（光学专业论文）飞秒激光加工微光学元件.pdf

内容摘要 本论文主要对飞秒激光加工微光学元件进行了研究。由于飞秒激光脉冲 具有持续时问短，峰值功率极高、聚焦能力强等特性，在激光加工领域飞秒 激光表现出独特的优势，能够得到更高的加工精度和加工稳定性。近几年， 各国科学家在飞秒激光材料微加工领域进行了大量理论和实验研究。e 秒激 光材料精细加工已经成为飞秒激光很重要的应用之一。 我们建立了两套飞秒激光直写系统并剥用所建系统加工微光学元件。弧 套系统分别是飞秒倍频激光直写系统和飞秒激光直写系统。前者利用飞秒脉 冲激光的倍频光对光刻胶的光化学作用加工微光学元件，充分利用了光刻胶 的感光范围一紫外区域并发挥飞秒激光材料加工的优越性；后者直接利用1 1 秒激光对光刻胶的烧蚀作用加工微光学元件。本研究主要取得以下方面的进 展： 1 首次在实验上设计和建成了一套飞秒激光倍频光直写系统。我们首次 利用低功率飞秒激光倍频光与光刻胶发生作用进行微光学元件加工。 以t i ：s a p p h i r e 飞秒激光振荡器作光源，倍频光的获得通过相位匹配 角为2 9 6 。的b b o 倍频晶体；采用倒装望远会聚系统与聚焦系统相结 合的光学系统：利用l a b v i e w 语言编写了各种光棚程序控制二维移 动平台。利用所建的飞秒激光倍频光直写系统，在实验上获得了周期 为6 2 p _ m ，线宽为4 9 i n 的光栅。同时，我们采用重叠写入的方式加工 得到周期为2 4 8 9 m ，线宽为9 5 9 i n 的光栅。列于实验结果的分析，采 用了光学显微镜、台阶仪等实验手段进行检测和测量。从实验结果霜 出，飞秒激光倍频光直写系统提供了- - o j j h 工微光学元件的新方法， 而且加工得到了很好的加工质量，实现了锐利清晰的光刻图案的边 界，便于提高微光学器件的加工精度。 2 建立了一套飞秒激光宜写系统。利1 l j 低功率飞秒激光直接烧蚀加工光 刻胶掩模板，再通过光刻技术制作微光学元件。光敏利料光刻胶的感 光范围在紫外区域，而飞秒激光之所以能对光刻胶产生作用，除了飞 秒激光的热效应导致的烧蚀作用外，还可能包括飞秒激光诱导光刻胶 发生的双光子吸收机制。实验上得到了线宽5 5 微米，周期为2 3 i _ t m 的光栅。以重叠写入的方式获得线宽为1 8 m 光栅周期为3 6 9 m 的 光栅。此外，实验比较了采用数值孔径分别为o 1 、o 2 5 、o6 5 的显 微物镜对飞秒激光束进行聚焦，比较分析加工得到的光刻胶表面浮雕 的差异，发现飞秒激光与光刻胶的相互作用符合阂值模型，并且在激 光功率密度较低的情况下诱发双光子吸收现象。 本研究的创新点在于将微光学和超快光学加工技术相结合，利用飞秒激 光的优点加工微光学元件，具有重要的应用价值，所加工的微光学元件可以 应用在光通信、光电子等领域。通过理论分析与相关的实验研究，可以看到 飞秒激光倍频光直写系统以及飞秒激光直写系统在材料加工中都具有传统的 激光直写中所不具备的优势，两者又各具优点：前者稳定性较好，后者的系 统结构简化并且工艺上实现了一步制作微光学元件。因此利用飞秒激光加：f 微光学元件是一项非常有前途也很有意义的研究工作。 本工作具有重要的应用价值和理论意义，提供了两种新的制作微光学元 件的方法；此外通过研究飞秒激光倍频光及飞秒激光与光刻胶的作用机制， 加深了飞秒激光材料加工机理方面的研究和认识。目前，本工作已申请发明 专利一项，以第一作者完成论文5 篇( 其中4 篇已发表或已接收发表，一篇为 已投稿) ，合作发表a p p lo p t 刊物论文一篇。 关键词：飞秒激光，激光倍频，微光学，激光直写，双光子吸收 n a b s t r a c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w es t u d yt h e f a b r i c a t i o no fm i c r o o p t i c a le l e m e n tw i t h f e m t o s e c o n dl a s e r f e m t o s e c o n dl a s e rh a st h eu n i q u ea d v a n t a g e so fv e r yh i g hp e a k i n t e n s i t y , t h eu l t r a s h o r td u r a t i o na n dt h es t r o n gf o c u s e di n t e n s i t yc o m p a r i n g w i t h t h et r a d i t i o n a ll a s e r s ，f e m t o s e c o n dl a s e rm i c r o f a b r i c a t i o nc a l la c h i e v et h eh i g h e r p r e c i s i o np r o c e s s i n ga n di n d u c en e g l i g i b l eh e a t a f f e c t e dz o n e s f e m t o s e c o n dl a s e r p r o