（机械制造及其自动化专业论文）飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究.pdf

j 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：雾嘞 驯年6 只气e t 指剥嗽：名石墨 a 年5 其( 日 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 t h ea b l a t i o na n dm i c r o m a c h i n i n gs t u d i e so nm e t a l l i ca n d s e m i c o n d u c t i n gf i l m sb yf e m t o s e c o n dl a s e r 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 飞砂激光微加工具有热影响区小和加工精度高的特点，在激光微加工领域具 有潜在的应用价值。本论文采用飞秒激光微加工系统，开展了飞秒激光烧蚀与微 加工金j 禹和半导体薄膜的实验研究。全文的主要研究内容与结论如下： ( 1 ) 总结了飞秒激光烧蚀金属材料的一般物理过程与物理机制；系统地讨论 了目前研究飞秒激光烧蚀金属材料常用的双温模型与分子动力学模拟方法。介绍 了飞秒激光与半导体材料光学损伤的过程和机制，并概括说明了半导体材料的光 学强度和激光损伤阈值( l i d t ) 。最后揭示了激光与材料作用的两种机制一电离机 制和烧蚀机制的概念。 ( 2 ：开展了飞秒激光对a g 膜烧蚀和微加工过程的实验研究。进行了不同脉冲 能量和不同脉冲个数下烧蚀点形貌特征的研究。采用扫描电镜( s e m ) 观测其表面烧 蚀形貌，发现烧蚀点大致分为三个区域，烧蚀面积随着脉冲能量和脉冲个数的增 大而增大，但当脉冲数达到一定值后烧蚀面积变化不大。改变脉冲数在烧蚀点得 到了周期为6 5 0 n m 和1 5 0 r i m 的长短周期条纹结构。根据烧蚀区域面积与脉冲能量 的关系算出单脉冲与多脉冲的烧蚀阈值，a g 膜的单脉冲烧蚀阈值为o 1 8 9 j c m 2 。 通过烧蚀点的累计能量和激光脉冲个数计算出a g 膜的多脉冲累计因子s = 0 7 8 5 。 接下来研究了脉冲能量和扫描速度参数对划线质量的影响。实验表明线宽随着脉 冲能量的增加基本呈线性增加趋势，一开始随着扫描速度增大而减少的很快，等 达到一定数值以后开始趋于平缓。为了获得高质量的划线加工，通常根据需要选 取合适的飞秒激光参数。 ( 3 ) 开展了飞秒激光对i t o 薄膜烧蚀和微加工过程的实验研究。研究了不同 参数下磁控溅射制备出的i t o 薄膜的光电性能，选取最优参数制备出2 0 0 h i l l 厚的 i t o 薄膜。并在两种不同的数值孔径下分析了i t o 的单脉冲烧蚀阈值，计算求出 阈值分别为0 6 8 j c m 2 ，0 8 1 j e r a 2 。然后进行了脉冲能量和脉冲个数对划线形貌与 特征参数影响的研究。采用原子力显微镜( a f m ) 进行表征，分析了烧蚀深度和宽 度的变化，并使用扫描电镜观测其表面形貌，烧蚀区域从一些连续的激光光斑变 成一条直线。要得到良好的烧蚀沟槽的形状，则采用8 0 0 n j 时脉冲个数需要大于 1 6 。 关键词：飞秒激光、微加工、薄膜、烧蚀阈值 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o m a c h i n i n gh a sm a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sd u et oi t s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl i m i t e dh e a t - a f f e c t e dz o n ea n dm o r ep r e c i s i o nm a c h i n i n g u s i n gt h e 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 gs y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s o f f e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i n ga n dm i c r o m a c h i n i n gm e t a l l i ca n ds e m i c o n d u c t i n gt h i n f i l l m sw e r ep e r f o r m e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eg e