雙光子加工教學(xué)課件

1、飛秒激光具有脈沖寬度窄(幾個(gè)到上百個(gè)飛秒) 、峰值功率高(最高可達(dá)到拍瓦量級(jí))的特性. 從常規(guī)飛秒激光振蕩器輸出的激光經(jīng)聚焦后可在焦點(diǎn)處得到1011 1012W / cm2 量級(jí)的功率密度,而從飛秒激光放大器中得到的聚焦峰值功率則可以達(dá)到1020W / cm2 ,甚至可達(dá)到1021W / cm2 。飛秒激光微納加工的類型激光燒蝕( ablation) 微加工激光燒蝕利用了飛秒激光高強(qiáng)度和短脈沖的特點(diǎn),它具有比長(zhǎng)脈沖激光(如調(diào)Q的Nd: YAG激光)優(yōu)秀得多的加工效果雙光子聚合( two photopoly2 merization)加工雙光子聚合制備三維微納結(jié)構(gòu)是飛秒激光微納加工中最獨(dú)特也是最具

2、有應(yīng)用前景的一種方法,它的原理是利用光與物質(zhì)相互作用的非線性雙光子聚合作用獲得遠(yuǎn)小于衍射極限的加工尺寸飛秒激光加工技術(shù)第1頁(yè)，共24頁(yè)。飛秒激光微納加工第2頁(yè)，共24頁(yè)。雙光子聚合加工雙光子吸收采用具有超短和超強(qiáng)特性的飛秒激光作為光源具有兩方面的新穎特性: 雙光子吸收是長(zhǎng)波吸收短波發(fā)射的過(guò)程,激發(fā)光對(duì)介質(zhì)穿透率高,可有效地減少介質(zhì)對(duì)激發(fā)光吸收等過(guò)程的耗散和破壞,并能用可見(jiàn)光或近紅外光來(lái)激勵(lì)那些原本需要遠(yuǎn)紫外光才能激發(fā)的體系 由于材料的雙光子吸收與激發(fā)光強(qiáng)的平方密切相關(guān),因而在緊密聚焦的條件下,雙光子吸收僅局限在物鏡焦點(diǎn)處空間體積約為3 (為入射光波長(zhǎng))的小范圍空間內(nèi)第3頁(yè)，共24頁(yè)。第4頁(yè)，共

3、24頁(yè)。為何能突破衍射極限光強(qiáng)依賴性雙光子聚合明顯的閾值性聚焦后的激光強(qiáng)度在空間上呈高斯或類高斯分布第5頁(yè)，共24頁(yè)。雙光子聚合加工系統(tǒng)第6頁(yè)，共24頁(yè)。加工系統(tǒng)：鎖模鈦寶石飛秒振蕩器,脈寬150fs,中心波長(zhǎng)780nm,重復(fù)頻率76MHz. 激光由一個(gè)數(shù)值孔徑NA = 1. 4 的物鏡聚焦. 實(shí)驗(yàn)所用的樹脂(型號(hào)為SCR500,由日本的JSR公司生產(chǎn)),該樹脂對(duì)近紅外波長(zhǎng)是透明的,允許鈦寶石激光入射到樹脂深處納米牛尺度：長(zhǎng)10m,高7m，最細(xì)微部分的尺寸為120nm，是目前世界上人工制作的最小動(dòng)物模型。它的大小和人體紅血球差不多雙光子聚合加工的應(yīng)用第7頁(yè)，共24頁(yè)。加工原理示意第8頁(yè)，共24

4、頁(yè)。制備納米顆粒利用溶膠- 凝膠方法產(chǎn)生摻金(Au)離子SiO2 /TiO2 玻璃薄膜,對(duì)之進(jìn)行雙光子吸收操作后形成了金納米顆粒陣列摻鈦( Ti)離子的光聚合樹脂( urethane acrylate)進(jìn)行雙光子聚合,在聚合物結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了TiO2 納米顆第9頁(yè)，共24頁(yè)。高密度存儲(chǔ)原理一摻雜sp iropyran分子的聚甲基丙烯酸甲酯( PM2MA) 是一種光反應(yīng)變色材料， 通過(guò)雙光子吸收過(guò)程在樣品中產(chǎn)生折射率的改變，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)。光反應(yīng)變色材料的最大特點(diǎn)在于其光學(xué)可逆性，利用光學(xué)輻照，可以使反應(yīng)后的產(chǎn)物重新恢復(fù)到反應(yīng)前的狀態(tài)，所以這種材料在可擦寫光學(xué)信息存儲(chǔ)、波導(dǎo)寫入等領(lǐng)域具有巨大

