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飞秒激光材料表面微加工 s u r f a c em i c r o m a c h i n i n gw i t hf e m t o s e c o n d l a s e rp u l s e s 学科专业：物理电子学 研究生：李殉 指导教师：贾威副教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年七月 摘要 由于飞秒激光脉冲宽度极短抑制了热扩散过程，所以飞秒激光可在不对亚表 面层产生显著影响的情况下改变表面形貌和结构，通过控制激光参数就可能获得 独特的材料表面结构。本论文对飞秒激光材料表面微加工技术进行研究，包括以 下主要内容： 一、利用飞秒激光进行单晶硅表面微加工，研究了加工过程中碎屑粘附对加 工精度的影响。采用预先在样品表面涂透明防护薄膜的方法，研究了保护薄膜阻 止加工碎屑粘附到加工区的效果。 二、利用飞秒激光加工非晶合金，研究了多脉冲加工过程中的积累效应，以 及非晶合金表面周期性波纹结构的形成规律。实验证明：随激光功率的增加，材 料去除机制从平衡汽化转变为相爆炸机制，并且出现液相。x 射线和透射电子显 微镜观察表明，飞秒激光加工非晶合金过程中热影响很小，只有少量晶化发生， 因此，飞秒激光加工适合于非晶合金的加工。 三、利用飞秒激光进行金属镍表面微加工，实验表明飞秒激光烧蚀区发生了 爆炸性沸腾( 相爆炸) 现象，同时有大量的镍液滴和汽化分子从烧蚀区喷出，又 以极快的冷却速率重新凝固。飞秒激光烧蚀金属产生的爆炸性沸腾( 相爆炸) 和 极高的冷却速率最可能是表面随机纳米结构形成的机制。另外，通过计算二维双 温方程和观察透射电子显微镜表明，飞秒激光烧蚀纯金属镍可以形成大量纳米晶 粒和少量的核壳结构纳米颗粒，并没有发现非晶。 关键词：飞秒激光，表面微加工，非晶合金，硅，镍 a b s t r a c t a su l t r a s h o r tp u l s ed u r a t i o nc o n f i n e sh e a td i f f u s i o n ，t h ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s p r o v i d eap r o m i s i n gt o o lf o rt h ea l t e r a t i o no fs u r f a c em o r p h o l o g ya n dt e x t u r ew i t h o u t s i g n i f i c a n td a m a g et ot h eu n d e r l y i n gm a t e r i a l u n i q u em a t e r i a l sm o d i f i c a t i o na n d s u r f a c et e x t u r i n ge f f e c t sm a yb ea c h i e v e dt h r o u g ht h ec o n t r o l l e du s eo fl a s e r i r r a d i a t i o np a r a m e t e r s i nt h i st h e s i s ，s u r f a c em i c r o m a c h i n gw i t hf e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e sw a ss t u d i e d t h em a i np o i n t sa r ec l a s s i f i e da sf o l l o w s ： 1 d e t a i l e ds t u d i e so nt h em i c r o m a c h i n i n go fs i l i c o n t h ee f f e c t so fd e b r i so nt h e m i c r o m a c h i n i n gp r e c i s i o nw e r es t u d i e d w et r yt od e p o s i t et h i n f i l mf o rr e d u c i n g d e b r i so ns i l i c o ns u r f a c eb e f o r el a s e rm i c r o m a c h i n g ，a n dt h ee f f e c to f r e d u c i n gd e b r i s w a si n v e s t i g a t e d 2 d e t a i l e ds t u d i e so nt h ea b l a t i o no fa m o r p h o u sa l l o yf e c u n b s i bi n a i rw i t h f e m t o s e c o n dl a s e r t h ea c c u m u l a t