n e r a lp h y s i c a lp r o c e s s e sa n dm e c h a n i s m so ff e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i n g m e t a l l i cm a t e r i a l si nt h e p r e v i o u sw o r k sw e r es u m m a r i z e d t h e m e t h o do ft h e 、t w o t e m p e r a t u r em o d e la n dt h em o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nc o m m o n l yu s e di nt h e p r e s e n tr e s e a r c ho ff e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i n gm e t a l l i cm a t e r i a l sw e r es y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e d t h ep r o c e s sa n dm e c h a n i s mo ft h ef e m t o s e c o n dl a s e ro p t i c a ld a m a g et ot h e s e m i c o n d u c t i n gm a t e r i a l sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h eo p t i c a ls t r e n g t ha n dl a s e r - i n d u c e d d a m a g et h r e s h o l dv a l u e ( l i d t ) w e r eg e n e r a l l ye x p l a i n e d a tl a s t t w ok i n do f m e c h a n i s m sa b o u tl a s e ri r r a d i a t i n gm a t e r i a lw e r ei n t r o d u c e d ，t h ec o n c e p to fi o n i z a t i o n m e c h a n i s ma n da b l a t i o nm e c h a n i s m ( 2 ) t h ep r o c e s s e so ff e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i n ga n dm i c r o m a c h i n i n ga gf i l m s w e r ei n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t s t h em o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so fa b l a t i o nd o t sa t d i f f e r e n tp u l s ee n e r g ya n dp u l s en u m b e rw e r es t u d i e d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e w a s a p p l i e dt oo b s e r v et h ea b l a t i o nm o r p h o l o g yo fs u r f a c e i ts h o w st h ea b l a t i o nd o tc a n b er o u g h l yd i v i d e di n t ot h r e er e g i o n s ，a b l a t i o na r e ai n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp u l s e e n e r g ya n dp u l s en u m b e r ，b u tt h ea b l a t i o na r e ah a sl i t t l ec h a n g ea f t e rt h ep u l s en u m b e r r e a c h e sac e r t a i nv a l u e p e r i o d i cs t r i p e ds t r u c t u r e sw i t hp e r i o do f6 5 0 r i ma n d1 5 0 