（材料学专业论文）飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 飞秒激光具备独特的超强与超快特性，其超强特性使我们能以较低的脉冲能 量获得极高的峰值光强，诱发的双光子吸收区局限在焦点核心很小的体积内，控 制焦点的运动可实现高精度三维加工；利用其超快特性，可以在飞秒缴时间分辨 下研究各类超快动力学过程。飞秒激光双光子三维微细3 h q - 和超快检测技术是飞 秒激光研究领域的热点。 根据双光子光聚合原理，从自由基的角度建立了双光子光聚合模型，结合高 斯光束的强度分布函数，推导了横向与轴向分辨率的表达式。建立了包括光源、 显微镜和精密移动轴在内的飞秒激光三维微细加工系统，开发了数控加工软件。 在o r m o c e r 材料内实现了双光予光聚合，最高加工精度达到o7 9 m ，突破 了衍射极限。研究了加工分辨率对加工参数的依赖关系，采用油镜能达到最高分 辨率，线宽随功率增加而增加，随加工速度增加而减小，确定了微细加工系统的 最佳加工参数。对实验结果进行了拟台，确定了波束腰为0 4 1 3 9 m ，双光子吸收 截面为2 1 0 。5 4 c m 4 s 。波束腰展宽和成像精度等因素影响加工分辨率。 采用双光子光聚合技术，制备了线宽o 7 2 9 m 的c h i n a 模型；加工了微米级 的光束分裂器、光波导、光栅和微透镜阵列等光学微器件。研究表明覆盖率为 5 0 左右，薄板的加工质量较高，在此基础上制各了齿宽为5 9 m 实体微型齿轮。 对光子晶体进行了初步研究，加工了间距为5 9 m 、高度为1 0 1 x r n 的光子晶体光纤： 制备了四层的三维术堆型光子晶体结构，杆间距和层间距均为5 9 m ，分辨率为 1 1 9 r n ，在国内首次实现了用飞秒双光予光聚合技术制备光予晶体结构。 自行设计的飞秒激光三维微细加工系统不仅实现了微米级的加工分辨率，甚 至可以突破衍射极限的限制，而且实现了真正意义上的三维加工。 建立飞秒激光泵浦探测实验装置，开发了泵浦探测应用软件，实验的时间分 辨率达6 7 f s 。实验表明，g a a s 的载流子弛豫曲线由l o o j i 的初始散射，2 p s 的晶 格热平衡和5 0 0 p s 的回复过程组成。分析了自由载流子和晶格温度效应等对弛豫 曲线的贡献，定量计算出它们诱发的折射率变化分别为一7 3 3 1 0 。4 、o 8 5 1 0 。 关键词：飞秒激光，双光予吸收，光聚合，三维微细加工，光子晶体 泵浦一探测，超快动力学 江苏大学硕士学位论文 旭s t 卧c t u l t r a h j 【g hp e a ki n t e n s i t yc a nb ea c h i e v e da tl o wp u l s ee n e r g y 砸t l lf e m t o s e c o n d l a s e r , t h u st h ei n t e r a c t i o nr e g i o no f t w op h o t o na b s o r p t i o n ( t p a ) w a st i g h t l yc o n f i n e d i nt h ef o c u s t h r e ed i m e n s i o n a l ( 3 d ) m i c r o - f a b r i c a t i o nw i mb i g hp r e c i s i o nc a nb e a c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h em o v e m e n to ft h ef o c u s w i t hu l t r a s h o r tp u l s ew i d t h ， u l t r a f a s td y n a m i c a lp r o c e s s e si nv a r i o u ss u b j e c t sc a nb ei n v e s t i g a t e di naf e m t o s e c o n d t i m es c a l e t h ep r i n c i p l eo f 吼w a si n t r o d u c e d a n dt p ap h o t o p o l y m e r i z a t i o nm o d e lw a s f o u n d e db a s e do nr a d i c a l se x c i t e db yl a s e ri nt h er e s i n w i t ht h ei n t e n s i t yf i m c t i o no f g a u s s i a nb e a m ，t h el a t e r a la n da x i a lr e s o l u t i o nw a sd e d u c e d f e m t o s e c o n dl a s e rd i r e c t s c a n n i n g3 dm i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e