c e s s i n go f m a t e r i a lh a sb e e n o n eo f t h e i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s w es e tu pt w of e m t o s e c o n dl a s e rw r i t i n gs y s t e m sa n df a b r i c a t e dm i c r o o p t i c a l e l e m e n t sw i t ht h e m t w os y s t e m sa r ef e m t o s e c o n d d o u b l e d f r e q u e n c yl a s e rw r i t i n g s y s t e ma n df e m t o s e c o n dl a s e rw r i t i n gs y s t e mt h ef o r m e ra p p l yt h ep h o t o c h e m i c a l e f f e c to f p h o t o r e s i s ti n d u c e db yf e m t o s e c o n dd o u b l e d f r e q u e n c yl a s e rt of a b r i c a t e m i c r o o p t i 9 a l e l e m e n t s t h i sm e t h o d a p p l y t h e s e n s i t i v eu l t r a v i o l e tb a n do f p h o t o r e s i s ta n dt h ea d v a n t a g e so ff e m t o s e c o n dl a s e rm a t e r i a lp r o c e s s i n g ；t h el a t t e r a p p l yt h ea b l a t i o no fp h o t o r e s i s ti n d u c e db yf e m t o s e c o n dl a s e rd i r e c t l yt of a b r i c a t e m i c r o o p t i c a le l e m e n t s t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： w e d e s i g na n ds e tu paf e m t o s e c o n dd o u b l e d f r e q u e n c yl a s e rs y s t e mf o rt h e f i r s tt i m ew ef a b r i c a t et h e m i c r o o p t i c a l e l e m e n t s t h r o u g ht h e i n t e r a c t i o no t f e m t o s e c o n dd o u b l e d f r e q u e n c yl a s e ra n d p h o t o r e s i s t af e m t o s e c o n dt i ：s a p p h i r c l a s e ro s c i l l a t o rw o r k sa st h e l i g h t s o u r c ea n di t s d o u b l e d f r e q u e n c y l a s e ri s o b t a i n e dt h r o u g hab b o c r y s t a lw h o s e ip h a s e - m a t c h i n gi s2 6 9 。；a tt h es a m et i m e w eu s ea ni n v e r s e t e l e s c o p es y s t e mc o m b i n i n gw i t haf o c u s i n gs y s t e mt h e p r o g r a m sf o rp r o d u c i n gv a r i o u sg r a t i n ga r ew r i t t e nw i t hl a b v l e wl a n g u a g et o c o n t r o lt h em o t i o no fat w o - d i m e n s i o nt r a n s l a t o r w i t ht h i ss y s t e m ，w eo b t a i n e da g r a t i n gw i t hl i n e w i d t ho f4 1 a ma n dp e r i o do f6 2 p m ；w i t ha no v e r l a p p i n gm e t h o d w ef a b r i c a t e da g r a t i n g w i t