n m w e r ep r o d u c e da tt h ea b l a t i o nd o t sw i t ht h ec h a n g eo fp u l s en u m b e r t h ea b l a t i o n t h r e s h o l d sf o rs i n g l ep u l s ea n dm u l t i p u l s ec a nb eo b t a i n e df r o mt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ea b l a t e da r e aa n dt h ep u l s ee n e r g y t h ea b l a t i o nt h r e s h o l do fa gf i l mf o r s i n g l ep u l s ei s0 1 8 9 j c m 2 f r o mt h ep l o t so fa c c u m u l a t e dl a s e rf l u e n c ea n dt h en u m b e r o fl a s e r p u l s e s ，m u l t i p u l s ei n c u b a t i o nc o e f f i c i e n to fa gt h i nf i l mw a so b t a i n e d ， s - - - 0 7 8 5 t h e nt h ei n f l u e n c eo ft h ep u l s ee n e r g ya n dt h es c a n n i n gs p e e dt ot h el i n e a t i o n i i i 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 q u a l i t yw a si n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t sc a ns h o wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h el i n ew i d t h b a s i c a l l yi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ep u l s ee n e r g ya tl i n e a ri n c r e a s i n gt e n d e n c y ，r e d u c e s v e r yq u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es c a n n i n gs p e e d ，s t a r tt h ef l a t t e no u ta f t e rt h e s c a n n i n gs p e e dr e a c h e sac e r t a i nv a l u e i no r d e rt o o b t a i nt h eh i 曲q u a l i t yo ft h e l i n e a t i o n ，w es h o u l du s u a l l ys e l e c tt h ef i tp a r a m e t e r so ff e m t o s e c o n dl a s e ra c c o r d i n gt o o u rn e e d s 0 ) t h ep r o c e s s e so ff e m t o s e c o n dl a s e ra b l a t i n ga n dm i c r o m a c h i n i n gi t of i l m s w e r ei n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t s t h e no p t o e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fi t of i l m sp r e p a r e d b ym a g n e t r o ns p u t t e r i n ga t d i f f e r e n tp a r a m e t e r sw e r es t u d i e d w ec h o s et h eb e s t p a r a m e t e rt op r e p a r et h e1 t of i l mo f2 0 0 n m t h ea b l a t i o nt h r e s h o l do fi t of i l mf o r s i n g l ep u l s ew a sa n a l y