mw a ss e tu p ；i tc o n s i s t e do fl a s e rs y s t e m ， m i c r o s c o p es y s t e m ，r e a l t i m ed e t e c t i o ns y s t e m ，3 d - m o v e m e n ts y s t e ma n ds oo n c o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n gs o r w a r eh a sb e e nd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i cp r o g r a m l a n g u a g e t p ap h o t o p o l y m e r i z a t i o nw a sa c h i e v e di n0 r m o c e rr e s i n t h er e s o l u t i o n r e a c h e do 7 岬，l e s st h a nt h ed i f f r a c t i o nl i m i t a t i o n t h ed e p e n d e n c eo fl i n ew i d t hw i t h n u m e r i c a la p e r t u r e 科a ) ，s p e e d ，a n dl a s e rp o w e rw a si n v e s t i g a t e d t h el i n ew i d t hw a s i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ef a b r i c a t i o ns p e e d ，b u tp r o p o r t i o n a lt ol a s e rp o w e ra n d n a t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r es i m u l a t e d ，b e a mw a i s to fo 4 1 3 9 i na n dt p ac r o s s s e c t i o no f2 l f f 5 4 c m 4 sw a so b t a i n e d t h er e a s o n sf o rb e a mw a i s tb r o a d e n i n gw e r e a n a l y z e da n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt h ef a b r i c a t i o nr e s o l u t i o nw e r ed i s c u s s e d ，a t l a s tt h eo p t i m i z e df a b r i c a t i o np a r a m e t e rw a sd e t e r m i n e d w i t ht p a p h o t o - p o l y m e r i z a t i o n ，c o m p l e x c h i n a m o d e lw i t hw i d t ho f 0 7 2 t t m v c a sm a d e t h e nt y p i c a lo p t i c a lm i c r o - d e v i c e si nm i c r o ns c a l e ，s u c ha sb e a ms p l i t t e r , o p t i c a lw a v e g u i d e ，a r r a yo fm i c r o l e n s ，a n dg r a t i n gw e r em a n u f a c t u r e d i tw a sf o u n d t h a tt h ef a b r i c a t i o nq u a l i t yo fp l a n eb o a r dw a sm u c hb e t t e rw h e nt h eo v e r l a pr a t ei s 5 0 ，a n dm i c r o - g e a rw h e e lw i t hg e a rw i d t ho f5 p mh a sa l s ob e e nf a b r i c a t e d ， l l 江苏大学硕士学位论文 p r i m a r yi n v e s t i g a t i o nw a sc a r r i e do u to n 曲o t o n i cc r y s t a l ( p h c ) ，3 dp h cf i b e r w i t hh e i g h to flo g ma n ds p a c eo fs p i nw a sm a n u f a c t u r e d a tl a s t ，3 dp h o t o n i