂化学键所需要的能量，就会引发化学键的断裂，从而产生活性自由 基。具有活性的自由基进而与体系中的单体或低聚物反应，生成自由基中间体。 随着聚合链的加长，材料的分子量也迅速增加，当具有不同极性的反应链相遇时， 聚合反应随之终止。经过激发的材料在显影液中的溶解度与激发前相比将大大下 降，表现为固态析出，最终实现成型。光敏剂的作用机理与引发剂不同，它在自 1 2 中国科学技术大学硕士学位沦文 由基的产生过程中起能量转移的作用。在吸收光能并跃迁到某一激发态后，通过 分子间或分子内的能量转移，将激发能传递给引发剂( 或单体) ，使后者经激发后 产生活性自由基，之后的反应过程与采用光引发剂时完全相同【52 l 。 光聚合与其它材料固化技术相比有诸多良好的特性。光聚合反应所需要的活 化能低，可以在较大的温度范围内进行，与化学引发聚合相比更适于在低温下进 行聚合。光聚合链反应吸收一个( 或几个) 光子的能量导致大量单体分子聚合成为 大分子的高聚物，从这方面上讲，这是一种量子效率很高的反应形式。另外，光 聚合反应实现装置简单，聚合材料的性能，也可以通过调整加工材料的配方进行 改善，应用起来十分方便。 常见的光聚合树脂有不饱和聚酯、丙烯酸酯光固化树脂和超支化聚合物。这 些材料各有其优缺点，目前在光固化领域中最常用的是第一种。丙烯酸酯光固化 树脂成本较高，超支化聚合物出现较晚，还未得到充分研究，距离真正实现大规 模应用和工业化生产还有一定距离。 2 双光子激发及双光子三维微细加工原理 在电场的作用下，介质会发生极化。光是一种电磁波，当其通过介质时，介 质也会发生极化。在通常情况下，介质的极化强度与电场强度呈线性关系。但是， 当激发能量非常高时，极化强度与电场的关系为非线性。在各向同性的介质中， 极化强度p 与电场强度e 方向相同，极化强度可表示为： 尸( e ) = c o ( 庐+ z 2 e 2 + z 3 e3 + ) ( 2 2 ) 式中o 表示真空电容率，x 是通常的线性极化率，而x 2 与艽3 分别表示二阶和三 阶非线性极化率。由量子力学的相关理论可知【54 1 ，上式中所表示的非线性项和 线性项的比值： 1 ，f 2 f 坐二 ( 2 3 ) x e e 啄子 其中e 原子表示原子内部的平均场强，一般为lo 伏特米量级。普通光源所发 出的光，其电场强度e 约为1 0 伏特米量级，远小于e 原子。因此，在激光光源出现 以前，非线性光学现象，表现得极不明显。 双光子激发是一种重要的光学非线性现象，激光技术，特别是超快脉冲激光 的出现极大地推动了非线性光学技术的发展。双光子激发以及由此引发的光化 学、光物理变化已经广泛地应用到生物技术( 双光子共焦显微镜，单分子探测、 活性细胞荧光分析) ，三维信息存储，三维微细加工技术和光学限幅技术等方面。 2 1 双光子激发原理及技术特点 与第一台激光器的问世仅相隔一年，w k a i s e r 着e l c g bg a r r e t t 便在实验中首先 中国科学技术大学硕士学位论文 观察到双光子激发现象的存在【5 3 】。在双光子激发过程中，一个电子吸收了两个 光子的能量来完成从基态到激发态的跃迁。 2 1 1 双光子激发形式 从激发形式来看，双光子激发可以分为以下几种： 1 相干激励分子体系同时吸收两个光子的能量而被共振激励到较高的电子 束缚态( 或电离态及预解离态) 。在双光子激发过程中，分子体系所吸收的能 量h v l + h v 2 应与单光子激发过程中分子体系吸收的能量h y m n 等。如图2 1 ( a ) 所。 示，尽管能级li 在电子跃迁的过程中并不真实存在，电子的激发仍可以完 成。h v l 和h v 2 这两个光子的能量可以相同也可以不同。能级li 为一种假设的 能级，在理论上，为了便于分析，通常将其视作寿命仅为几个飞秒的能级。 2 非相干激励双光子非相干激励的示意图如图2 1 ( b ) 表示。在这种激发过程 中，每个单独的光子作用在物质上都不会诱导形成激发态分子，只有在两个 光子的共同作用下，激发电子通过两次激励逐步跃迁到较高的能级，因此图 中的中间能级lm 是个真实存在的激发态形式。由于能态lm 自发辐射的 寿命( 可达1 0 。1 3 s ) 远大于虚能态li 的寿命，因此在忽略其它影响因素的情况 下，这种形式的双光子激发几率比相干激励高。 3 混合激励在图2 1 ( c ) 所示的混合激励示意图中，被激发的电子首先吸收一 个光子能量跃迁到中间能级im ，能级lm 的激发态是真实存在的，但是由 于该能级的分子体系并不满足特定的性能要求，必须经历系间窜跃( 或内转换) 后达到li ，随后进一步吸收一个光子能量跃迁至最终能级lf ，才能达到满 足性能要求的光化学反应的目的。如在光致聚合光化学反应中，只有最终态 才具有产生活性自由基或色变而产生光聚合反应的能力。因此，从总体上讲 也可以将这种激发过程包括到双光子激发的形式中。 一 r l h v 2 h v 。l h v l 一p 、 l l i ， h v 2 l i 一 m 一l 1 1 1 ，。 一l h v l h v l h v i 仃、l ，t b 非相干激励c 混合激励 图2 1 各种双光子激发形式的示意图 i