i o ne f f e c to fm u l t i p l ep u l s e sa n df o r m a t i o nl a wo f p e r i o d i c a lr i p p l e sw e r ed i s c o v e r e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep h y s i c a lm e c h a n i s m s r e s p o n s i b l e f o rm a t e r i a lr e m o v a l d u r i n ga b l a t i o nt r a n s f e r f r o m e q u i l i b r i u m v a p o r i z a t i o n t op h a s ee x p l o s i o na n ds o m el i q u i df l o wo c c u r r e da sl a s e rp o w e r i n c r e a s i n g a s o b s e r v e dw i t h x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n df i e l d e m i s s i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( f e t e m ) ，t h ea m o r p h o u sf o r mi sk e p tw i t hn o c h a n g ei nt h ed a m a g e dz o n e ，a n dt h e r ei sf e wc r y s t a l l i z a t i o nf o r mi na b l a t i o nz o n e s o f e m t o s e c o n dl a s e ri sv e r ys u i t a b l et oc u ta m o r p h o u sa l l o y 3 d e t a i l e ds t u d i e so nt h ea b l a t i o no f n if o i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s ee x p l o s i o n o c c u r r e da n dr a p i de x p u l s i o no fl a r g ea m o u n to fl i q u i da n dv a p o rd r o p l e t sw h i c h c o o l e dq u i c k l ya n dr e s o l i d i f i e d t h eo b s e r v e dm o r p h o l o g i e ss e e mt os u g g e s tt h a t p h a s ee x p l o s i o na n de x t r e m e l yh i g hc o o l i n gr a t ea r et h em o s tp r o b a b l ep h y s i c a l m e c h a n i s m sr e s p o n s i b l ef o rt h ef o r m a t i o no fs u r f a c en a n o s t r u c t u r e s t h et w o t e m p e r a t u r em o d e l ( t t m ) ，c a l c u l a t i o na n df i e l de m i s s i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( f e t e m ) w e r eu s e dt os t u d yt h en a t u r eo ft h em o r p h o l o g ya n dg r a i n s t r u c t u r eo fn i c k e lf o i l a n dd e t e r m i n et h ee s s e n t i a lf e a t u r e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h e r ea r em a n yr a n d o mn a n o s t r u c t u r e si nt h ec e n t r eo ft h ea b l a t e dr e g i o nc o m p o s e do f n a n o c r y s t a l l i n eg r a i n sa sw e l la ss o m ec o r e - s h e l ls t r u c t u r e s ，a n dn oa m o r p h o u sw a s o b s e r