cc r y s t a l o fw o o d - p i l es t r u c t u r ew i t hf o u rl a y e r sw a sf a b r i c a t e d ，t h es p a c eb e t w e e nt h el a y e r s a n ds t i c k sw e r t ：b o t h5 1 m a ，t h er e s o l u t i o no ft h es t i c kw a s1 1 n ，i tw a st h ef i r s tp h c s t r u c t u r ef a b r i c a t e dw i t lt p a r e p o r t e di n l a n d t h e s er e s u l t sp r o v e dt h a tt h em i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e mo ft p a c a nn o to n l yo b t a i n t h er e s o l u t i o nd o w nt om i c r o nl e v e l ，b u ta l s or e a l i z er e a l3 dm i c r o f a b r i c a f i o n f e m t o s e c o n dl a s e rp u m pp r o b ee x p e r i m e n ts e t u pw a se s t a b l i s h e d ，a n dp u m p p r o b es o f t w a r ew a sd e v e l o p e d ，t h et i m er e s o l u t i o no fs e t u pr e a c h e d6 7 f s d e p e n d e n c e o ft r a n s i e n tr e f l e c t i v i t yc h a n g eo nd e l a y e dt i m ei ng a a sw a sm e a s u r e d ，i tw a sm a d e u po ft h r e ep r o c e s s e s ：o r i g i n a ls c a t t e r i n gp r o c e s so fl o o f s ，c a r r i e r s l a t t i c et h e r m a l e q u i l i b r i u mo f2 p sa n dr e c o m b i n a t i o np r o c e s so f5 0 0 p s t h eu l u a f a s tr e l a x a t i o no f n o n e q u i l i b r i u mc a r r i e r se x c i t e db yf e m t o s e c o n dl a s e rw a sd i s c u s s e db a s e do nf r e e c a r r i e r se f f e c t , l a t t i c et e m p e r a t u r ee f f e c ta n ds o 彻t h er e f r a c t i o nc h a n g ei n d u c e db y f r e ec a r d t r sa n dl a t t i c et e m p e r a t u r ee f f e c tw o s r e s p e c t i v e l y 7 3 3x1 0 4 , 0 8 5 1 0 4 k e y w o r d s ：f c m t o s e e o n dl a s e r , p h o t o - p o l y m e r i z a t i o n ，t w o - p h o t o na b s o r p t i o n ， m i c r o - f a b r i c a t i o n , p h o t o n i cc r y s t a l ，p u m p p r o b e ，u l t r a f a s td y n a m i c 1 1 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用j 彭f - i 、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密团 学位论文作者签名：毯埘毛 指导教师签 p 5 年月矿日 吵 弋月娥钆 名 盯 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 埔务 、 书h 年e 只g 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 飞秒激光技术的发展及应用 1 1 1 飞秒激光器的发展过程 1 9 6 0 年7 月，美国的梅曼博士研究成功世界上第一台激光器( 红宝石激光 器) ，激光作为一种新型的光源具有以前光源所不具有的一系列优点。