hl i n e w i d t ho f 9 5 1 a m a n d p e r i o d o f2 4 8 9 mt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ee x a m i n e db yc o n v e n t i o n a l o p t i c a lm i c r o s c o p ya n dt h e t a y l o r h o b s o n e q u i p m e n t ， w h i c hd e m o n s t r a t e t h a tf e m t o s e c o n d d o u b l e d f r e q u e n c y l a s e r w r i t i n gs y s t e m i san e wm e t h o df o rf a b r i c a t i o no f m i c r o o p t i c a ie l e m e n t s ，t h ev e r yg o o dp r o c e s s i n g q u a l i t y a n d c l e a t e d g e a r e o b t a m e d i w es e tu paf e m t o s e c o n dl a s e rw r i t i n gs y s t e m l a s e ra b l a t i o no c c u r sw h e n f e m t o s e c o n dl a s e ri sf o c u s e do nt h ep h o t o r e s i s t ，w h i c hc a nb eu s e dt o f a b r i c a t e m i c r o o p t i c a le l e m e n t s t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el o wp o w e rf e m t o s e c o n dl a s e r a n d p h o t o r e s i s t i s i n v e s t i g a t e d b e s i d e st h ea b l a t i o n m e c h a n i s m ， t w o p h o t o n a b s o r p t i o ne f f e c ti n d u c e db yf e m t o s e c o n dl a s e ri sp o s s i b l e ag r a t i n g w i t hl i n e w i d t ho f 5 5 p r oa n dp e r i o do f2 3 9 m w a sf a b r i c a t e d w i t ht h eo v e r l a p p i n g m a n n e r ，ag r a t i n gw i t hl i n e w i d t ho f18 p r oa n dp e r i o do f3 6 9 mw a so b t a i n e d w e c o m p a r et h ep h o t o r e s i s te m b o s s m e n t so b t a i n e db yu s i n gt h em i c r o o b j e c t i v e sw i t h n u m e r i c a la p e r t u r e so fo 1 o 2 5a n do6 5t of o c u sf e m t o s e c o n dl a s e rb e a m w e f i n dt h a tt h et h e o r e t i c a lm e c h a n i s mi si na g r e e m e n tw i t ht h et h r e s h o l dm o d e la n d t w o p h o t o n a b s o r p t i o nc a n o c c u ri nt h el o w p o w e ri n t e n s i t y t h ei n n o v a t i o no ft h i sr e s e a r c hl i e si nc o m b i n a t i o no fm i c r o o p t i c sa n d u l t r a f a s t t e c h n o l o g y t h e e s t a b l i s h e d t e c h n o l o g y i su s e f u lf o rf a b r i c a t i o no f m i c r o o p t i c a le l e m e n t s w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sg i v e n i nt h i s t h e s i s ，w e b e l i