s e db yt w od i f f e r e n tn u m e r i ca l l o w s ，w e r ec a l c u l a t e dt h a t 0 6 8 j c m 2 , 0 8 1 j c m 2 t h e nt h ei n f l u e n c eo ft h ep u l s ee n e r g ya n dp u l s en u m b e rt ot h e l i n e a t i o ni n o r p h o l o g i e sa n df e a t u r ep a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p ew a sa p p l i e dt ot o k e n t h ec h a n g e so ft h ea b l a t i o nd e p t ha n dw i d t hw e r e s t u d i e d a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ew a sa p p l i e dt oo b s e r v et h em o r p h o l o g yo f t h es u r f a c e ，t h ea b l a t i o na r e ac h a n g e df r o ms o m ec o n t i n u o u sl i g h ts p o t st oas t r a i g h t l i n e i fw ew a n tt og e ta g o o ds h a p eo fa b l a t i o nt r e n c h ，t h ep u l s en u m b e rs h o u l db em o r e t h a n1 6b y8 0 0 n j 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 h i nf i l m ，a b l a t i o nt h r e s h o l d i v 江苏大学硕士学位论文 l 绪 目录 1 1 飞秒激光技术1 1 1 1 飞秒激光技术的发展1 1 1 2 飞秒激光技术的特点和应用4 1 2 飞秒激光微加工的现状和进展6 1 3飞秒激光加工的影响因素1 2 1 4 论文的选题依据和主要工作安排1 4 2 飞秒激光与物质的相互作用】【6 2 1飞秒激光与金属的相互作用1 6 2 1 1 飞秒激光烧蚀金属的基本物理过程1 6 2 1 2 飞秒激光烧蚀材料过程的热机制与非热机制及其转换。1 8 2 1 3 飞秒激光与金属相互作用的理论模型1 8 2 2飞秒激光与半导体的相互作用2 3 2 2 1 半导体材料的光学强度2 3 2 2 2 激光损伤阈值( l i d t ) 2 4 2 2 3 半导体材料光学损伤的机制与过程2 5 2 3 激光加工机制2 7 2 3 1 电离机制2 7 2 3 2 烧蚀机制。2 7 2 4 本章小结2 8 3 飞秒激光烧蚀和微加工a g 膜的研究。 2 9 3 1 实验装备和方法2 9 3 1 1 a g 膜的制备2 9 3 1 2 飞秒激光加工系统3 0 3 2 实验结果与讨论3 0 3 2 1 a g 膜表面打点形貌。3 0 3 2 2a 窖膜烧蚀阈值的测量3 3 3 2 3 多脉冲累计效应3 6 3 2 4 a g 膜上划线形貌及分析3 7 3 3 本章小结4 0 4 飞秒激光烧蚀和微加工i t o 薄膜的研究 v 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 4 1i t o 透明导电薄膜的结构、性能及应用4 1 4 2r io 薄膜的制备4 3 4 2 1 实验装备和方法。4 3 4 2 2 实验结果与讨论4 4 4 3i t o 薄膜上烧蚀和微加工的研究。4 6 4 3 1 飞秒激光加工系统4 6 4 3 2 飞秒激光烧蚀i t o 薄膜的烧蚀阈值分析4 7 4 3 3 飞秒激光烧蚀i t o 薄膜的形貌特征分析4 8 4 4 本章小结4 9 5 总结和展望。 5 1 5 1 总结5 1 5 2 展望5 2 参考文献。 致谢! ；9 攻读硕士学位期间所发表论文。砷 江苏大学硕士学位论文 1绪论 激光( l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ，l a s e r ) 作为一 种特殊的光源，实现了在时间和空间上将能量相对高度集中地传播。近来，随着激 光技术的不断发展，激光器的性能也得到了不断的改进：波长实现了从远红外线到 x 射线的全波段调谐；输出功率已经升至数千瓦；脉冲的持续时间也获得了从纳 秒( n s ) 、皮秒o s ) 到飞秒( f s ) 的发展。1 9 6 0 年自第一台红宝石激光器【1 】问世以来，人 们就开始研究激光与物质的相互作用。