6 0 年代以 后，激光技术得到飞速发展，其中发展的一个重要方向是向输出脉宽越来越窄的 方向发展【”，这一领域大致可以分为四个发展阶段【2 】： 6 0 年代中期是超短激光脉冲发展的初始阶段，其特征是各种锁模理论的建 立和各种锁模方法的试验探索。7 0 年代中后期为第二阶段，其特征是各种锁模 方式和理论逐步成熟，并在物理和化学领域展开了皮秒p s ( 1 0 “2 s ) 级的初步应用。 8 0 年代为第三阶段，其主要特征是脉冲宽度己进入飞秒f s ( 1 0 。5 s ) 阶段，以碰撞 锁模染料激光器为代表，该激光器就锁模原理来说依然为被动锁模，在锁模机理 和方法上并没有根本突破，但是由于脉冲的碰撞效应，使该激光器能够产生并且 稳定地运转在飞秒量级。 9 0 年代初开始了超短激光脉冲的第四阶段，主要特征并不是脉冲宽度的进 一步压缩，而是在产生飞秒激光的介质方面有新突破。1 9 9 1 年，s p e n e e 等人首 次向人们介绍了由自锁模产生6 0 f s 脉冲钛宝石激光器，使固体激光器突然闯入 这一领域【3 】o 步入二十一世纪后，在产生和操纵超短激光脉冲方面取得了巨大的 进步，为向更短数量级阿秒激光脉冲科学的发展铺平了道路1 4 j 。 以掺钛蓝宝石晶体为激光介质的钛蓝宝石激光器以其调谐范围宽 ( 6 6 0 1 2 0 0 n m ) 、脉宽窄( f s 级) 和输出功率高( t w 级) 等特点，已成为红外到可见光 波段性能最优的可调谐激光器。如果采用倍频技术，其可调谐范围还可以覆盖到 紫外及真空紫外。因此，钛蓝宝石激光系统的问世使超短光脉冲技术进入了一个 新阶段。目前获得的脉冲最短脉宽已经达到4 f s ”。密歇根大学的g m o u r o u 等人 发明的啁啾脉冲放大技术( c p a ) 使得飞秒脉冲的峰值功率得以大幅提高，促进 了飞秒激光在超强与超快两个方向的广泛应用1 6 j 。 江苏大学硕士学位论文 1 1 ，2 掺钛蓝宝石飞秒激光器自锁模原理 掺钛蓝宝石激光的自锁模完全翻开了超短脉冲激光研究的全新篇章，与传统 的主动锁模及被动锁模不同的是对于某些含有强克尔效应介质的激光振荡器， 在特定的腔型结构下，无需采用任何外加的调制或饱和吸收体，即可实现稳定的 锁模运转【3 l ，这种简单的结构与具有超宽调谐带宽的掺钛蓝宝石激光相结合，已 成为当前超短脉冲激光发展的主流。 目前这种锁模技术所依赖的基本原理普遍认为是由于固体增益介质在强聚 焦泵清下所形成的克尔效应所致。在非均匀光作用下，由于克尔效应，介质的折 射率可以表示为【7 】： h ，= + n 2 i ( r j ( 1 1 ) 其中咖为与光强无关的静态折射率，n 2 为克尔系数，( ，) 为光强度分布。因此， 在泵浦光及振荡光的作用下，介质的折射率将沿径向发生变化，增益介质等价为 自聚焦透镜，当振荡光通过该介质时，较强的光与较弱的光表现为两套不同的聚 焦形式。如果在腔内某处加一尺寸合适的硬边光栏，使得较强的光由于强聚焦引 起的传输光束正好通过该光栏，而较弱光的弱聚焦引起的传输光束则不能通过， 则系统等价于一个快速饱和吸收体，激光经过多次往返振荡达到动态平衡之后， 稳定的自锁模过程也就建立起来了。在一定的腔型结构下，具有自聚焦效应的激 光晶体中也存在类似光拦的泵浦光振荡光分布，这种机理通常也称为软边光栏， 软边光栏技术使得自锁模激光结构更加简单，锁模调节也更为方便。 1 1 3 飞秒激光的特点与应用 飞秒激光具备超短脉宽，因而拥有独特的超快与超强特性。 飞秒激光超快特性：光速为3x1 0 1 8 m s ，1 秒种可绕地球运动7 5 圈，而在 l o o f s 内只能前进3 0 9 i n ，约为头发直径的1 3 。在超快领域，飞秒激光为研究e 皮秒时域内的各种电子学，化学和生命科学中的超快现象提供了独特的技术手 段。例如激发念中高振动态向低振动态的弛豫过程，光合作用中的电荷转移过程， 纳米体系中电子之间，电子和声子的碰撞和散射过程等1 8 ，j 。 飞秒激光的超强特性：若把l o o m j 的能量集中在l o o f s ，则峰值功率可以达 江苏大学硕士学位论文 到1 0 1 2 w ( 1 t w ) ；若把1 t w 的光会聚成l o p a n 的光斑，其聚光强度达1 0 他w c m 2 。 因为光是电磁波，将其换算成电场强度则为2 1 0 ”v m ，是氢原子中电子感应 电场( 5 1 0 “v m ) 的4 倍，这使得采用光直接从原子中剥离电子成为可能，从 丽根本上改变了光与物质的作用框架，使得激光与原子、分子、离子、自由电子、 团簇以及等离子体的相互作用研究进入到一个高度非线性的场强范围，需要考虑 到一些非微扰理论的极端非线性光学效应【l o j 。飞秒激光超强特性的用途之一就是 用于微细加工。 飞秒激光的独特性质决定它在科学研究和技术应用等不同领域有广泛应用。 飞秒激光的应用与其超短脉冲宽度、超高峰值功率和电场强度是紧密相关的。值 得一提的是，飞秒激光技术与基础学科相结合，形成一些新学科，构成了当今世 界科学发展的前沿，比如飞秒物理学、飞秒化学和飞秒生物学】。飞秒激光具有 持续时间短、峰值功率大等特点。