e v et h a tf a b r i c a t i o no f m i c r o o p t i c a l e l e m e n t sw i t h f e m t o s e c o n dl a s e ri sap r o m i s i n ga n du s e f u lt e c h n o l o g yf o rf a b r i c a t i o no fn o v e l m i c r o o p t i c a l e l e m e n t st h a th a v e g r e a tp o t e n t i a l t ob eu s e di n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s ，o p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge t c t h i sr e s e a r c hh a si m p o r t a n t a p p l i c a t i o n sa n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e t w o n e wf a b r i c a t i o nm e t h o d so fm i c m o p t i c a le l e m e n t sa r e p r o v i d e d a tp r e s e n t ，a p a t e n t h a sb e e n a p p l i e d ；f i v ep a p e r s h a v eb e e nf i n i s h e d ( f o u ra r ea c c e p t e do r p u b l i s h e da n do n ei ss u b m i t t e d ) a n do n ec o a u t h o r e dp a p e ro fa p p l o p t h a sb e e n p u b l i s h e d k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r ，d o u b l e d f r e q u e n c yl a s e r ，m i c r o o p t i c s ，l a s e r w r i t i n g ，t w o p h o t o n a b s o r p t i o n i v 上海大学 v 。 6 7 8 1 9 7 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学硕二i 论文质量要求。 答辩委员会签名： 土差装窒主任：蕴生逐 委员： 导厩鑫黝导厩逖 答辩h 期：建塑坚生羔旦三! 旦 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究： 作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：盈建送：日期逊! ! j 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) f 签名：圣邀导师签名：衾墨趣日期：之! ! ! ：! f 上海大学硕士毕业论文 第一章绪论 随着近代光学和光电子技术的迅速发展，光电子仪器及其元件都发生了 深刻而巨大的变化。为了满足光电子仪器及其零部件更加小型化、阵列化和 集成化等要求，出现了各种新型的微结构光学元件。微结构光学是基于计算 机辅助设计和微电子工艺技术的一门新兴技术，是光学、微电子学和微机械 学技术相互渗透、相互交叉而形成的一门新兴学科。微光学技术的发展，大 大推动了光通信、光学信息处理等各领域的进步，并促进了实现工业科学上 的微型化和智能化两大追求。 激光技术的飞速发展，应用领域不断扩大，人们开始将激光用于元件的 微精细加工。由于激光微细加工技术具有“赢接写入”、“低温处理”等独特 的优势，在微电子、光电子、集成光学及光电混合集成等很多领域都有着广 阔的应用前景。激光微细加工同时又具有高空问分辨率及低损伤的特点，也 使得它成为实现一些纳米结构器件的方法。因此，自2 0 世纪7 0 年代术期以 来，国内外在这方面的研究一一直都比较活跃。2 0 世纪8 0 年代飞秒激光在美国 问世，由于飞秒激光脉冲具有持续时间短，峰值功率极高、聚焦能力强等特 性，立即成为了人们关注的热点。由于飞秒激光的超快等特性，在元件微自l i 工方面显示出比普通激光更多的优越性，能够获得更高的加工精度从而引起 a 4 f 的广泛关注。此外高功率飞秒激光在医学、高密度信息储存和记录等方 面都有着很好的发展前景。随着飞秒激光技术的不断发展，飞秒激光己被广一 泛用于物理、化学、生物学、光电子学等领域。在揭示微观物质运动规律的 基础研究上，飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面 二观察到它 们的超快运动过程。2 0 0 2 年，德国和奥地利的科学家利用飞秒激光技术成功 地观测到原子内部电子的运动状况。