经过4 0 多年的发展，各种激光器随着不同 的需求应运而生并被广泛应用于工业领域和医疗领域等【2 】。 当今飞秒激光与物质相互作用的领域包括高技术的超快激光微细加工。飞秒 激光的自身优越特性和一些极端条件的创造，使其在材料加工方面也拥有了独特“ 的优势。2 0 世纪9 0 年代，随着飞秒钛宝石激光器的研制成功，飞秒激光器逐渐 应用到加工领域，与准分子激光器相比，飞秒激光不但能够在表面进行微加工， 还能在透明材料的体内进行微加工，而且加工精度不低于准分子激光；与传统的 c 0 2 激光器和y a g 激光器相比，飞秒激光加工产生的热影响区域非常小，能够得 到更高的加工精度。飞秒激光加工机理与以往的长脉冲激光加工不同，它能够以 飞快的速度将其全部能量注入到很小的区域，瞬间内产生的高能量密度沉积将使 电子的吸收和运动方式发生变化，可以避免激光线性吸收、能量转移和扩散过程 等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的机制，使其加工方式成为 具有超高精度、超高空间分辨率和超高广泛性的“冷处理过程。 飞秒激光微细加工的机理与工艺研究正在进行中，由于飞秒激光烧蚀材料的 过程是受激光参数、材料特性与加工工艺等许多因素影响的复杂物理与化学过程， 因而无论是飞秒激光与材料相互作用的机理研究，还是飞秒激光烧蚀材料的实验 研究都需要进行大量的研究工作。与此同时，超快激光技术也在不断进展，飞秒 激光微加工也正是随着超快激光技术的发展而发展的。 1 1飞秒激光技术 1 1 1 飞秒激光技术的发展 自从实现了红宝石激光器的脉冲激光振荡以来，激光的短脉冲化开始作为基 础物理的一个研究领域得到发展。通过引进锁模和q 开关等新的技术并利用宽增 益带宽的染料激光器的锁模振荡【3 】，使激光脉冲宽度发展到飞秒( f s ) 的领域。1 9 7 6 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 年，人们首次在染料激光器中实现了飞秒激光脉冲的输出 4 1 ，自此飞秒激光技术 获得了飞速发展，1 9 8 2 年美国贝尔实验室的f o r k 5 】等人首次运用了碰撞脉冲锁模 ( c o l l i d i n gp u l s em o d e 1 0 c k i n g 简称c p m 技术) ，在环形染料的激光器中获得了9 0 f s 的光脉冲，到1 9 8 6 年美国贝尔实验室的v a l d m a n i s l 6 1 等人在激光腔内引入了可补 偿腔内群速弥散的四棱镜结构，从而得到了2 7 f s 的光脉冲。 2 0 世纪8 0 年代出现了以掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 晶体为代表的多种优良性 能的固体激光晶体，为飞秒激光器的固体化和实用化奠定了基础。在八十年代后 期，钛宝石作为增益介质开始在产生超短脉冲的研究中发挥了重大作用。这种晶 体具有优良的物理性质，它有非常宽的发射带宽( 大约6 5 0 n m - - 一1 2 0 0 n m ) ，增益 带宽的半宽度( f 、阳m ) 达到2 3 0 r i m 左右，从理论上可以支持3 f s 的脉冲，其饱 和通量为0 9 j c m 2 ，热导率在3 0 0 k 时为4 6 w m k ，损伤阈值大于5 j c m 2 以及具 有比较大的增益截面( 约3 x 1 0 0 9 c n l 2 ) 等。另一方面，激光锁模技术也取得了突 飞猛进的发展。1 9 8 9 年底，美国麻省理工大学的一个研究小组运用附加脉冲锁模 ( a d d i t i v ep u l s em o d e 1 0 c k i n g , 简称a p m ) 技术从钛蓝宝石激光器中输出了2 0 0 f s 的脉冲激光川；1 9 9 1 年日本的s a r u k u r a 等人通过在钛宝石腔内插入慢可饱和吸收 体染料的方法获得了更短的脉冲 8 】；同时人们也在钛宝石激光器中成功运用了主 动锁模、被动锁模、相加脉冲锁模、同步泵浦锁模等各种锁模技术，实现了飞秒 的短脉冲。掺钛蓝宝石激光器的快速发展和广泛应用主要归功于克尔透镜锁模技 术的出现。 1 9 9 0 年s p e n c e 等人通过掺钛蓝宝石结合克尔透镜被动锁模( k e r rl e n s m o d e 1 0 c k i n g ，k l m ) 成功获得了6 0 f s 的短脉冲【9 】。由于克尔透镜产生的“非共振 i ：j 饱和吸收体的内在带宽比目前任何其他的都更宽，从而使得脉宽能够缩短至几 个飞秒，并且首次可以使少于1 0 0 f s 脉冲的宽带可调谐。与染料激光器相比，钛 ：，i 石激光器不但脉冲窄，功率高，而且结构简单，工作稳定，调节方便，很快替 ，了染料激光器成为超快现象研究的主要工具。克尔透镜锁模理论认为，激光晶 体的克尔非线性效应使激光束产生自聚焦的现象，与激光腔内的光阑组合类似等 价于一个超快饱和吸收体的自振幅调制器。