可以用来研究光与物质相互作用过程中的各种 超快现象，特别是发生在亚皮秒及飞秒时域的超快过程2 】。加州理工大学的 z e w a i l 【1 3 1 在2 0 世纪8 0 年代中期就开始乖j 用飞秒激光研究化学反应过程，他在飞 秒化学研究中的突出贡献，使他成为当今飞秒化学研究的奠基人，并于1 9 9 8 年 获得诺贝尔化学奖。飞秒技术为研究生物体中的超快光物理、光化学及光生物学 过程提供了可能，使人们能够对生物体中的超快现象进行更为深入的研究，特别 是生物体中存在的飞秒量级的能量传递、电荷转移等过程的研究1 14 1 h 】。 1 2 飞秒激光在透明介质内的传输 飞秒激光脉冲与介质的作用离不开传输，在一般情况下，飞秒激光的传输要 类比高斯光束传播的一些概念和参量，因此首先阐述商斯光束的线性传输规律。 1 2 1 高斯光束线性传输 电磁波的波动方程是由麦克斯韦方程和三个辅助方程推导出来的。电场强度 为e ，占为介电常数，6 0 为真空中介电常数，为介质磁导率，风为真空中磁导 率。如果考虑电磁波在真空中或电介质( 绝缘体) 中传播，它的波动方程为： v 2 嘲警= 。 z ， 江苏夫学硕士学位论文 到1 0 1 2 w ( 1 t w ) ；若把1 t w 的光会聚成l oj _ t m 的光斑，其聚光强度达1 0 1 8 w c m 2 。 因为光是电磁波，将其换算成电场强度则为2 1 0 ”v m ，是氢原子中电予感应 电场( 5 1 0 “v m ) 的4 倍，这使得采用光直接从原子中剥离电子成为可能，从 而根本上改变了光与物质的作用框架，使得激光与原子、分子、离子、自由电子、 团簇以及等离子体的相互作用研究进入到一个高度非线性的场强范围，需要考虑 到一些非微扰理论的极端非线性光学效应【l q 。飞秒激光超强特性的用途之一就是 用于微细加工。 飞秒激光的独特性质决定它在科学研究和技术应用等不同领域有广泛应用。 飞秒激光的应用与其超短脉冲宽度、超高峰值功率和电场强度是紧密相关的，值 得一提的是。飞秒激光技术与基础学科相结合，形成一些新学科，构成了当令世 界科学发展的前沿，比如飞秒物理学、飞秒化学和飞秒生物学j 。飞秒激光具有 持续时间短、峰值功率大等特点，可以用来研究光与物质相互作用过程中的各种 超快现象，特别是发生在亚皮秒及飞秒时域的超快过程1 1 2 。加州理工大学的 z e w a i l 13 在2 0 世纪8 0 年代中期就开始利用飞秒激光研究化学反应过程，他在飞 秒化学研究中的突出贡献，使他成为当今飞秒化学研究的奠基人，并于1 9 9 8 年 获得诺贝尔化学奖。飞秒技术为研究生物体中的超快光物理、光化学及光生物学 过程提供了可能，使人们能够对生物体中的超快现象进行更为深入的研究，特别 是生物体中存在的飞秒量级的能量传递、电荷转移等过程的研究 1 4 , 1 5 l 。 1 2 飞秒激光在透明介质内的传输 飞秒激光脉冲与介质的作用离不开传输，在一般情况下，飞秒激光的传输要 类比高斯光束传播的一些概念和参量，因此首先阐述高斯光束的线性传输规律。 1 2 1 高斯光束线性传输 电磁波的波动方程是由麦克斯韦方程和三个辅助方程推导出来的。电场强度 为e ，为介电常数，岛为真空中介电常数p 为介质磁导率，b 为真空中磁导 率。如果考虑电磁波在真空中或电介质( 绝缘体) 中传播它的波动方程为【1 ： 率。如果考虑电磁波在真空中或电介质( 绝缘体) 中传播，它的波动方程为【刮： v 2 一掣。可o 2 e = 。 ( 1 2 ) 江苏大学硕士学位论文 到1 0 1 2 w ( 1 t w ) ；若把1 t w 的光会聚成l o p a n 的光斑，其聚光强度达1 0 他w c m 2 。 因为光是电磁波，将其换算成电场强度则为2 1 0 ”v m ，是氢原子中电子感应 电场( 5 1 0 “v m ) 的4 倍，这使得采用光直接从原子中剥离电子成为可能，从 丽根本上改变了光与物质的作用框架，使得激光与原子、分子、离子、自由电子、 团簇以及等离子体的相互作用研究进入到一个高度非线性的场强范围，需要考虑 到一些非微扰理论的极端非线性光学效应【l o j 。飞秒激光超强特性的用途之一就是 用于微细加工。 飞秒激光的独特性质决定它在科学研究和技术应用等不同领域有广泛应用。 飞秒激光的应用与其超短脉冲宽度、超高峰值功率和电场强度是紧密相关的。值 得一提的是，飞秒激光技术与基础学科相结合，形成一些新学科，构成了当今世 界科学发展的前沿，比如飞秒物理学、飞秒化学和飞秒生物学】。飞秒激光具有 持续时间短、峰值功率大等特点。可以用来研究光与物质相互作用过程中的各种 超快现象，特别是发生在亚皮秒及飞秒时域的超快过程2 】。加州理工大学的 z e w a i l 【1 3 1 在2 0 世纪8 0 年代中期就开始乖j 用飞秒激光研究化学反应过程，他在飞 秒化学研究中的突出贡献，使他成为当今飞秒化学研究的奠基人，并于1 9 9 8 年 获得诺贝尔化学奖。飞秒技术为研究生物体中的超快光物理、光化学及光生物学 过程提供了可能，使人们能够对生物体中的超快现象进行更为深入的研究，特别 是生物体中存在的飞秒量级的能量传递、电荷转移等过程的研究1 14 1 h 】。 