v e d k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r ，s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ，a m o r p h o u sa l l o y ， s i l i c o n ，n i c k e l 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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：李向 签字日期： 哪年1 月f 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗蠢堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼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：巷铜 导师签名： 、-， v 覆硪 签字r 期： ，口口f 年了月心日 签字同期：2 威移年 7 月胂 第一章绪论 第一章绪论 随着上世纪8 0 年代掺钛蓝宝石晶体( t i ：s a p p h i r e ) 飞秒激光器的问世，飞秒 激光技术得到了飞速发展。由于飞秒激光具有极短的脉冲宽度，使得它能够在 相对较低的脉冲能量下得到极高的峰值功率，可以达到百万亿瓦，比目前世界 上的发电总功率还要高出百倍。若把飞秒激光脉冲聚焦到比头发直径还要小的 空间区域后，光电场强度会比原子内部的库仑场还要高数倍。由于具有短脉宽 和高功率这两个主要特征，飞秒激光已被广泛应用于多个学科领域，有很大的 应用潜力。 1 1 飞秒激光加工的特点 飞秒激光加工具有传统的长脉冲激光加工不可比拟的优点，主要表现在以下 几个方面【l 心j ： 一、极高的峰值功率和较小的损伤阈值 飞秒激光脉冲宽度极短( 1 0 - 1 5 秒量级) ，很容易达到极高的峰值功率( 聚焦后 可达1 0 2 0 w c m 2 量级) ，对应电场强度超过原子内电场( 氢原子第一玻尔半径处电 场约为5 1 l0 9 v c m ) 【3 1 ，在透明材料烧蚀过程中以多光子吸收为主，烧蚀阈值为 精确值( 对连续长脉冲激光烧蚀阈值定义成产生烧蚀几率为5 0 的能流密度) ， 且烧蚀阈值较低，如图1 1 所示，不透明( 吸收) 材料的烧蚀阈值也随脉冲宽度 的下降而下降。 图1 1 烧蚀阈值与脉冲宽度关系4 j 第一章绪论 二、加工的热髟响区小 飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，由于几乎没有能量 扩散等影响，向作用区域内集中注入的能量获得有效的高度积蓄。大大提高了激 光能量的利用效率。作用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并将远远超过材料的 熔化和汽化温度值，使得物质发生高度电离，最终处于前所未有的高温、高压和 高密度的等离子体状态。此时材料内部原有的束缚力已不足以遏制高密度离子、 电子气的迅速膨胀，最终使得作用区内的材料以等离子体向外喷发的形式得到去 除。由于等离子体的喷发几乎带走了原有全部的热量，作用区域内的温度获得骤 然下降，大致恢复到激光作用前的温度状态。在这一过程中严格避免了热熔化的 存在实现了相对意义上的冷加工，大大减弱了传统激光加工中热效应带来的诸 多负面影响。如图i - 2 给出了纳秒、皮秒与飞秒激光在钢表面打孔结果的对比照 片。 萱匿匿 ( a ) 3 3 n j ，】m j0 ) 8 0 r i s , 9 0 0 山( c ) 2 0 0 趣1 2 0 山 图1 2 波长7 s o n m ，脉宽不同的脉冲激光在钢板上烧蚀的孔 三、加工尺寸的亚微米特性和3 d 分辨率 在飞秒激光加工的过程中，激光与物质问的能量转移是建立在多光子吸收 的基础上的，此时材料对能量的吸收与光强的n 次方成正比。激光的强度在空 间上一般呈高斯型分布，如果调节入射激光束功率，使得焦点中心强度剐刚超 过材料的多光子电离闷值。则加工过程中的能量吸收和作用范围就会被限制在 焦点中心位置处的很小的一部分体积内，而不是整个焦点范围。若激光束聚焦 后的衍射极限光斑直径约l 岬1 ，通过降低光束光强，实际加工范围小于o1 t u n ， 仅为原始光斑的十分之一。因此飞秒加工可以突破光束衍射极限睁1 的限制，实 现尺寸小于波长的亚微米甚至是纳米的操作。另外飞秒激光入射波长往往不 在某些透明材料的吸收范围内，当光束焦点在透明材料内部时。由于激光穿过 材料表面时的光强较低无法满足材料的多光子非线性吸收要求。因此，飞秒 激光光束几乎可咀毫无衰减地到达材料内部的焦点。入射激光只有在焦点位置 第一章绪论 才能获得较高的功率密度，发生多光子吸收和电离，从而实现三维超精细加 工。 1 2 飞秒激光材料表面微加工研究进展 一、硅表面微锥 哈佛大学一个研究小组1 8 在一定气体环境下利用飞秒激光刻蚀硅，肉眼看去 硅单晶原本有灰色光泽的表面，在加工区域变成了黑色，通过扫描电子显微镜观 察发现表面有呈准规则排列的微米量级的尖峰结构，如图1 3 所示。