同时，采用激光腔内的棱镜对引入净 负色散，补偿腔内其他器件带来的色散，使得腔内多个纵模之间的相位锁定，从 i 仃实现了锁模，获得脉宽窄的超短脉冲。也正是发现这一锁模机制，使得钛宝石 2 江苏大学硕士学位论文 飞秒脉冲激光器输出的脉冲宽度在短短几年内迅速的减少。匈牙利固体物理研究 所的r s z i p o c s 建议以色散反射镜来补偿色散，因为色散反射镜的色散是可以根 据腔内的色散设计的，双方于1 9 9 5 年在钛宝石激光署 中直接输出了8f s 脉冲【1 0 l 。 1 9 9 7 年，m n i s o l i 等人采用小顶角双石英棱镜对来取代布儒斯特角棱镜，并与啁 啾棱镜相结合，获得了4 5 f s 的脉冲【1 1 】。1 9 9 9 年，h a h a u s 等人采用低色散棱镜 对和一对啁啾棱镜，直接在自锁模钛宝石激光器中输出小于两个光学周期的飞秒 脉冲【1 2 1 。同年，t b e d d a r d 等人由激光器中直接输出了峰值功率高达1 m w ，平均 功率高达1 5 w ，重复频率1 1 0 m h z 的激光脉冲【1 3 】。 可以说克尔透镜锁模的发现大大推进了超短脉冲激光技术的发展，并使得超 。 短脉冲激光器向着小型化，实用化迈进，但其本身乜存在着自启动的困难和对外 界扰动十分敏感的缺点，这样使得锁模飞秒激光器对工作环境要求很高，传统启 动克尔透镜锁模的方法是加入一个外界的微扰。半导体可饱和吸收反射镜【体1 6 】 ( s e s 蝴) 的发展使得克尔透镜锁模激光器可以自启动，典型的s e s a m 工作在 入射脉冲功率约为饱和功率的3 至5 倍，这种饱和程度提供接近最大值的调制深 度而不损伤其器件旧。高饱和度也可降低q 开关的不稳定性，这是因为在飞秒脉 冲下热效应和双光子吸收相对更为重要，s e s a m 的恢复时间为最后脉宽的1 0 至 3 0 倍旧。半导体可饱和吸收固态激光器的成功是由于其小饱和通量和腔镜装置一 体化的综合优势，精密带隙、缺陷工程和外延w a f e r s c a l e 制造，从而大大降低了 其生产成本。脉冲全固态激光器在k l m 与s e s a m 的基础上得到了迅速发展。 随着强场物理、激光受控核聚变、半导体载流子的动力学过程等研究和应用 要求飞秒脉冲峰值功率不断提高，从而人们需要进行振荡级输出的飞秒脉冲放大。 但由于高能量的光束在介质中非线性的影响会产生自聚焦，这样致使激光的工作 物质受到破坏。为了解决这个问题，1 9 8 5 年美国密执安大学的g ：m o u r o u 教授【1 8 】 提出啁啾脉冲放大( c p a ) 技术，即将雷达传送中的啁啾脉冲技术应用到光脉冲的 放大。啁啾脉冲是指电磁场的频率随着时间变化的脉冲。在啁啾脉冲放大的技术 中，对飞秒振荡器的输出脉冲提供正啁啾，将脉冲宽度从几百皮秒到纳秒之后再 放大然后在获得充分能量放大后对光脉冲提供负啁啾，从而压缩脉宽。c p a 技 术可实现高能量和小脉宽的单脉冲，现在飞秒脉冲峰值功率可达到太瓦( 1 0 1 2 聊， 甚至到拍瓦( 1 0 1 5 w ) ，聚焦强度可超过1 0 a h w c m 2 。c p a 的短脉冲化几乎都可以用 3 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 钛宝石激光器来实现，具体的脉冲放大原理图如图1 - 1 所示。1 9 9 6 年，美国利弗 莫尔国家实验室【1 9 l 研制出的激光器已有p w 级，将以往的脉冲峰值功率提高了一 个数量级，该激光器的峰值功率为1 2 5 p w ，压缩后能量可达到5 8 0 j ，脉冲宽度 为4 9 0 f s 。该仪器可用于惯性约束聚变的快速点火实验，还可以用来产生高能x 射线和用于核物理物理实验。 上s c e a 薯飞 _ _ _ 瞳盈匿婴娩- ： 飞咖岖 图1 - 1 啁啾脉冲放大示意图 f i g 1 - 1t h es k e t c ho fc h i r p e d - p u l s ea m p l i f i c a t i o n 近年来，在飞秒激光技术的发展中，飞秒光纤激光器的发展也得到越来越多 的关注【扯2 2 】，可能为超快激光与物质相互作用的研究提供一种运行更稳定、结构 更紧凑、操作维护更简便的技术。 1 1 2 飞秒激光技术的特点和应用 飞秒激光脉冲因为脉宽窄，提供了极高的时间分辨率。在飞秒激光产生之前， 受光电响应时间的限制，物理学领域一直无法突破超快过程的研究极限；对于分 子动力学甚至更复杂的化学反应动力学过程的研究同样困难重重。飞秒激光则恰 好提供了极高的时间分辨率的光探针，a h z e w a i l 因其在该领域的杰出的工作而获 得了1 9 9 9 年的诺贝尔化学奖。 极高的峰值功率则是飞秒激光的另一个特点。