1 2 飞秒激光在透明介质内的传输 飞秒激光脉冲与介质的作用离不开传输，在一般情况下，飞秒激光的传输要 类比高斯光束传播的一些概念和参量，因此首先阐述商斯光束的线性传输规律。 1 2 1 高斯光束线性传输 电磁波的波动方程是由麦克斯韦方程和三个辅助方程推导出来的。电场强度 为e ，占为介电常数，6 0 为真空中介电常数，为介质磁导率，风为真空中磁导 率。如果考虑电磁波在真空中或电介质( 绝缘体) 中传播，它的波动方程为： v 2 嘲警= 。 z ， 江苏大学硕士学位论文 这是商斯光学的基础，它是矢量波动方程。如果u b ，弘z ，t ) 表不电场振幅函数， e ，表示偏振方向的单位矢量，“0 ，y ，z ) 是与时间无关的波束电场振幅函数，电场 可以表示为： e ( x ，y ，z ，r ) = p 。u b ，y ，z ，f ) = e p “g ，y ，z b ( 13 ) 妞撕粹一摆础戡。去满馘1 - 1 姒蜮1 2 黼： v 2 u 一等= 。j v 2 u 一了i , 2 等= 。 “， 假设真空中的波数b ( ：_ 2 7 ) ，电场与时间f 和传播距离：的关系为： e g ，y ，z ，f ) = e ，“e ，y ，z ) e x p 【f ( & 对一n z k o ) 1 ( i 5 ) 但是在沿i ：轴方向传输光束中，k 矢量沿t ：轴方向，在波长a 范围内，“g ，y ，z ) 和 掣的变化很小，在近轴近似的条件下 1 7 1 ，即垫堡三堕 l 的时候，可认为 出 彤 娑 竹“，窑( 占。，该电子就可以通过碰撞使另外一个处 于价带的电子电离到导带，自己的能量降低，结果两个电子都处于导带底。这两 个电子又可以通过自由载流子吸收连续电离出更多的价带电子，以上过程反复进 行，导带的电子数增加，这个过程不断重复即导致雪崩，只要电场存在，自由电 子密度n 就会从很低的种子密度按指数规律增加【圳。当雪崩电离产生的自由电 子密度达到临界密度的时候，透明材料就被击穿。 2 、飞秒激光对透明电介质的光致改性 飞秒激光通过多光子过程与透明电介质材料相互作用时，材料在低于击穿阀 e 江苏大学硕士学位论文 值的强激光脉冲作用下，会发生光致损伤( 损坏) 、光致变色、光致折射率变化、 光致显微晶化和双光子光聚合等现象【2 5 】。 透明介质在高功率激光的作用下，会产生三种结果：热效应、电致伸缩和非 线性极化。当这三种效应积累到一定程度，便会引起介质的损伤。损伤机理大致 有以下几种：1 、热损伤；2 、受激布里渊散射激发超声波引起损伤；3 、电子雪 崩电离损伤：4 、多光子吸收电离损伤：5 、自聚焦弓l 起的损伤。在实际损伤过程 中，多半是几种机理同时起作用，而且各种机理之间是相互联系的。例如：当玻 璃在高功率脉冲激光作用下，由于强电场的电致伸缩效应，会引起受激布里渊散 射，产生弹性波，在声光耦合作用下，自聚焦效应会明显增强。另外，自聚焦效 应大大加强了激光强度，为多光予吸收等机理提供了条件，而多光子电离放出大 量的能量，又可能加强热效应。光致损伤的过程可以分成五个主要步骤：a 、通 过热激发或者光激发产生导带电子：b 、导带电子通过脉冲加热和雪崩电离吸收 能量，形成高温等离子体：c 、等离子体通过电子声子耦合，将能量转移给晶格； d 、晶格吸收能量，温度升高，导致融化或者气化；e 、物质的热扩散和声冲击波 引起周围物质的结构变化。但是，不管该过程如何复杂，损伤的原因都可理解为 透明介质吸收了光脉冲的能量，由于热膨胀和热应力而导致光学材料损伤2 州。 某些透明介质，如有些玻璃，在低于损伤闽值飞秒激光作用后，虽然不会出 现损伤现象。但会出现变暗的现象，也就是玻璃在飞秒激光作用后，作用区域在 可见光范围的吸收系数会大大增加，这称为光致变色。将高功率飞秒激光聚焦于 光学玻璃内部，其能量通过多光子吸收和雪崩电离传递给透明材料，这种超快的 能量传递，使激光照射点产生了很高的温度和压力，玻璃在高温高压下，向四周 膨胀，结果产生中间密度低、四周密度高的结构，引起激光会聚点玻璃折射率的 提高，这种现象称为光致折射率变化1 2 “。使用飞秒激光，由于照射点的强光强引 起的多光子反应，可阻在玻璃内部有选择的产生点晶化而不引起其它地方产生晶 化，这种现象称为光致显微晶化。 飞秒激光与介质作用的是时候，还会出现光致稀土离子价态变化和光致长磷 光产生等现象，这些现象都可用于超高密度三维光存储、透明材利的内部雕刻、 微机电系统、集成光学元器件和三维光子晶体等复杂微细结构的制备嘲。 9 江苏大学硕士学位论文 1 3 双光子微缨加工技术及其研究现状 飞秒激光的超强特性使其能以极低的脉冲能量获得超强光场，并且激光辐照 区淀积的能量难以通过热扩散途径逸出辐照区域，其与透明物质相互作用是通过 双光子或多光子吸收过程实现，因此作用区域仅限于焦点核心很小体积内，因而 在三维微制各领域有着独到优势5 2 9 , 3 0 1 。 1 3 1 双光子吸收机制 双光子吸收是指在强光激发下，介质分子同时吸收两个光子，从基态跃迁到 两倍光子能量的激发态的过程。早在1 9 3 7 年，g o p p e r t m a y o r 就从理论上预言了 双光予吸收的存在，并用二阶微扰理论导出双光予过程的跃迁几率。但是直到 6 0 年代初激光器出现后，才由k a i s e r 等首先从实验上证实了双光子吸收过程【3 “。 