这种具有新 型表面微观结构的硅单晶称为“黑硅”，它具有奇特的光电性质，如：几乎全部 吸收从2 5 0 h m 到2 5 0 0 n m 波段的光1 9 ：有良好的场致发射特性等。由于该材料的 独特性质，使其在微电子、遥感、光通信等领域具有巨大的潜在应用价值，如制 各高效的太阳能电池、性能优良的硅红外探测嚣等。 图l - 3 “黑硅”表面形态删和吸收曲线”o j 二、“膜转移”技术 超短脉冲檄光“膜转移”技术具有以下优势：不需光刻工序就能生成图案、 不引入杂质、可在常温大气环境进行、不需其它处理工艺、可进行多纽元多层材 料的薄膜图案化，并且具有高分辨率( 1 0 0 0 0 c m 。) 的特 点，而且可以在原位对基片进行激光精密加工，不仅提高了效率，而且将大大提 高加工精度，因此，是制备微器件微传感器阵列的一种有潜力的技术。 第一章绪论 m - 4 脉冲激光“膜转移”示意图图1 - 5 利用f s - l i f t 获得的铜膜沉积点”】 脉冲激光。膜转移”技术【l ”是自上世纪八十年代末为此目的开发的最具 潜力的技术之一，具体实验步骤如下：首先准备两块抛光良好的透明衬底，在一 块透明村底上镀膜( 将要进行图案化的薄膜材料) 作为“源膜”然后如图1 4 所 示搭建实验装置，使源膜与接收村底之间保持平行，使激光透过村底聚焦在薄膜 与衬底之间的界面上，如果激光的能量足够大，将焦点处的材料从透明衬底去除， 并“转移”到接收村底上，随着激光焦点的受控移动，形成了所需的图案化薄膜， 此过程也称为激光向前传输方法( l 够e ri n d u df o r w a r dt r a n s f e r - - l i f n 。圈】5 利用f s - l i f t 获得的铜膜沉积点”i 。脉冲激光“膜转移”技术的优点在于：简便、 良好粘结、没有交叉污染问题，另外，该技术无需复杂昂贵的高真空系统，并且， 基体表面性能不受影响。脉冲激光“膜转移”技术己成功用于单层金属、半导体、 化合物( 包括超导材料) 薄膜的图案化1 1 4 1 、电路元件【1 8 及传感器制备【l 州1 ，但长 脉冲激光加工存在明显的热效应，在“转移”膜材料过程中生成液相，使得“转 移”后薄膜的化学当量比发生变化。 由于超短脉冲激光脉冲宽度小于材料内部的特征弛豫时间( 如：电子一晶格 相互作用时间和热传导时间) ，因此，超短脉冲激光“膜转移”技术避免了膜“转 移”过程中液相的形成，直接以气相形式传递物质，因此，膜材料在“转移”前 与“转移”后的化学当量比不变1 1 8 1 ，即不改变薄膜材料的性能，而且激光加工 阈值也下降一个数量级，所以，对薄膜材料没有过多的限制( 甚至可以含有复杂 的成分) ，而且，膜材料“转移”时可获得相当大的动能( 超短脉冲激光为4 0 0 m s ， 而纳秒激光为2 3 0 m s ) i l ”，有助于提高膜层的附着力。由于其灵活性和加工阈值 的精确控制，超短脉冲激光“膜转移? 技术可一步实现高精度的“膜转移”并完 全保持“源”薄膜材科的特性。因此，超短脉冲激光“膜转移”技术在电子器件 制各和微传感罂阵列制各等方面的应用潜力巨大。 三、双光子聚合技术产生表面微结构 以双光子吸收为基础的双光子聚合技术与普通光聚合技术相比，具有的优点 第一章绪论 是：( 1 ) 普通光聚合只能进行平面加工，而双光子聚合能够进行立体复杂结构的 加工，实现了真正意义的三维加工。( 2 ) 飞秒激光双光子聚合的精度可突破衍射 极限，实现亚微米加工。 可利用飞秒激光双光子聚合技术在基片表面制作微观结构，图l - 6 为吉林大 学孙洪波课题组加工的微光学结构。 图i - 6 飞秒激光双光子聚舍制备表面微观结构扫描电子显微镜照片刚 四、表面周期性波纹结构 一般认为激光辐照材料光学表面的功率密度( 或能量密度) 在损伤阚值附近 时，往往会形成自发的、高度周期化的、并常常是永久性的表面结构或波纹【”i ， 这种现象称为激光引起的周期表面结构( l i p s s ) 。如图i 7 就是中国科学技术大学 用波长4 0 0 n m 脉冲宽度l o 吣的飞秒激光在金刚石薄膜表面上加工出的波纹图案。 图1 - 7 飞秒澈光加工金刚石薄膜表面的s e m 照片 第一章绪论 激光引起的波纹可在一个很宽范围条件下产生，一旦这种表面结构形成，就 对材料表面的光学性质产生较大影响。因此，在许多实际应用中，如；在材料表 面形成各向异性，提高材料表面耐磨性能1 ：光学表面抗激光研究时都必须考虑 到可能发生的表面波纹现象”w 。 五、透明材料表面加工 长脉冲激光加工透明材料的种子电子来自材料中的金属杂质，由于各处杂质 浓度不同，就造成了阚值有很大的波动。因此长脉冲激光无法精密加工透明材料。 但飞秒激光具有极高的峰值功率，当通过高倍物镜将飞秒激光聚焦到透明材料内 部后，会使聚焦焦点处的光场强度超过多光子电离的阈值，就会产生自由电子， 从而为雪崩电离提供种子电子，因此可对透明材料进行精密加工。 在2 0 0 2 年日本mh i r a n o 等人首次通过两束红外飞秒激光发生干涉，在各种 透明的电介质材料( 如蓝宝石单晶、石英玻璃等) 得到衰面浮雕全息光栅，该方法 是飞秒激光分束后分别经过透镜聚焦，样品置于激光焦平面上，图i - 8 为飞秒激 光干涉法在石英玻璃表面形成的光栅扫描电子显微镜照片1 2 4 1 。