由于飞秒激光的脉宽极短，以 4 ，t 江苏大学硕士学位论丈 相对较低的脉冲能量，飞秒激光就很容易获得极高的峰值功率，例如，脉宽为l o o f s 的激光脉冲聚焦成直径为2 0 l x m 的光斑时，只需要0 3 1 4 r r d 单脉冲能量就可以达到 1 0 1 5 w c m 2 的峰值强度，而脉宽为l o n s 的激光脉冲要达到同样的峰值强度却需要 3 1 4 j 的单脉冲能量，两者相差大概1 0 5 倍。在如此高的峰值功率下，激光脉冲所产 生的电场强度要比氢原子束缚其核外电子的库伦场强还要高，因此，飞秒脉冲可 以很容易地将原子中的电子剥离出来。 由于飞秒激光极高的峰值功率，当飞秒激光聚焦在材料上时，材料可以瞬间 完成电离，生成等离子体，最后直接气化，以此获得长脉冲激光所无法达到的加 工精度。飞秒激光技术的这些特点应用在许多领域中并引发了广泛而深入的变革。 在物理学领域中，利用飞秒激光所产生的极高强度的电磁场能够产生相对论 中子，同样也能直接对原子和分子产生作用。当飞秒激光与水相互作用时，可以使 氢的同位素氘发生核聚变反应，从而产生巨大的能量。在台式核聚变激光装置上， 用飞秒激光脉冲照射氘一氚分子团引发核聚变反应，可以产生大量的中子。利用飞 秒激光控制核聚变反应，这样就可以获得可控的核聚变能源。这一新型技术有可能 以后为我们提供新型的无污染能源【矧。在宇宙物理学实验室中，在把太阳内部的 核聚变反应实用化到激光核聚变方面，利用超高强度激光的辐射压力，在燃料靶周 围的等离子体上打洞，在压缩燃料中心，部分会聚超高强度激光脉冲进行核聚变以 快速点火的实验都取得相当惊人的进展。 在生物医学领域中，由于飞秒激光具有极高的峰值功率，在与各种材料相互作 用时往往会导致多光子电离、自聚焦效应等各种非线性效应。飞秒激光与生物组 织的相互作用时间和生物组织的热驰豫时间( 在l s 量级) 相比，显得微不足道，所以 飞秒激光对生物组织作用可以说是是一个“冷”作用过程。对生物组织来说几度 的温度上升就会变成压力波传输到神经细胞产生疼痛感，同时也会对神经细胞造 成热损伤，因此飞秒激光可以实现无痛无热损伤的治疗。在飞秒激光应用于生物 组织的精细切割时，可以通过光谱分析飞秒激光与生物组织作用过程中的等离子 体发光，可以识别出骨质组织和软骨组织，这样可以确定和控制手术治疗过程中所 需要的脉冲能量。这种技术对于神经和脊椎手术非常有意义。而波长范围在 6 3 0 1 0 5 3 n m 的飞秒激光可以对人脑组织实施安全、清洁、高精度的非热性切割手 术【2 4 1 。 5 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 在基因工程领域中，2 0 0 1 年德国的k k o n i g 等通过钛宝石飞秒激光对人类的 d n a 染色体进行了纳米级的操作( 最小切割宽度约1 0 0 n m ) 2 5 】。2 0 0 2 年u t i r l a p u r 和 k k o i n g 雨j 用飞秒激光在癌细胞膜上打出一个可逆性的微孔，使d n a 染色体通过这 个孔进入细胞中，接下来细胞自身的生长封闭了这个孔，从而成功地实现了基因转 移【掬。这种激光技术具有可靠性高、移植效果好等优点，对于移植外源遗传物质进 入各种细胞中具有重要意义。在细胞工程领域中，应用飞秒激光可以在活体细胞内 实现纳米级的手术操作而末伤及到细胞膜。这些飞秒激光的操作技术对基因疗法、 细胞极性、细胞动力学、抗药性以及亚细胞异质结构等方面的研究都具有重要意 义。 在超精细微加工领域中，飞秒激光在透明介质中发生的自聚焦效应可以使激 光光斑小于衍射极限，从而在透明材料内部产生微爆炸现象，形成直径为亚微米 级的立体像素。使用这种方法【2 7 1 ，可以进行高密度的三维光学存储，存储密度可高 达1 0 1 2 b i t s c l i l 3 ，并可以实现快速的数据读、写和随机存取。相邻数据位层之间的串 扰很小，三维存储技术已成为当前海量存储技术发展的一个新的研究方向【捌。光波 导、耦合器、分束器等是集成光学的基本光学组件，在计算机精密控制的加工平台 上，利用飞秒激光可以在材料内部的任意位置上制作出任意形状的二维、三维的 光波导、耦合器、分束器等光学器件，并能和标准光纤耦合【2 9 3 1 1 。 飞秒激光的超快时间分辨率与极高峰值功率特性而形成的“冷”加工特点使 得其在微电子、微光学、微光机电系统等高技术领域的应用中越来越受到关注。 随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光微加工技术从烧蚀机理到微加工工艺等各方 面也在飞速的发展。 1 2 飞秒激光微加工的现状和进展 自从飞秒激光开始应用于材料加工以来，由于其独特的加工优势越来越受到 关注【3 2 1 。2 0 0 3 年，r i z v i n h 总结了飞秒激光微加工金属、玻璃、金刚石、各种 聚合物、瓷器等材料的进展情况，从各方面证实飞秒激光是一种理想的微加工光 源【3 3 】。