由于飞秒激光具有快速和高分辨率的特 。e - ，在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的 制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。可以说飞秒激光列基础科学研 究和技术科学的发展都产生了巨大的推动作用。 本沦文主要研究了低功率飞秒激光在加工微光学元件领域的应用，剥飞 秒激光倍频光以及飞秒激光与光刻胶相互作用进行了理论与实验研究。这一 上海大学硕士毕业论文 研究领域将微结构光学与超快光学等前沿学科相结合，是一门属于多学科交 叉领域的新兴学科。论文的具体结构安排如下： 第二章是与本文有关的背景综述。主要介绍了飞秒激光技术的发展，飞 秒激光剥各种不同材料加工的特征和机理研究，概述了飞秒激光对各种材料， 包括玻璃材料、金属材料、各种聚合物材料等加工的最新进展状况，介绍了 微光学及微光学元器件的制造技术。 第三章分别从理论和实验上研究了利用飞秒激光倍频光与光刻胶相互作 用制作微光学元件。首先分析了飞秒激光的倍频原理及飞秒激光倍频技术的 发展状况：然后详细描述了飞秒激光倍频光直写系统的各个组成部分：激光 光源、光学系统及控制系统；分析了飞秒激光倍频光与光刻胶的相互作用原 理；实验得到了周期为6 2 9 m ，线宽为4 p r o 的光栅以及利用该直写系统以重 叠写入的方式得到的周期为2 4 8 9 m ，线宽为9 5 p r o 的光栅。 第职章研究了直接利用红外飞秒激光与光刻胶的相互作用制作微光学元 件。实验得到了各种光栅并比较分析利用不同数值孔径的显微物镜对飞秒激 光进行聚焦得到的光刻胶图样。从实验和理论上分析了利用飞秒激光对光刻 胶的烧蚀加工的微光学元件的方法。 第五章对所作工作进行了总结与展望。 2 上海大学硕士毕业论文 第二章背景综述 2 1 飞秒激光材料加工 2 1 1 飞秒激光技术的发展 超短脉冲激光技术是随着锁模技术而发展起来的。1 9 6 5 年人们首次利用 被动锁摸技术在红宝石激光器上直接产生了皮秒级激光脉冲【i 。随后在1 9 7 6 年人们利用对撞锁模技术实现了o 3 p s 的激光脉冲输出 2 1 。1 9 8 1 年5 月具有9 0 f s 脉宽的飞秒激光器在美国贝尔实验室i j 廷生e 3 1 2 _ 后，1 9 8 5 年该实验室又获得了 2 7 f s 的激光脉冲 4 j ，这为超短脉冲进入飞秒研究领域打下了很好的基础。最 早的飞秒激光器以碰撞锁模( c p m ) 染料激光器为标志，其原理为被动锁模。由 于有机染料介质有很宽的发射光谱，不同染料可输出不同波长的飞秒激光脉 冲，通过增益介质的转换就可以获得很宽的调谐范围，可覆盖从紫外到近红 外波段，因而可以获得较短的激光脉冲。但固体锁模激光器的发展一直受国 体激光材料荧光带宽窄、热传导性差等问题的制约。南到2 0 世纪8 0 年代后 期，晶体生氏技术日趋成熟，出现了掺钛蓝宝石等多种物理和化学特性优良 的固体增益介质，固体飞秒激光器才开始成为激光技术的重要发展方向。19 9 1 年，des p e n c e 等人利用氩离子激光作泵浦源，用s f l 4 棱镜补偿腔内色散， 首次研制成功了以掺钛蓝宝石为增益介质的飞秒自锁模激光器i ”，它的问世标 志着固体飞秒激光器进入了个新的发展阶段。1 9 9 9 年，ha h a u s 等人利用 低色散棱镜对及一对啁啾镜，在自锁模掺钛蓝宝石激光器中已经可以商。接由 腔内输出小于2 个光学周期的飞秒光脉冲 6 l ，其对应带宽大于3 5 0 n m ，重复频 率为9 0 m h z ，是当时由激光振荡器输出的最短脉冲。由于固体介质的高阶色 散很难补偿，1 9 9 9 年，avs o k o l o v 提出利用超薄气体介质可以引起激光脉 冲的频率嗣制，产生宽带频谱，理论j 二能产生小于1 飞秒的超短脉冲f7 1 。在脉 宽向更短方向发展的同时，固体锁模激光器在输山脉冲的峰值功率及平均功 率上也有很火的进展，1 9 9 9 年，丁b e d d a r d 等人将直接由激光器输出的脉冲峰 值功率做到1 m w ，平均功率达到15 w ，熏复频率为1 1 0 m h z l 8 1 。近j l 年，已 上海大学硕士毕业论文 有峰值功率在p w ( p w = 1 0 15 w ) 量级的高功率激光放大器研制成功，并有更高 峰值功率的激光放大器正在研制。除了飞秒激光脉冲的更短化一阿秒激光脉 冲、高重复率及高平均输出功率等几个发展方向，从工业应用的角度，飞秒 激光器的小型化即二极管抽运激光器也成为飞秒激光器研究中的一个重要的 发展方向。 2 1 2 飞秒激光材料加工的特征 飞秒脉冲激光具有飞秒量级的脉冲持续时间，极高的峰值功率和功率密 度，因而在材料微加工中具有作用时间极短并能够诱发各种非线性效应等独 特的优势。概括起来，飞秒激光与材料相互作用时具有以下主要特征： 1 多光子吸收 使用飞秒激光进行烧蚀加工时，除了脉冲的持续时间外，激光的峰值强 度也很重要。这是因为物质列它吸收时，依赖于激光强度的非线性过程起了很 重要作用。如果1 个光子的能量大于物质的电离能量和解离能量时，物质吸 收1 个光子后，状态将会发生变化。这时，因为吸收系数不依赖于激光强度， 离子数将会按照辐射强度成比例增加。