2 0 0 4 年，天津大 学梁建国等利用纳焦飞秒激光对透明有机材料p m m a 表面进行了刻划微结构光 栅的研究1 2 ”。2 0 0 5 年加拿大通讯研究中心的一个小组利用相同的技术成功的 在铌酸锂波导上制作了两层重叠的三分贝反射b r a g g 光栅。一层在晶体表面，一 层在晶体内部，两层具有相同的相位改变，制作的b m g g 光栅的反射率可达 5 0 【2 6 1 。 圈i - 8 石英玻璃表面干涉加工结构的扫描电子显微镜照片1 2 4 1 六、金属表面随机纳米结构 近年来利用飞秒激光技术直接有目的的制造纳米结构的研究已经成为当前 研究热点。然而对于飞秒激光在某种特定条件下烧蚀材料时出现的随机纳米结构 的系统性研究还不多。例如图1 9 b 是美国ayv o r o b y e v 等人0 1 利用钛宝石飞秒 雾 第一章绪论 激光放大器( 能流为0 3 5j c m 2 ，脉冲数为1 ) 加工铜表面得到的随机纳米结构， 可以看到上面有纳米突起、纳米洞和纳米环等三种形态。 研究这种表面随机纳米结构对控制固体的光电性质等多方面的应用研究都 有重要的指导作用。 l m 麟 图i - 9 飞秒激光加工铜的s e m 图( 酊加工前铜表面曲) 加工后出现随机纳米结构川 七、飞秒激光薄膜直接刻蚀 由于飞秒激光与材料作用时间极短，热扩散受到抑制，因此加工区周围的材 料损伤较小，如图1 - l o 所示，分别为金膜和铬膜飞秒激光微加工扫描电子显微 镜照片可以发现，激光加工区边缘较为干净光滑，加工痕迹较少。 猡 圈1 一t o 飞秒澈光加工金膜删和铬膜口9 1 扫描电子显微镜照片 图1 - l l 为飞秒激光在制备标准光刻掩模板的金铬职金属薄膜上加工的图案， 可以发现，飞秒激光加工金属薄膜对衬底的影响很小。并且飞秒激光加工光刻掩 模板具有灵活简便的特点，而且不需要后续的化学腐蚀工艺，因此，大大降低了 光刻掩模板的制造成本。 第一章绪论 图i i i 飞秽激光加工在双金属薄膜上加t 的图案m 八、扫描探针显微镜辅助飞秒激光近场微加工 s a m p l e 癣 图1 1 2 扫描探针显微镜辅助飞秒激光近场加工示意图m i 和加工金膜原子力显微镜照片删 如图l 1 2 实验示意图所示，飞秒激光经过透镜聚焦后辐照在扫描探针显徽 镜的探针和待加工样品表面之间，由于探针的尖端极小并且与样品表面间距极 小，在探针尖端和样品之间发生局部光场加强，与探针尖端尺寸大小相同的材料 被去除，实现了加工目的。圈1 - 1 2 为扫描探针显微镜辅助飞秒激光近场加工效 果的原于力显徽镜照片，可以发现，a n t 分辨率可达到十纳米量级，这为超高密 度光存储提供了新手段。 1 3 论文的主要内容 由于飞秒激光脉冲宽度极短抑制了热扩散过程，所以飞秒檄光可以在不对亚 表面层产生显著影响的情况下改变表面形貌和结构，通过控制撇光参数就可能获 得独特的材料表面结构。本论文主要是进行飞秒激光材料表面微加工研究，包括 以下主要内容： 一、使用实验室自己搭建的掺镱的双包层保偏大模面积光子晶体光纤飞秒放 孥 第一章绪论 大器进行单晶硅表面微加工，研究加工过程中碎屑粘附对加工精度的影响。采用 预先在样品表面涂透明防护薄膜的方法，研究保护薄膜阻止加工碎屑粘接到加工 区的效果。 二、利用飞秒激光加工非晶合金，研究多脉冲加工过程中的积累效应，以及 非晶合金表面周期性波纹结构的形成规律。利用x 射线衍射谱分析和透射电子 显微镜观察研究飞秒激光加工非晶合金过程中的热影响，飞秒激光切割非晶合金 的加工效果。 三、利用扫描电子显微镜观察飞秒激光加工金属镍表面，研究表面微观结构 形成的规律。利用二维双温方程计算，研究飞秒激光烧蚀金属镍可形成的温度分 布和冷却速率。利用透射电子显微镜观察研究了飞秒激光烧蚀纯金属镍的亚表面 微结构，并分析其形成的物理机制。利用紫外可见分光光度计( 波长范围： 19 0 2 5 0 0n m ) 测量飞秒激光烧蚀金属镍表面形成的微观结构的吸收性能。 9 第二章飞秒激光单晶硅表面微加工 第二章飞秒激光单晶硅表面微加工 本章主要是研究单晶硅表面微加工，并从动力学的角度解释飞秒激光加工 硅单晶表面纳米氧化颗粒的形成，并且进行了防止加工碎屑粘附样品表面方法研 究。 2 1 实验装置 在实验中，我们使用飞秒激光加工平台是实验室搭建的光子晶体光纤飞秒激 光放大器。实验装置示意图如图4 1 所示。加工光源由该飞秒激光器输出，经过 数值孔径o 6 8 工作距离l m m 的非球面镜聚焦在加工材料上，加工材料被固定在 三维位移平台上，位移平台由计算机来控制。整个加工过程由c c d 进行监测， 监测系统采用的是一种相干探测的方法，h e n e 激光器是作为辅助照明光源来使 用。物镜前的分束透镜镀8 0 0 r i m 波长高透、6 3 3 n m 波长全反膜；h e n e 激光器 前的分束透镜镀6 3 2 n m 波长半透半反膜。下面对各主要部分进行详细的介绍。 