下面就从不同种类的加工对象来回顾一下飞秒激光微加工实验研究的现状 和进展： ( 1 ) 半导体材料 1 9 9 8 年哈佛大学的m a z u r 研究小组【3 4 】在s f 6 气体环境下利用飞秒激光来刻蚀 6 江苏大学硕士学位论文 硅，肉日艮看上去硅单晶表面原本有灰色光泽，而在加工区域却变成了黑色，侄扫 描电子显微镜下观察发现表面出现呈准规则排列的微米级的尖峰结构，如图1 2 所示。这种具有新型表面微观结构的硅单晶称之为“黑硅 ，它具有独特的光电性 质，比如：几乎可以全部吸收从2 5 0 n m 到2 5 0 0 n m 波段的光【3 5 】；并有良好的场致 发射特性等。由于“黑硅 的独特性质，使其在微电子、光通信、遥感等领域中 具有潜在的巨大应用价值，如可以制备出高效的太阳能电池、性能优良的硅红外 探测器等。 图卜2 “黑硅”表面形态和吸收曲线 f i g 1 2t h es u r f a c em o r p h o l o g ya n da b s o r p f i o nc u i v co f “b l a c ks i h e o n ” 图1 - 3 飞秒激光加工金刚石薄膜表面的s e m 照片 f i g 1 3t h es e mi m a g eo fm ed i a m o n d f i l mp r e p a r e db yf e m t o s e c o n dl a s e r 通常认为激光照射材料光学表面的能量密度( 或功率密度) 在激光烧蚀阈值附 7 飞秒激光对金属和半导体薄膜的烧蚀与微加工研究 近时，往往会自发地形成周期化的、永久性的表面结构或条纹【3 6 1 ，这种现象称为 激光引起的周期性表面微结构( l i p s s ) 。在激光与材料相互作用时产生的l i p s s 是一种普遍的现象。中国科学技术大学用波长4 0 0 r i m 、脉冲宽度1 0 0 f s 的飞秒激 光在金刚石薄膜表面上加工出的条纹图案如图1 3 所示。 ( 2 ) 聚合物材料 聚合物与高分子材料具有很强的可适应性和热稳定性，因此它们在很多方面 有很重要的应用，某些高分子材料还具有良好的生物相容性和可降解性，在生物 医学领域中是植入体的首选材料，因而聚合物材料的精细微加工具有非常重要的 意义。飞秒激光在微纳加工聚合物材料方面有两种加工机制：双光子聚合( t w o p h o t o p o l y m e r i z a t i o n ) $ 1 j 备三维微纳结构和激光烧蚀微纳加工。飞秒激光双光子( 或 多光子) 聚合微纳制备技术因其双( 多) 光子作用的完全光强依赖性，可以加工 远小于衍射极限的微结构甚至是纳米结构【3 7 删。这种技术的一个标志性成果是 2 0 0 1 年h b s u n 等人利用双光子聚合制备的长l o p m ，高7 p m ，最细微部分的尺 寸为1 2 0 n m 的“纳微米牛巾7 1 ，如图1 _ 4 所示。另一个重要的成果是2 0 0 3 年j s e r b i n 等人研究了飞秒激光双光子聚合诱导无机一有机混合材料，制备出结构尺寸小于 2 0 0 n m ，周期为4 5 0 n m 的三维微结构和光子晶体【3 踟，如图1 - 5 所示。 图1 - 4 利用飞秒激光双光子聚合获得各种姿态的纳米牛 f i g 1 _ 4d i f f e r e n tk i n d so fn a n oc a t t l e sp r e p a r e db yf e m t o s e c o n dl a s e rb a s e do nt h ep f i n d p l eo f t w o p h o t o np o l y m e r i z a t i o n 8 江苏大学硕士学位论文 荔攀 攀绣 菇 毳鬃 耄鬈 蒸毳 蹩鬈 图1 - 5 利用双光子聚合获得的光子晶体结构的原子力显微镜图像 f i g 1 - 5t h ea f mi m a g eo fp h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r ep r e p a r e db yt w o p h o t o np o l y m e r i z a t i o n ( 3 ) 金属材料 对于一般的金属如钢、铝、铜等来说，由于具有高热导性和高熔点温度，因 此对其进行微细加工时在技术上有特殊的要求。飞秒激光极高的时间分辨率与峰 值功率使其避免了热传导效应，因此成为了对这些金属实现高精度微细加工的有 效与可靠的手段。德国汉诺威激光中心的b n c h i c k k o v 研究小组分别对铝、铜、 铁等金属材料进行了微细加工【4 1 】，对比分析了纳秒和飞秒激光条件下的钻孔质 量，加工出的微细孔如图1 - 6 所示。可以看出在不同脉宽条件下加工结果有明显 的不同。纳秒激光加工过程中材料的去除是通过其熔化和蒸发获得，由于气化过 程中的反冲的压力导致了熔融材料向外膨胀，从而造成了环绕在加工位置边缘的 凸起存在，大大降低了加工质量。然而对于飞秒激光加工的金属材料表面却没有 材料熔化的痕迹，孔的边缘也显得较为光滑、清