分子发生单光予吸收时，吸收一个波长为2 ，的光子就可以从基态岛到激发 态岛，分子在这个商振动能级上寿命极短，可迅速弛豫到激发态函的最低振动 能级，再通过光辐射、内转换或化学反应等途径失去活性：与单光子吸收不同， 发生双光子吸收时分子同时吸收两个波长相同的光子知达到激发态两，或者吸 收波长不同的乃和乃光予到达较高的激发态岛、最，由于分子的& 、最与& 态 能差很小，分子在激发态上寿命很短，可迅速通过无辐射过程弛豫到激发态s ， 的最低振动能级，然后与单光子过程一样，通过岛发生电子转移或能量转移发生 反应【3 2 1 。 物质与光场相互作用有两种方式：耗散过程和参量过程。在参量过程中，光 场的不同模式之间交换能量和动量，但光场与物质之间不交换能量。而对于耗散 过程，光场通过吸收与辐射与物质交换能量。公式1 2 3 中的z o j 描述了线性吸收， 偶次极化率对耗散过程无贡献，因此最低阶的非线性吸收可用z o ) 的虚部来描 述，它对应于双光子吸收，即在强光激发下，通过中间态直接或分步地吸收两个 光子的过程，它是一个三阶非线性耗散过程，在该过程中，介质与光场之间通过 光的吸收和发射交换能量。与单光子吸收不同的是，双光子吸收过程中光与介质 在单位时间、单位体积内的能最交换与入射光的强度的平方成正比口。 l o 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 飞秒激光双光予微细加工技术 飞秒激光双光子微细加工技术，是将飞秒激光聚焦到透明介质内部，利用飞 秒脉冲与材料发生的非线性双光子吸收过程，诱发材料局部光学改性，通过控制 聚焦光束的空间移动或激光束的干涉得到立体的微结构【3 4 l 。将飞秒激光技术引入 到三维微细加工中实现材料的双光子吸收，使这种新型的微细加工技术表现出了 很多优良特性，特别是加工尺寸的亚微米特性和三维空间分辨性3 5 州。 由于双光子吸收几率与光强度的平方成正比，所以双光予吸收引发的光化学 反应将被局限在光强度很高的焦点附近极小的区域内( 体积数量级为 3 ) 【3 7 l 。激光 的强度在空间上一般呈高斯型分布，即入射激光经过聚焦后在焦斑中心的位置强 度最大，趋向焦斑边缘时，强度逐渐减弱。如果调节入射激光束，使得焦斑的中 心强度刚好满足材料的多光子电离闽值，则加工过程中的能量吸收和作用范围仅 限于焦点中心位置处的很小一部分体积内，而非整个聚焦光斑所辐照的区域。因 此飞秒加工可以突破光束衍射极限的限制，实现尺寸小于波长的亚微米或纳米操 作1 3 8 】。 如果将聚焦强度位于阈值附近的飞秒激光射向某些透明材料的内部空间，当 光束穿过表面行进时，一方面，材料的透明特性使得光束的共振线性吸收可以忽 略；另一方面，较低的光束强度又无法满足材料的多光子非线性吸收要求，因此， 光束几乎可以毫无衰减地到达材料内部的聚焦点。事实上，入射激光只有在该点 位置才能获得较高的功率密度，发生多光子吸收和电离，从而实现材料内部三维 空间上任意部位的超精细加工，使得飞秒激光加工过程具有严格的空间定位选择 能力【驯。 双光子微细加工的加工方式并不局限于传统的层叠方式，双光子加工过程中 只要精确地控制激光束焦点的扫描动作就可以实现对材料的“直接写入”，从而 快速地加工出预先设计的微器件。这同时也保证了双光子微细加工具有很强的柔 性：不需要对加工系统的结构做任何调整就可以通过改变c a d 的设计模型实现 新器件的加工。此外，与传统的光刻技术相比，双光子微细加工技术还具有非接 触加工，节能、清洁无污染、加工效率高、加工精确、不需要真空条件等优点【4 “。 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 双光子微细加工技术的研究现状 双光子微细加工技术以微电子、微光学、微机械为核心，集现代光学、电子 学、激光技术、精密机械、计算机技术和智能控制技术等于一体。飞秒激光三维 徽细加工技术成为近年来飞秒激光应用技术研究的热点3 0 , 4 t 4 2 1 。 哈佛大学e m a z u r 研究小组研究了在光学玻璃、熔融石英和蓝宝石等透明固 体介质体内，由飞秒激光双光予或多光子吸收引起的等离子体微爆炸现象，微爆 炸形成的空腔只有亚微米级，可用于高密度三维光学数据存储、三维光子晶体的 精密制备以及三维微细加- - - 4 3 , 4 4 , 4 5 , 4 6 1 。 用飞秒激光与光敏树脂的相互作用形成三维超精细微结构的研究最近成为 一个热点，将聚焦的红外或可见的飞秒激光聚焦照射在紫外波长区域具有吸收的 光敏树脂，通过双光子吸收诱导光聚合可以形成微型机械部件和结构f 3 ”。由于它 具有一次性直接写入成型、不需要牺牲层、柔性好等特点，1 9 9 2 年w e b b d , 组将 双光子技术引入了微细加工领域1 4 7 】。 普通材料的双光子吸收截面很小，研制双光子吸收截面大的有机或高分子聚 合物材料就成为飞秒激光双光子微制备应用的前提。b h c u m p s t o n 郴肄人于1 9 9 9 年在n a t u r e 报道了双光予吸收截面高达1 2 5 0 1 0 巧o e m 4 s 的共轭化合物，并制 备出了丙烯酸光聚合材料。