2 1 1 飞秒激光系统 物镜 图2 1 飞秒激光加工平台示意图 用于加工的飞秒激光器是由实验室自己搭建的掺镱的双包层保偏大模面积 光子晶体光纤飞秒放大器，图2 2 为其结构示意图，框图中为振荡级部分，放大 1 0 第二章飞秒激光单晶硅表面微加工 级采用后向抽运方式，使用波长为9 7 6 n m 的大功率激光二极管作为抽运源抽运 光通过纤芯直径为2 0 0 l a i n 、数值孔径为o2 2 的尾纤输出，经非球面镜( a l ) 耦合 到增益光纤中，从p o r t 2 输出激光。该飞秒激光放大器可以获得的平均功率达1 6 w 的放大输出，在5 0 m h z 的重复频率下对应的单脉冲能量达到3 2 0 n j 中心波长为 1 0 4 0 n m 。增益光纤长35 m ，由于自相位调制效应，种子光脉冲光谱在放大过程 中同时展宽，从而支持更窄的脉冲宽度，经过光栅后，脉冲宽度压缩到了8 5 f s 。 系统中的振荡器和放人器基于同一种具有偏振结构的大模面积光子晶体光纤，具 有很好的环境稳定性和进一步集成的可能1 5 s i 。 图2 - 2 实验装置示意图，其中a l 为非球面镜，d m 为双色镜 5 8 1 2 1 2 焦点监测装置 在实验中，对样品进行焦点的定位监钡0 非常关键，有同轴反向探测、侧向探 测等方法。在这里我们采用的是一种相干探测的方法。 相干探测法是一种利用较薄材料的上下表面对光的反射所形成干涉条纹的 变化而确定焦点位置的方法。当激光聚焦在材料上时，随着焦点相对上下表面位 置的不同，虽然光线照射到上下表面的角度不变，但由于物镜孔径不变，使得所 采集的由上下表面反射的相干信号范围有所变化，因此观察到的现象就会不同， 从而来确定焦点所处的位置。 我们使用h e n e 激光器作为辅助的照明光源。h e n e 激光的波长较长，属于 第二章飞秒激光单晶硅袭面徽加工 可见光范围，窖易观察；另外，h e n e 激光光强较弱，经物镜聚焦后也不会对加 工材料有所损伤。因此在调整光路时，一定要保证h e - n e 激光与飞秒激光完全 的重合。当激光聚焦在样品上时，反射信号光会经过两分束透镜反射后照射到观 测屏幕上，使用c c d 进行观测，根据观测到的现象不同，来确定焦点的位置。 当焦点处于样品的上表面时，由于物镜孔径的限制，物镜只能接受到上表面 反射的光，反射光反射到观察屏后经c c d 观测，将会得到一个比较明亮的光斑。 当当焦点处于样品的内部时，物镜会接受到来自上下表面的反射光，这是反射光 将会产生干涉现象，从而在c c d 上我们将会观测到一系列干涉的条纹。当焦点 处于样品的下表面时，物镜只能接受到下表面反射的光，因此我们观测到的也将 是一个比较明亮的光斑。圈2 - 3 给出了物镜焦点在样品内不同位置的示意图。图 2 4 到2 - 6 是实验测得的焦点分别在样品的上表面、中间以及下表面位置时的监 测图，实验结果证明了我们上述分析的正确性。 图2 - 3 相干探涮原理示意图图2 4 焦点在样品上表面时的c c d 照片 圈2 - 5 焦点在样品内部时的c c d 照片圈2 - 6 焦点在样品下表面时的c c d 照片 相干探测法的精度是和激光聚焦束腰半径以及样品的厚度有关系的。聚焦束 腰半径越小、样品的厚度越薄探测到的精度就越高。我们使用的聚合材料的厚度 仅为一个微米左右，因此使用这种方法是可以准确的探测到焦点的位置的。但在 实验中，因为加工平台并非严格意义上的水平，我们也无法保证飞秒激光与加工 j 第二章飞秒激光单晶硅表面徽加工 材料完全的垂直，所以在加工过程中，随着平台的移动，焦点的位置会发生微小 的变化可以根据观测图像对透镜进行的适当调整。从而保证焦点始终处于聚台 材料的表面上。 2 1 3 机械位移平台 飞秒激光加工的优点之一就是加工尺度可以达到微米甚至亚微米尺度。为了 实验的方便通常采用光源的位置固定不变，而调整被加工物体在三维空间内运 动。这就需要一个平台来控制加工物体三维运动。由于考虑到飞秒激光的空间特 性，就要求平台的精度也要选到微米甚至亚微米的量级。我们实验使用的机械位 移平台是深圳固高公司生产的g t - 4 0 0 s g 系列的三维高精度运动控制器。位移 平台由计算机通过p c i 卡来控制，在b o d a n d c 环境下，使用c 语言来驱动，驱 动程序是常用的g 代码格式，其外观见图2 - 7 。位移平台使用脉冲输入方式，检 测采用的是日本“三丰”指针型触发式徽位移传感器，具体参数见表2 1 。 圈2 - 7 三维位移平台 表2 - 1 三维位移平台参数 工作台搬动量每用位移传感器检 行程范围( m r n )螺距( m m ) 1 0 个脉冲验 x 方向 0 6 9 m 06 3 1 a m y 方向 0 6 p m o6 6 0 m z 方向 0 6 p m 05 1 l i r a 第二章飞秒激光单晶硅衰面徽加工 2 2 实验过程 实验样品使用市售( 1 1 1 ) 晶向n 型表面抛光的单晶硅片。表面形貌观察采 用p h i l i p sx l 3 0 e 型环境扫描电子显微镜，工作电压为2 0k v 。表面形貌的测量 采用原子力显微镜。薄膜材料选取b n 3 0 2 负型紫外光刻胶。单晶表面涂膜采用 厦门凯美特科学仪器公司生产的k w , 4 a 型甩胶机进行，转速为3 0 0 0 转份，涂 膜后在1 2 0 烘干半小时，然后利用紫外灯辐照1 分钟使其充分曝光，待飞秒激 光加工实验完成之后，再利用清洗剂除去该保护薄膜。 