双光子加工教学课件

1、飞秒激光具有脉冲宽度窄(几个到上百个飞秒) 、峰值功率高(最高可达到拍瓦量级)的特性. 从常规飞秒激光振荡器输出的激光经聚焦后可在焦点处得到1011 1012W / cm2 量级的功率密度,而从飞秒激光放大器中得到的聚焦峰值功率则可以达到1020W / cm2 ,甚至可达到1021W / cm2 。飞秒激光微纳加工的类型激光烧蚀( ablation) 微加工激光烧蚀利用了飞秒激光高强度和短脉冲的特点,它具有比长脉冲激光(如调Q的Nd: YAG激光)优秀得多的加工效果双光子聚合( two photopoly2 merization)加工双光子聚合制备三维微纳结构是飞秒激光微纳加工中最独特也是最具

2、有应用前景的一种方法,它的原理是利用光与物质相互作用的非线性双光子聚合作用获得远小于衍射极限的加工尺寸飞秒激光加工技术第1页，共24页。飞秒激光微纳加工第2页，共24页。双光子聚合加工双光子吸收采用具有超短和超强特性的飞秒激光作为光源具有两方面的新颖特性: 双光子吸收是长波吸收短波发射的过程,激发光对介质穿透率高,可有效地减少介质对激发光吸收等过程的耗散和破坏,并能用可见光或近红外光来激励那些原本需要远紫外光才能激发的体系 由于材料的双光子吸收与激发光强的平方密切相关,因而在紧密聚焦的条件下,双光子吸收仅局限在物镜焦点处空间体积约为3 (为入射光波长)的小范围空间内第3页，共24页。第4页，共

3、24页。为何能突破衍射极限光强依赖性双光子聚合明显的阈值性聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高斯分布第5页，共24页。双光子聚合加工系统第6页，共24页。加工系统：锁模钛宝石飞秒振荡器,脉宽150fs,中心波长780nm,重复频率76MHz. 激光由一个数值孔径NA = 1. 4 的物镜聚焦. 实验所用的树脂(型号为SCR500,由日本的JSR公司生产),该树脂对近红外波长是透明的,允许钛宝石激光入射到树脂深处纳米牛尺度：长10m,高7m，最细微部分的尺寸为120nm，是目前世界上人工制作的最小动物模型。它的大小和人体红血球差不多双光子聚合加工的应用第7页，共24页。加工原理示意第8页，共24

4、页。制备纳米颗粒利用溶胶- 凝胶方法产生掺金(Au)离子SiO2 /TiO2 玻璃薄膜,对之进行双光子吸收操作后形成了金纳米颗粒阵列掺钛( Ti)离子的光聚合树脂( urethane acrylate)进行双光子聚合,在聚合物结构上产生了TiO2 纳米颗第9页，共24页。高密度存储原理一掺杂sp iropyran分子的聚甲基丙烯酸甲酯( PM2MA) 是一种光反应变色材料， 通过双光子吸收过程在样品中产生折射率的改变，从而实现高质量的微结构。光反应变色材料的最大特点在于其光学可逆性，利用光学辐照，可以使反应后的产物重新恢复到反应前的状态，所以这种材料在可擦写光学信息存储、波导写入等领域具有巨大

5、的应用潜力第10页，共24页。第11页，共24页。高密度存储原理二利用双光子吸收和共焦原理，三维光学高密信息存储技术可实现在直径120 mm、厚度10 mm 的光盘上存储200 GB 的数据,用并行方法读出,速度达Gbit/ s共焦光学系统具有三维分层扫描成像能力，有效地避免邻层的干扰，并且与CD 播放机有极好的兼容性，成为重要的三维光学数据读出方法第12页，共24页。第13页，共24页。第14页，共24页。泵浦源输出波长为532nm 的连续光；飞秒激光器为钛-蓝宝石飞秒激光器，在4.2W 泵浦源的条件下，稳定输出功率为560mW，频率为82MHz，波长为796nm，飞秒激光脉宽约30fs，单

6、脉冲能量约8nJ。796nm 红外飞秒激光经过倍频器(BBO)后波长变为398nm 的紫外光，倍频器的输出功率为100mW。国内的应用研究第15页，共24页。第16页，共24页。第17页，共24页。聚焦离子束（ FIB ）加工原理FIB技术是利用静电透镜将离子束聚焦成极小尺寸的显微加工技术，聚焦离子束（FIB） 在电场作用下可被加速或减速，以任何能量与靶材发生作用，并且在固体中有很好的直进性；离子具有元素性质，因此FIB与物质相互作用时能产生许多可被利用的效应。所以，FIB被广泛应用在离子束曝光、注入、刻蚀、沉积、镀膜、抛光、钻孔和研磨等领域第18页，共24页。液态金属离子源是利用液态金属在强

7、电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源。液态金属离子源的基本结构如图 所示。目前商用FIB 系统的粒子束是从液态金属镓中引出，由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓液态金属离子源结构示意图第19页，共24页。FIB 修改过的集成电路FIB的应用集成电路芯片的修改运用FIB 的溅射与沉积功能，可以将某一处的连线断开，或将某处原来不相接的部分连接起来第20页，共24页。光学掩模缺陷修补前后比较FIB的应用光刻掩模板缺陷的修复两大类掩模缺陷：遮光缺陷与透光缺陷第21页，共24页。FIB的应用制作透射电镜样品无论透射电镜（TEM） 还是扫描透射电镜（STEM）都需要制作非常薄的样品，以便电子能够穿透样品，形成电子衍射图像。传统的制作TEM样品的方法是机械切片研磨，用这种方法只能制作大面积样品。采用FIB则可以对样品的某一局部“切片” 观察第22页，共24页。FIB的应