而当最终状态的能量大于1 个光子的 能量时，加大激光强度，就会产生同时吸收多个光子的多光子吸收现象。通过 这种多光子吸收，一旦生成自由电子：该电子将在激光场被加速，得到运动能 量( 逆制动辐射加热) ，与周围的原子或离子发生冲撞，产生2 个电子，这种如 同雪崩一样倍增电子的过程叫做雪崩电离。一 i 达到离子雪崩，其后的激光吸 收便受逆制动辐射过程控制，对于金属和导电体材料来晚没有差异。激光脉宽 小于l o o f s 日寸，与电子碰撞造成的雪崩电离相比，激光场造成的直接光电离效 果不能忽视，因此材料的差异变得明显。这些过程中生成的自由电子通过碰掩 在1o o f s 以下的短时间内达到热平衡态。储存在该电子体系的能量按皮秒级以 声予形式释放出来，激发固体中的品格振动。品格振动的能量变成热量扩散到 固体中。这里，通过激光注入的能量第一次以被d i e m 物质的温度上升这种形式 出现。此后的热量向周倒传递取决于物质固有的热力学特性。 2 高速的能量注入 利用飞秒激光进行加i 的最大特点是：与物质的热扩散速度相比，能更 上海大学硕士毕业论文 快的在激光照射部位注入能量，激光辐照区淀积的能量难以通过热扩散的途 径逸出辐照区域，照射的能量没有在照射区域外损失，激光与物质相互作用 的范围被严格限定从而得到有效利用。将材料的热扩散系数设为d ，激光的 脉宽设为f ，激光照射h , 1 的热扩散长k 可以用l 。= ( d v 。) 托表示，其中 d = ，p c ：。，女。，c 。分别表示热传导率、密度及热容量。即使是热扩散 系数大的金属，热扩散长度上。在1 p s 时间内也只有1 0 n m ，金属表面吸收激 光的长度只有表皮厚度左右( 数纳米) ，显然飞秒激光照射各种剌料时的热扩 散可以忽略，能量只在照射区积蓄，可以达到以往激光加工所无法达到的高温 高密度状态。 3 避免等离子体屏蔽 另外用脉冲激光照射固体表面时，将产生线性或非线性吸收，生成等离 子体。这种i 高温高密度等离子体从固体表面向外喷出，产生烧蚀。通常的激光 加工中，从固体表面喷出并膨胀的等离子体会吸收激光，通过等离子体中的 热传导，使激光能量注入加工领域。当照射激光的脉宽与等离子体的形成时间 相比足够长时，激光等离子体频率与照射激光频率达到平衡，即在i 1 ：；界密度 领域被遮蔽，无法再继续进入物体，这就是所谓的等离子体屏蔽。临界密度可 以用1 1 。= m 。2 4 z c e2 来表示，其中m 。为电子质量，e 为电子电荷，u 为激光频 率。从可见光到近红外的波长，其临界密度为1 0 “c m 。3 左右。 由于激光照射，在固体表面产生的等离子体从表面向外侧膨胀时的膨胀 速度哆可以用v 。“( z k 。? 1 啊) “2 来表示。这里的：为离子价数，幻r 为等离予体 温度，m i 为离子质量。现在将等离子体温度设为几十电子伏时，v n 为1 0 6 c m s 使用l o o f s 以下超短脉冲激光时，可以看到等离子体膨胀前，激光照射就终止 了。这电是使用飞秒激光在提高加工精度的同时又能提高效率的个原因。 4 传输过程中的自聚焦现象 自聚焦效应是由于折射率是光强的溺数： ( r ) = 。，+ i 2 ，( ，) ，其中i 2 称为 - - o 二l l ：线性折射率，比例于三次磁化系数。我们一般将飞秒激光束看作高 斯分和，即：折射率在高强度脉冲的截面内变化。光束中心的强度商，j 刊嘲 上海大学硕士毕业论文 强度低，恰似光束在通过凸透镜一样，这种现象称为自聚焦。利用飞秒激光 诱发的这一现象甚至可以突破衍射极限获得更小的特征尺寸。 2 1 3 飞秒激光材料加工的机理研究 由于飞秒激光具有很高的峰值功率( 可达1 0 ”w ) 和功率密度( 达 1 0 ”w o r e 2 1 ，与各种材料相互作用时往往诱发如多光子效应、自聚焦现织、雪 崩电离等各种非线性现象，飞秒激光与各种材料作用的机理各不相同而且目 前尚不卜分清楚，还处于探索阶段，但根据现有的实验现象和结果，对于各 种材料人们提出了各种不同的解释模型，主要有以下几种情况： l 阈值模型：飞秒激光加工主要是利用飞秒激光对材料的烧蚀作用，将 飞秒激光聚焦在被加工材料表面或者体内产生烧蚀。传统的长脉冲烧蚀主要 i 是热破坏机制，烧蚀阈值满足式子f 。o cr 2 ，其中丘 表示烧蚀阈值，f 表 示脉宽。当脉宽在几十皮秒以上时，实验结果与上式符合很好，但当脉宽继 续降低( f f 、l 可以很容易地计算出两类匹配条件下的匹配角。 当然共线作用情况，d , t 要满足条件( 1 ) ( 2 ) 外，脉冲的走离角、脉宽以及 带宽等因素也是影响飞秒激光倍频效率的重要原因，另外互作用效率在很大 程度e 还取决于有效非线性系数能曲的大小。 2 社轴晶体中，两个光场烈】) 和f ( ( i ) 2 ) 相互作用，诱导，“生的二阶极化 上海大学硕士毕业论文 尸( ，) = 2 e 。q d 叶a ，吼e 。汪。) = 2 。d 岍e 。汪扫：) ( 6 ) 其中“，、口，吼分别为p 如，) 、e 1 ) 、e ：) 的单位矢量，d 肚为晶体的二阶 极化张量。