2 3 实验结果 图2 - 8 至2 - 1l 为光子晶体光纤飞秒激光放大器加工单晶硅衰面的环境扫描 电子显微镜照片，可以发现，激光加工区附近粘附着大量的碎屑，离加工区域越 近碎屑越大，反之，则越小，而且随着激光扫描速率的增加碎屑量减少，颗粒也 有所减小。 圈2 - 8 功率2 5 w 递厦3 0r t m s幽2 - 9 功率25 w 速度7 5 i t m s 鬯幽豳鲢鲤缫堂憋 赫黼蔫赢蔫麟黑嘲懒嘲嘲爨嘲 图2 1 0 功率25 w 速度9 0 u n s圈2 - i i 功率25 w 速度1 2 0u n 以 这些碎屑由于飞秒激光作用时间极短，材料去除以爆炸性沸腾( 相爆炸) 【圳 过程为主同时有大量的液滴和汽化分子从烧蚀区喷出，又以极快的冷却速率重 第二章飞秒激光单晶硅表面微加工 新凝固。由于冷却速率高材料重新凝固后形成纳米颗粒，这与喷射熔体快速冷却 制备纳米粉体技术原理是一致的。扫描速率大的样品碎屑少是由于激光与材料作 用时间短，因此产生的纳米颗粒量相应减少的缘故。距离加工区远的碎眉尺寸小 是由于液滴喷射越远越容易散热，就能达到更高的冷却速率，重新凝固所需的时 间就越短，颗粒之间融合长大受到抑制，因此尺寸较小：而越靠近加工区散热越 困难，相应的冷却速率较小，而且大量颗粒集聚在一起，可能相互融合长大和相 互粘附在一起形成大颗粒。 阿 。1 ：是墨：吕暴f ! ：；? 。是趋9 0 。n 原子力显微镜照h 图2 一1 2 为飞秒激光在2 5 w 功率下以9 0 9 m s 的扫描速率加工单晶硅片的原 子力显微镜照片，可以看出，加工区周围大量的碎屑颗粒高高隆起几乎淹没了加 工区，因此，必须采取措施减小碎屑的影响。 厂1 u _ 图213 激光功率15 w 速度15 9 m s 和3 0 1 j m s 淙保护膜硅单晶的原子力显微镜照h 图2 13 为飞秒激光在i5 w 功率下以15 9 m s 和3 0j _ t m s 速率加工涂保护膜硅 单晶原亍力显微镜照片，可以发现，在两种参数下激光加工沟槽底部较为光滑平 坦，加工区边缘也较整齐，这应该是有机材料飞秒激光加工的特征，即在这样的 第二章飞秒激光单晶硅表面徽加工 飞秒激光参数下只加工到保护膜的表面层，还没有到达硅单晶表面。我们提高激 光功率，考察激光加工效果。 厂弋 u 图2 - 1 4 激光功率2 w 速度7 5 l i n g s 和9 0 9 m s 涂保护膜硅单晶的原子力显微镜照片 图2 - 1 4 为飞秒激光在2 w 功率下以7 5 m s 和9 0 9 r i d s 速率加工涂保护膜硅 单品原子力显微镜照片，可| 三【发现，在两种参数下激光加工沟槽底部也较为光滑 r 坦加工区边缘比较整齐，这仍是有机材料飞秒激光加工的特征，即在此参数 下飞秒激光还没有穿透保护膜层到达硅单晶表面。我们再降低激光扫描速率，考 察激光加工效果。 _ 圉2 - 15 激光功率2 w 速度1 5 , n v s 和3 0 j i m s 涂保护膜硅单晶的原于力显微镜照 图2 - 1 5 为飞秒激光在2 w 功率下以1 5 9 m s 和3 n 1 ，s 速率加工涂保护膜硅 单晶原予力显微镜照片，可以发现，在两种参数下激光加工沟槽底部也较为光滑 平坦而且加工区边缘也比较整齐，这仍然是有机材料飞秒激光加工的特征，郎 在此参数下飞秒激光还没有穿透保护膜层到达硅单晶表面。我们再一次提高激光 功率，考察激光加工效果。 一 第二章飞秒激光单晶硅表面徽加工 鞲 - 。 图2 一1 6 激光功率25 w 速度1 5 l a m s 和3 0 1 a m s 涂保护膜硅单晶的原于力显微镜照片 图2 - 1 6 为飞秒激光在2 5 w 功率下以1 5 1 a m s 和3 0 i l m s 速率加工涂保护膜硅 单晶原子力显微镜照片，可咀发现这两种参数下在激光加工沟槽底部中心均出 现条微槽，这应该是飞秒激光穿透保护膜层到达硅单晶表面。我们再一次提高 激光扫描速率，考察激光加工效果。 h _ ” 图2 - 1 7 激光功率25 w 速度i5 0 “m s 涂保护膜硅单晶的原子力显微镜照片 图2 - 17 为飞秒激光在2 5 w 功率下以 5 0 9 m s 速率加工涂保护膜硅单晶原子 力显微镜照片，可以发现，激光加工沟槽底部中心也出现一条微槽，即在此参 数下飞秒激光也可穿透保护膜层到达硅单晶袁而。下而将进行去膜实验。 第二章飞秽激光单晶硅表面徽加工 _ 圉2 - 1 8 激光功率25 w 速度1 5 0 l a m s 去除保护膜硅单晶的原子力显微镜照片 图2 - 1 8 为飞秒激光在2 5 w 功率下以1 5 0 1 a m s 速率加工后去除保护膜硅单晶 的原子力显微镜照片，可以发现，非加工区去除较为干净，而激光加工区附近没 有去除掉保护膜，这可能是保护膜在强激光辐照下已经发生了光化学反应，不能 用原清洗剂去除了。下一步必须寻找适合的清洗剂，去除激光加工区周围的保护 膜。 2 4 本章小结 飞秒激光加工单晶硅表面过程中产生大量随屑粘附在加工区周围对加工 精度造成很大影响。