文档介绍：飞秒激光在微纳加工领域的应用
飞秒激光开始应用到微纳加工领域始于20世纪90年代初。正是由于飞秒激光具有持续时间短及高脉冲功率密度的特性,使得其与物质相互作用时具有许多独特的优点:确定的烧蚀阈值,规则的加工边缘,层层微加工以及可加工任何材料等。最近研究结果表明:飞秒激光微细加工在微光学、微电子、微机械、微生物、微医学等多个领域具有潜在的应用价值。不同学科、不同实验具有不同的具体要求,这就需要采取相应的加工手段来实现特定加工目的,囚此飞秒激光深孔加工技术等加工工艺开始引起越来越多研究者的重视。
激光整形技术是指在激光腔内或腔外采用光学元件改变光束形态实现光束整形。飞秒激光脉冲整形有别于传统整形概念,主要是在保留原有高峰值功率特性基础上, 在光路中引人扩束器、滤波器以及衍射模板等光学器件,达到缩小聚焦尺寸、去除高斯光束周围荧光成分、减少脉冲形变及多种形状加工等目的。常用的是空间滤波和掩模控制技术。空间滤波是实现对光束边缘荧光的屏蔽效用,实现聚集点光学质量的改善,掩模控制是通过掩模形状来实现对脉冲的调制,以达到确定的加工目的。
本文采用聚焦物镜与接收材料同步运动的方法,可以很容易地将焦点前后脉冲的空间形态在材料表面以二维平面图形式表示出来。在聚焦物镜前加小孔掩模板,通过小孔直径及小孔前后脉冲能量的变化,可直观观察到光束空间形态的改变。最后,实验选取合适参数,成功刻划出边缘光滑的透射型金属光栅。
1 实验装置及方法
实验设备采用的是Clark公司飞秒激光加工工作台(UMW-2110i,Clark-MXR Inc.)。激光具体参数为:中心波长775nm,脉宽148 Fs,重复频率1kHz,最大单脉冲能量1mJ,在光路上加衰减片可以调整脉冲能量,聚焦前光斑直径5mm;~10mm;接收材料为喷溅法镀在溶石英基片上的金膜(厚度约为300nm)。飞秒激光经掩模小孔后由5×显微物镜(有效焦距为40 mm)聚焦金膜表面。采用物镜与接收平台同步运动的方法,将焦点前后脉冲的空间形态以二维平面图形式在金膜表面显示出来;加工结果采用透射式光学显微镜和 SEM进行分析测试。实验装置如图1所示。
图1 实验装置示意图
物镜由平台承载做轴向(Z轴)移动,材料由X-Y轴承载,同步运行Z轴和X轴就能够将焦点附近轴向范围内达到材料阈值的长度在金膜上记录下来,焦点位置是从材料表面之上移到材料内部,与此相对应,图像中是由右到左。结果可以和瑞利长度相比较进行分析。
2 实验结果分析
通常的,如果知道激光中心波长,透镜的焦距f和入射光在透镜前表面处的束腰半径ω,就可以得到瑞利长度ZR,瑞利长度的表达式为:
式中:ω0=λ0f/πω,为焦点处束腰半径。由于实验采用的是物镜,从有效工作距离较难推出真正的束腰半径,,所以5×。
而焦点附近轴向范围内光束半径ω(z)的变化是与瑞利长度和焦点处束腰半径有关的函数,如图2所示,其表达式为:
图2 光束束腰半径(ω(z))在焦点附近随传输方向变化示意图
实验通过改变图1中针孔直径大小,观察焦点附近光轴方向所能实现烧蚀区域的变化情况,分别采用保持针孔前和针孔后脉冲能量不变的两种情形,在金膜表面记录下焦点附近光束