定义有效非线性系数： d 啦= a f t n m a q 由三波非线性耦合基本方程可导出小信号近似下的倍频转换效率为8 7 】： 帮2 等叫铲糍c 筹 ( 8 ) 其中勘为晶体的有效非线性系数，f 为晶体的通光长度，p “、p2 “分别为基 波和二次谐波光功率，ak 为相位失配量，从( 8 ) 式显然可以看出此时倍频转换 效率与晶体的有效非线性系数的平方成正比。 目前，在应用方面飞秒激光技术非常需要可调谐的紫外光源甚至可调营 的深紫外光源，而能够实现这一一目标的途径只有飞秒激光的倍频甚至四倍频， 因此飞秒激光倍频技术仍有进一步发展的需要。目前用于t i ：s a p p h i r e 飞秒激 光倍频的晶体主要是l b o 、b b o 两种晶体。本论文采用了b b o 晶体对飞秒 激光进行倍频。 3 2 飞秒激光倍频光直写系统描述 飞秒倍频激光直写系统装置如图32 1 所示：主要由钛宝石飞秒激光器作 为激光光源、激光直写系统的光学系统以及控制系统三部分组成。由钛宝石 飞秒激光器产生的低功率( 1 5 0 m w 左右) 飞秒激光( 7 9 0 n n l 左右) 经b b o 晶体产 g ：的倍频光( 3 9 5 n m 左右) 正直n 了在光刻胶的感光范酮内，通过二维移动平台的移 动司以在光刻胶的涂层上产生所需的曝光图案( 经过显影、定影后) ，然后通过 微电子工艺的刻蚀工艺，加工出任意形状的微光学元件和金属掩模板。该直 写系统将飞秒激光倍频技术和微电子工艺技术相结合，给出了一种加工微电 了掩模板和微光! 学元件的新方法。 上海大学硕士毕业论文 匪 一 图3 21 飞秒倍频激光直写系统光路图 3 2 1 激光光源 实验采用的激光光源是由天津大学提供的自锁模掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 飞秒激光器。该飞秒激光器采用氩离子激光器泵浦源，输出光中心波长在 7 9 0 h m 左右，光谱宽度为2 0 6 0 n m ，输出功率在1 5 0 m w 左右，儿永冲宽度为 2 0 f s - 5 0 f s ，重复频率为8 0 m h z 。图3 2 2 是该激光器的原理图。 刚3 2 2t i s a m 一1 型自启动克尔透镜锁模t i ：s a p p h i r e 激光器原理恻 利用光潜仪测得飞秒激光器的输出光谱及所获得倍频光的光谱图。图 3 2 ，3 给出了该飞秒激光的输出光谱，测得中心波长为7 8 83 n m 。图3 2 4 是洲 得的飞秒倍频激光的光谱图，检测到峰值波长1 和2 分别是3 9 6 n n l 与3 9 9 n 。 上海大学硕士毕业论文 w a v e l e n g t h 陋叫 图3 23b 秒激光器的输出基波光谱 w a v e l e n g t h 【n m 】 幽3 2 4 飞秒倍频激光的光谱 3 2 2 激光微加工的光学系统 光学系统是激光微加二【：系统的重要组成部分之一，它的特性将直接影响 in旦扫_d_dh岛w 上海大学硕士毕业论文 激光加工系统的性能。常见的聚焦光学系统有：单透镜聚焦系统、投影成像 系统、倒装望远系统及发散会聚系统几种【8 s 】。 根据加工的需要，本实验中我们采用了倒装望远会聚系统与聚焦系统相 结合的光学系统。如图3 25 所示，光路图中显微物镜l 】、l 2 、l 3 的放大倍数 数值孔径分别采用了1 0 02 5 、4 0 1 及4 0 0 6 5 。利用显微物镜焦距计 算公式户1 m ( 其中是机械筒长，m 是放大倍数) ，l 】、l 2 、l 3 的机械筒长分 别为1 6 0 r a m ，1 6 0 m m 和1 7 0 r a m ，得到它们的焦距分别为1 6 r a m 、4 0 r a m 和 4 2 5 r a m 。飞秒激光器的输出光光斑直径大小约2 m m ，计算得到l 3 会聚前的 光束直径约为5 m m ，刚好能够使光束充满l 3 的入射孔径，因而利用3 3 节中 的公式( 9 ) 可以计算得到会聚光斑的大小。 滤波j 一卜 幽32 5 飞秒倍频激光直写的光学系统 根据( 3 ) ( 5 ) 两式计算得到光源波长为7 9 0 n m 时i 类棚位匹配b b o 晶体的 相位匹配角为o = 2 9 6 。；此外考虑到光斑大小及晶体的色散效应，我们采用 大小为5 5 x o ，4 r a m 3 的b b o 倍频晶体。调整显微物镜l 使飞秒激光光线垂 直入身j 并聚焦于的b b o 晶体上，即可看到有蓝色的飞秒倍频激光输出，悯制 晶体倾斜角度使倍频效率最高。 为了避免基频光对样品产生作用，本实验采用滤波片将红外基频光溅， 使得只有倍频光通过。实验采用的样品是由氏沙韶光微电子公司提供的以玻 璃为赫底金属铬模板，光刻胶厚度5 7 0 n m ，铬厚度为1 4 5 n m 。 上海大学硕士毕业论文 3 2 3 激光微加工的控制系统 激光微加工的控制系统是指为了加工特定的形状所设计的光束于被加工 材料的相对运动形式以及实现这种运动的控制设备。 激光束与工件的相对运动有： 1 ) 激光器运动 2 1 工件运动 3 ) 光束运动 有时为了达到加工精度、加工速度等方面的要求，可能还会采用上述运 动方式中的两种相结合。 在本实验中，我们采用了运动方式2 ) ，将待加工样品固定在 m m 一3 m f 一1 5 - g r 2 5 6 型移动平台( 由美国n a i 公司提供) 上，通过计算机编程 控制，移动精度01 微米，步长为3 1 纳米。