采用预先在样品表面涂透明防护薄膜的方法，可以有效阻 止加工碎屑粘接到加工区，可起到保护作用，但是由于保护膜在强檄光辐照下 发生了光化学反应，已不能用原清洗荆去除，所以必须寻找适合的清洗剂，去除 激光加工区周围的保护膜。 第三章飞秒激光非晶合金表面微加工 第三章飞秒激光非晶合金表面微加工 非晶态材料具有某些晶态材料所没有的特性，广泛应用于电力、电子及其它 领域。 材料的性能是由它的成分和微观结构决定的，而微观结构又依赖于组成材料 的各元素原子的电子状态和分布情况，原子中的电子运动状态确定了原子间结合 的类型和强弱。非晶态结构主要有以下特点： 一、长程无序和短程有序，非晶态金属的主要特点是其内部原子排列短程有 序而长程无序。所谓长程无序是指不存在尺度较大的对称性和周期性，即：原子 排列的周期性消失：短程有序是指在几个原子的小区间内，临近原子的键合( 如 配位数、原子间距、键角、键长等) 具有一定的规律性。非晶态合金的的密度一 般与同成分晶态材料的差不多，也就是说，原子的平均距离和相互作用与同成分 晶态材料的差不多，而且各原子的电子状态对于晶态和非晶态来说一般不会有很 大的突变。换句话说，结合力的类型制约着原子的短程有序排列，决定原子的排 列方式只能取某种特定的短程有序方式，但无法制约原子的长程有序。金属键是 非晶态合金的结构特征。所以，在非晶态金属中最近邻原子间距与晶体的差别很 小，配位数也很相近。但是，在次近邻原子的关系上就可能有显著的差别。 二、均匀性，均匀性是非晶态金属的一个显著特点。非晶态金属的均匀性包 括两种含义：一是结构均匀、各向同性，它是单相无定形结构，没有像晶体那样 的结构缺陷，如：晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等。二是成分均匀性，在 非晶态金属的形成过程中，无晶体那样的偏析、异相、析出物以及其它成分起伏。 三、亚稳定性，非晶态结构的另一个重要特征是亚稳定性，熔点以下晶态总 是自由能最低的状态。非晶态金属表面原子的无序排列导致了相当数量的原子处 于一种配位未饱和状态，体系的自由能较高，因而非晶态结构是热力学不稳定的。 由此，非晶态金属总有进一步向稳定晶态转化的趋势。 非晶态材料虽然具有许多晶态材料不具备的物理特性，但在加工上却遇到很 大困难l 因为利用传统加工技术进行切割时均产生显著的高温，而非晶材料在高 温下会发生晶化，即失去其特有的物理性能，本章旨在利用飞秒激光微加工热影 响区小的特点，尝试进行铁基非晶合金微加工，并对加工后材料表面形貌和亚表 面的微结构进行测试，以考察飞秒激光加工对材料表面和亚表面微观结构的影 响。 1 9 第三章飞秒澈光非晶合金表面徽加工 3 1 飞秒激光非晶合金表面加工实验 3 1 1 实验装置 图3 1 飞秒激光加工机结构示意图 本实验使用的是由美国c l a r k 公司生产的飞秒激光加工机：t i ：s a p p h i r e 放大 固体飞秒激光加工平台( u m w - 2 1 1 0 i ，c l a r k - m x rl n c ) 。整个加工机系统主要由 三部分组成：飞秒激光系统、位移平台系统和控制系统，其结构示意图如图3 1 所示，加工平台如图3 - 2 所示。飞秒激光系统由振荡器和放大器两部分组成，振 荡器采用的是掺铒光纤飞秒激光器，放大器使用的是钛宝石啁啾脉冲放大系 统。振荡罂产生的种子源经p p l n 倍频后经过放大器放大，输出中心波长为 7 7 5 n m 、脉宽为1 5 0 f s 、重复频率为l k h z 、输出的最大脉冲能量为l m j 的飞秒激 光脉冲。输出功率的大小可以通过计算机的控制。 图3 - 2 飞秒激光加工机的加工平台 第三章飞秒激光非晶合金表面搬加工 加工机在x - y 水平面内加工平台的位移定位通过直线电机来实现，在z 轴 方向则通过聚焦物镜的上下移动来调节焦点位置。在加工时，使x 、y 、z 轴 协同移动，这样就可以迅速将激光焦点移到指定的加工位置。整个系统可获得 的最小加工速度为1 p m s ，最大分辨率为l “m ，定位精度在4 - 0l g m 。加工样品 固定在x y 水平位移平台上。 3 1 2 实验过程 f e 5 c ”1 n b 3 s 沁5 8 9 ( f 1 n e m e t ) 非晶合金是日本y o a s h i z a w a 等人于1 9 8 8 年开发的，他们在f e s i b t 晶合金的基体中加入少量c u 和n b ，制成非晶软磁材料。 该样品具有高磁导率，低损耗、高饱和磁化强度，非晶态稳定等特点。 f e m c u n b 3 s i l 35 8 9 非晶合金薄带是采用单辊急冷法在空气中制各的，条带宽度 为4 0 毫米，厚度为00 2 毫米。 x 射线谱分析采用日本r i g a k u 公司d m a x2 5 0 0 v p c 型x 射线谱仪，采用c u 靶，表面形貌分析采用p h i l i p sx l 3 0 e 型扫描电子显微镜，工作电压2 0k v ，亚表 面结构采, i 目p h i l i p s t c , c n a i g 2 f 2 0 型场发射透射电子显微镜加速电压2 0 0k v ，透 射电子显微镜样品采用离子减薄工作电压5k v 倾角1 0 。 3 2 实验结果 3 2 1 飞秒激光烧蚀非晶