5、的應(yīng)用潛力第10頁(yè)，共24頁(yè)。第11頁(yè)，共24頁(yè)。高密度存儲(chǔ)原理二利用雙光子吸收和共焦原理，三維光學(xué)高密信息存儲(chǔ)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在直徑120 mm、厚度10 mm 的光盤上存儲(chǔ)200 GB 的數(shù)據(jù),用并行方法讀出,速度達(dá)Gbit/ s共焦光學(xué)系統(tǒng)具有三維分層掃描成像能力，有效地避免鄰層的干擾，并且與CD 播放機(jī)有極好的兼容性，成為重要的三維光學(xué)數(shù)據(jù)讀出方法第12頁(yè)，共24頁(yè)。第13頁(yè)，共24頁(yè)。第14頁(yè)，共24頁(yè)。泵浦源輸出波長(zhǎng)為532nm 的連續(xù)光；飛秒激光器為鈦-藍(lán)寶石飛秒激光器，在4.2W 泵浦源的條件下，穩(wěn)定輸出功率為560mW，頻率為82MHz，波長(zhǎng)為796nm，飛秒激光脈寬約30fs，單

6、脈沖能量約8nJ。796nm 紅外飛秒激光經(jīng)過(guò)倍頻器(BBO)后波長(zhǎng)變?yōu)?98nm 的紫外光，倍頻器的輸出功率為100mW。國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究第15頁(yè)，共24頁(yè)。第16頁(yè)，共24頁(yè)。第17頁(yè)，共24頁(yè)。聚焦離子束（ FIB ）加工原理FIB技術(shù)是利用靜電透鏡將離子束聚焦成極小尺寸的顯微加工技術(shù)，聚焦離子束（FIB） 在電場(chǎng)作用下可被加速或減速，以任何能量與靶材發(fā)生作用，并且在固體中有很好的直進(jìn)性；離子具有元素性質(zhì)，因此FIB與物質(zhì)相互作用時(shí)能產(chǎn)生許多可被利用的效應(yīng)。所以，F(xiàn)IB被廣泛應(yīng)用在離子束曝光、注入、刻蝕、沉積、鍍膜、拋光、鉆孔和研磨等領(lǐng)域第18頁(yè)，共24頁(yè)。液態(tài)金屬離子源是利用液態(tài)金屬在強(qiáng)

7、電場(chǎng)作用下產(chǎn)生場(chǎng)致離子發(fā)射所形成的離子源。液態(tài)金屬離子源的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。目前商用FIB 系統(tǒng)的粒子束是從液態(tài)金屬鎵中引出，由于鎵元素具有低熔點(diǎn)、低蒸汽壓以及良好的抗氧化力，因而液態(tài)金屬離子源中的金屬材料多為鎵液態(tài)金屬離子源結(jié)構(gòu)示意圖第19頁(yè)，共24頁(yè)。FIB 修改過(guò)的集成電路FIB的應(yīng)用集成電路芯片的修改運(yùn)用FIB 的濺射與沉積功能，可以將某一處的連線斷開，或?qū)⒛程幵瓉?lái)不相接的部分連接起來(lái)第20頁(yè)，共24頁(yè)。光學(xué)掩模缺陷修補(bǔ)前后比較FIB的應(yīng)用光刻掩模板缺陷的修復(fù)兩大類掩模缺陷：遮光缺陷與透光缺陷第21頁(yè)，共24頁(yè)。FIB的應(yīng)用制作透射電鏡樣品無(wú)論透射電鏡（TEM） 還是掃描透射電鏡（STEM）都需要制作非常薄的樣品，以便電子能夠穿透樣品，形成電子衍射圖像。傳統(tǒng)的制作TEM樣品的方法是機(jī)械切片研磨，用這種方法只能制作大面積樣品。采用FIB則可以對(duì)樣品的某一局部“切片” 觀察第22頁(yè)，共24頁(yè)。FIB的應(yīng)