将波长为8 0 0 r i m 、脉宽为1 5 0 , 詹的飞秒激光束聚焦到 这类光聚合预聚物材料里进行三维制造，制作了悬臂支撑结构和具有光予带隙的 三维微器件，引起科学界的轰动，导致了飞秒激光双光予技术的迅猛发展。 2 0 0 0 年，h b s u n 采用波长4 0 0 r i m 脉冲在n o p c o c u r e8 0 0 树脂，制各了赢径 1 5 p r o 的微型齿轮【3 耵。2 0 0 1 年，大阪大学s 缸刑口船【4 9 1 在n a t u r e 报道了采用双 光子聚合法在光敏树脂里面制作了1 0 岫长，7 p m 高的公牛，是世界上最小的人 造动物模型，同时还制作了直径达亚微米的微型弹簧振子，使飞秒激光双光子的 微细加工真正开始步入了亚微米功能器件的制造阶段。2 0 0 2 年，z t a n a k a 等人 波长8 0 0 n m 的飞秒激光在s c r 5 0 0 树脂内制备了微型链条，分辨率达到1 2 0 r i m l 5 。 t o k u s h i m a 大学的m m i w a 等人，将飞秒激光引进显微镜系统，通过紧密聚焦直 接扫描，制作了约1 0 1 t i n 的微型金字塔和房子模型舻”，为我们提供了一种飞秒激 光加工的新思路。 双光子微细加工技术己成功地应用到一些具有特定功能的微结构制作中。 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 1 年，匈牙利科学家n 招r 利用双光子加工完成相互啮合的传动齿轮组，形似 风车的主动齿轮在光镊驱动下以1 0 r a d s 的速度转动，并带动与之啮合的齿轮旋 转【5 “。由于双光子光刻可以实现真正的三维加工，该技术在光子器件、微机电系 统( m e m s ) 的加工中得到了广泛应用，并显现出了许多前所未有的新特性。 在早期，双光子加工一般单脉冲能量微焦耳以上的紫外光，这种方法用飞秒 激光的超高强度弥补了双光予吸收截面过小的缺陷，但是对激光系统提出了很高 的要求，一般需要安装飞秒激光放大级，对光学器件统的稳定性也提出了挑战。 在后期，双光子材料的吸收截面得到了提高，一般采用普通的8 0 0 n m 的飞秒激 光，纳焦耳级的能量就能实现双光子吸收，简化了激光系统和实验平台。 在国内，中国科技大学、北京大学和天津大学等都对飞秒激光双光子加工进 行了初步研究，从发表的文献来看 5 3 , 5 4 , 5 5 】，由于受到飞秒激光系统和双光子材料 的制约，只能加工出一些简单二维结构，还未能实现真正意义上的三维加工。目 前国际和国内在这方面发表的成果都很有限，尽管有在高水平的杂志上发表的文 章，但加工水平仅仅停留在实验室研究阶段，飞秒激光双光子微细加工还处于初 级的研究阶段，主要是因为该技术对双光子材料的吸收截面以及飞秒激光的脉冲 能量、脉宽和稳定性有严格的要求。 1 4 飞秒激光超快检测技术 超短脉冲激光不仅使人们得以用很低的脉冲能量获得极高的峰值光强，而 且也使人们得以在飞秒级时间分辨下研究物理、化学、生物学和光电子学等学科 中的各类瞬态动力学过程1 5 “。泵浦探测技术是一种应用非常广泛的技术，自从 1 9 7 8 年的首次利用超快泵浦探测技术研究半导体中的载流子动力学以来，这种 技术在物理，化学和生物学等领域都获得了成功应用i 5 “。 飞秒激光激发物质之后，电子和空穴通过单光予吸收、多光子吸收、自由载 流子吸收或冲击电离等方式吸收能量，形成自由载流子。经过载流子载流予间 的散射，电子和空穴会在导带和价带内重新分布，其布居很快达到费米狄拉克 分布。随后通过产生声予和载流子一声子散射，把能量转移给晶格。载流子的激 发和弛豫可大致分为五个过程：载流子激发，自由载流子重新分布、热化和冷却， 载流子一品格热化，载流子复合、扩散和热结构效瘦。这些过程并没有严格的顺 江苏大学硕士学位论文 序，在时间上可能是重叠的【5 s 】。 总的来说，激光脉冲对物质作用之后，形成自由载流子，如果在能量上满足 谷间散射的条件的话，载流子通过谷间散射很快离开能谷中心，而载流子- 载流 子间的散射使每个能谷内的电子布居达到热平衡。与谷间散射和载流子- 载流子 间散射同时发生的还有谷内散射，它从电子系统中获得能量，把能量转移给纵向 光学声予，随后这些声子弛豫到声予模，晶格达到热平衡。在载流予重新分布之 后，复合和扩散使激发区域的自由载流子逐渐减少【5 9 】。 对上述超快过程的观察，采用传统的方法是不可能的，必须借助于超短脉 冲检测技术。飞秒激光由于具有超短脉冲特性，广泛用于观察各种超快现象，例 如半导体内载流予的超快弛豫过程、能量从电子转移到晶格过程、化学反应过程 和光合作用中的能量传递过程等。 泵浦探测技术的原理就是利用泵浦光对样品进行扰动，样品吸收泵浦光跃迁 到激发态嘲l 。由于激发态的吸收光谱与吸收系数不同，另外一束探测光经过样品 时，它的吸收情况会与泵漓光不存在时有所区别。通过控制探测光相对于泵浦光 的延迟时间，可以观察到样品基态和激发态的布居随时间的变化。 利用超短脉冲与物质相互作用后产生的各种效应，可以来检测物质与超短脉 冲作用的超快过程。超短脉冲泵浦探测技术种类很多，目前应用的有瞬态吸收波 谱技术【6 l 】、光克尔效应技术1 6 2 l 、瞬态光栅技术、时间分辨荧光技术、光子回波 技术和冲击受激拉曼散