计算机通过p c i 一7 3 4 4 驱动控制卡、 伺服放大系统( s e r v o a m p l i f i e rs y s t e m ) 控制移动平台的运动。首先通过n l 提供 的测量与自动化浏览( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ) 检测并配置 p c i - 7 3 4 4 控制卡，使其初始化；打开伺服放大系统相应的两个轴接口丌关( 该 系统共有四个轴接口) ；运行我们编写的光栅程序就可以控制二维移动平台的 运动。 图326 是二维移动平台进行棚格状移动时的前面板对象 上海大学硕士毕业论文 我们采用l a b v i e w 语言编写程序控, n - 维移动平台。l a b v i e w 是美国 n i 公司开发的一种用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具，它 使用数据流程方法来描述程序的执行，用图标和连线代替文本的形式编写程 序。l a b v i e w 环境下开发的程序称为虚拟仪器v l ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，因为 它的外型与操作方式可以模拟实际的仪器。如图3 26 是二维移动平台进行栅 格状移动时的前面板对象的图片。图中显示了二维移动平台的运动轨迹。我 们可以通过改变v e c t o rv e l o c i t y ( r m p ) 框中的数值大小来改变二维移动平台的 速度；通过改变p e r i o dv a l u e 及p e r i o dn u m b e r 分别改变光栅的周期大小和周 期数目。图中左上角的各操作按钮依次是：右向箭头是程序运行键：回形箭 头是连续运行键；红色的剧形按钮是程序中断键；最右边的功能键是暂停键。 显然我们通过电脑操作前面板对象就可以实现对二维移动平台运动的控制 了。 3 3 飞秒激光倍频光直写原理 飞秒激光在微细) m z 方面表现出巨大的潜力，引起人们的广泛关注。以 往人们开展这方面的工作普遍采用结合放大技术的钛宝石飞秒激光系统，具 有高功率激光输出，利用飞秒激光具有高功率密度的优点对捌料进行烧蚀来 达到材料加工的目的。据我们所知，目前还没有人试图把飞秒激光振荡器的 低功率激光输出通过倍频技术对光刻胶曝光实现微细加工。 光刻胶是微电子行业中最重要的牺牲层材料之一。光刻胶通过曝光、显 影形成精细的图案，在基底上生成或刻蚀新的利料图形后，光刻胶再被沈去， 即可得到所要的光学元件。可以这么既，整个微电子工艺技术都是建立存光 刻胶工艺技术的基础之上的，而微光学工艺技术也是建立在光刻胶的工艺技 术之上。只有和光刻胶工艺技术相兼容，爿可能在微电子行业和微光学加一r 领域中起到重要的作用并得到1 。泛应用。 利用飞秒激光倍频技术i j l l 1 1 微电子模板和微光学元件的塌基本的原因在 于充分利用光刻胶的感光范围。泛用于微电子及微光学工艺的光刻胶，其 上海大学硕士毕业论文 感光范围一般在紫外区域，对红光( 例如8 0 0 r m l 的红光) 是不敏感的。钛宝 石飞秒激光倍频后的激光( 4 0 0 n m ) 正好在光刻胶的感光范围之内，因此飞秒 倍频激光可以用来加工微电子模板和微光学元件，这正是飞秒倍频激光直写 系统的核心创新点。本系统无需采用复杂昂贵的激光放火装置而直接采用钛 宝石激光振荡器输出的低功率飞秒激光就可以实现，因而可以大大降低加二 成本。 另外飞秒激光进行加工，与物质的热扩散速度相比，能更快的在激光照 割部位注入能量，激光辐照区淀积的能量难以通过热扩散的途径逸出辐照区 域，照射的能量没有在照射区域外损失，激光与物质相互作用的范围被严格 限定从而得到有效利用，在保证更小的图形线宽前提下得到比使用普通激光 更高质量的加工边缘。该系统充分利用了飞秒激光能有效地克服光刻中近域 热效应的影响的优点，可以加工出较小尺度的光刻图案；同月寸采用光刻胶的 光刻工艺，可以实现锐利清晰的光刻图案的边界，便于加工高精度的微电子 器件和微光学器件。 激光直写所能够获得的空间分辨率和最小线宽取决于所得的激光焦斑的 大小。激光焦斑直径d 可以通过下式计算得到： 砩= 2z ( 2 n a ) d ：压风 ( 9 ) 目前激光直写技术已用于制作菲涅耳透镜、相息全息光学元件等各种连 续表面轮廓的器件，较为常见且发展较为成熟的是采用氦一镉气体激光器作为 直写光源。要想提高元件的横向分辨率、得到更小的部件特征尺寸，根据( 9 ) 式的分析就必须缩短工作光波的波长，因而后来出现了氧化氤( 3 0 8 n m ) 、氟化 氮( 2 4 8 a m ) 、氟化氩( 1 9 3 i m l ) 、氟气( 1 5 7 r i m ) 激光光源等短波k 光源，并得到了 深入的研究。 最早在1 9 9 1 年m i c h a e l ，1 1g a l e 等人设计了h e c d 激光作光源的激光直写 系统f 8 9 】，光源波长输出为4 4 2 n m ，利用5 0 x 的物镜得到直径d 约为1 5 u 1 1 1 的 会聚焦点。利用该直写系统获得一维、二维的微透镜阵列及微菲涅耳透镜等 微