激光蝕刻原理精品課件

1、激光蝕刻原理第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四目錄一：激光產(chǎn)生原理二：激光刻蝕原理第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四激光產(chǎn)生原理1.激光定義： 激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是“通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大”。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。2.激光發(fā)展史： 1960年

2、7月7日，梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器由誕生，梅曼的方案是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管，來(lái)刺激紅寶石。由于紅寶石其實(shí)在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時(shí)，就會(huì)發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個(gè)孔，使紅光可以從這個(gè)孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到比太陽(yáng)表面還高的溫度。 第3頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四原子結(jié)構(gòu)模型第4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四3.激光產(chǎn)生理論介紹 3-1 激光在產(chǎn)生過(guò)程中始終伴隨著以下三種狀態(tài)： a. 受激吸收（簡(jiǎn)稱吸收）：處于較低能級(jí)的粒子在受到

3、外界的激發(fā)，吸收了能量時(shí)，躍遷到 與此能量相對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)。受激吸收躍遷E2E1E2E1入射光子 b.自發(fā)輻射：粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子 的較低能級(jí)，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)激發(fā)態(tài)（E2）向 低能級(jí)基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子。E2E1E2E1自發(fā)輻射光子自發(fā)輻射躍遷第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四c. 受激輻射（激光）: 當(dāng)頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅 速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳

4、播方向都 相同的光子。 E2E1E2E1入射光子受激輻射光子入射光子受激輻射躍遷 3-2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的 粒子數(shù)，這種 分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。 第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四4.晶體腔：工作物質(zhì)，諧振腔，激發(fā)源工作物質(zhì)：使受激輻射成為介質(zhì)中的主導(dǎo)過(guò)程，必要條件是在介質(zhì)中造成離子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使介質(zhì)激活。例如：摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶

5、體。 諧振腔：加強(qiáng)介質(zhì)中的受激輻射，通常由兩塊與工作介質(zhì)軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構(gòu)成。工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后就能產(chǎn)生光放大。諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，把其它頻率和方向的光加以抑制。激發(fā)源：要是工作物質(zhì)成為激活態(tài)，需要外界激勵(lì)作用。一般有光泵式，電激勵(lì)式，化學(xué)式。工作介質(zhì)（YAG晶體）光源泵電源全反射鏡半反射鏡激光束第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的粒子體系（工作物質(zhì)）。具有特定頻率的光進(jìn)行放大。激光振蕩器中工作物質(zhì)發(fā)出的光不是外來(lái)的，而是工作物質(zhì)本身自發(fā)躍遷而產(chǎn)生的，即自發(fā)輻射（非受激輻射）。由于自發(fā)輻射沒有

6、確定的頻率及傳播方向，且雜亂無(wú)章。為使自發(fā)輻射頻率單一性，就需要有一裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，即光學(xué)諧振腔。要解決自發(fā)輻射，使其呈單一性的方法是只有在工作物質(zhì)的兩側(cè)放置兩塊反射鏡。而且兩塊反射鏡必須彼此平行，并與工作物質(zhì)的光軸垂直（見圖24）。兩個(gè)反射鏡中，一個(gè)是全反射鏡，反射有效率為99.8，一個(gè)是半反射鏡。反射率為4060。諧振腔即指兩塊反射鏡構(gòu)成的空間。在諧振腔中，初始的光輻射是來(lái)自自發(fā)輻射，即處于高能級(jí)上粒子自發(fā)輻射光子躍遷到低能級(jí)。由于這類輻射出來(lái)的光子初相位無(wú)規(guī)律地向四面八方射出。這種光不是激光。而是像點(diǎn)烯的一個(gè)火種尤如生爐子點(diǎn)火一樣。第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期

7、四自發(fā)輻射光子不斷產(chǎn)生，同時(shí)射向工作物質(zhì)，再激發(fā)工作物質(zhì)產(chǎn)生很多新光子（受激輻射）。光子在傳播中一部分射到反射鏡上，另一部分則通過(guò)側(cè)面的透明物質(zhì)跑掉。光在反射鏡的作用下又回到工作物質(zhì)中，再激發(fā)高能級(jí)上的粒子向低能級(jí)躍遷，而產(chǎn)生新的光子。在這些光子中，不在沿諧振腔軸方向運(yùn)動(dòng)的光子。就不與腔內(nèi)的物質(zhì)作用。沿軸方向運(yùn)動(dòng)的光子，經(jīng)過(guò)諧振腔中的兩個(gè)反射鏡多次反射，使受激輻射的強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)。促使高能級(jí)上的粒子不斷地發(fā)出光來(lái)。如果光放大到超過(guò)光損耗時(shí)（衍射、吸收、散射等損失）產(chǎn)生光的振蕩，使積累在沿軸方向的光，從部分反射鏡中射出這就形成激光。在諧振腔的反饋過(guò)程中，我們了解到光只能沿諧振腔的軸向傳播，因此激光

8、具有很高的方向性。又由于諧振腔中兩個(gè)反射鏡之間距離不同，光在腔內(nèi)不斷地反射，得到加強(qiáng)。而其它波長(zhǎng)的光在腔內(nèi)很快被衰減掉，諧振腔就可以選擇一固定波長(zhǎng)，說(shuō)明激光具有單色性。而激光的亮度高是由光放大產(chǎn)生的。第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四激勵(lì)能源工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激光的產(chǎn)生過(guò)程可歸納為：激光產(chǎn)生工作物質(zhì)光子放大及振蕩其它粒子的受激輻射偶然的自發(fā)輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外界激勵(lì)光學(xué)諧振腔第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四固體工作物質(zhì)：摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）；紅寶石；釹玻璃；氣體工作物質(zhì)：CO2分子氣體；He-Ne原子氣體；氬離子氣體；

9、半導(dǎo)體工作物質(zhì)：砷化鎵 工作物質(zhì)被激勵(lì)后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的活性物質(zhì)激勵(lì)裝置能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源光激勵(lì)： 用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)（閃光燈、LD）；電激勵(lì)： 用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子；化學(xué)激勵(lì)：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法；熱激勵(lì)： 超音速絕熱膨脹法；注入式激勵(lì)：采用向半導(dǎo)體物質(zhì)注入大電流的方法。第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四激光器內(nèi)部機(jī)構(gòu)（P4）晶體腔：產(chǎn)生最原始的激光（包含YAG晶體，LED光源，電源）；全反光鏡：使光完全反射回去，增大光強(qiáng)度；半反射鏡：反射75%的光，只有滿足一定直線性，能量和波長(zhǎng)的光才能通過(guò)，大約25%；Q-

10、Switch：分X軸和Y軸，控制激光輸出能量，得到能量較強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的光束；功率計(jì)：量測(cè)輸出的激光能量大??；Shutter：控制激光輸出的一個(gè)開關(guān)。全反光鏡反光鏡： （越75%）Q-Switch晶體腔功率計(jì)Shutter接光纖激光器外形第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四激光器內(nèi)部分解圖（P4）Q-Switch晶體腔半反鏡光纖耦合器第14頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四激光刻蝕原理以P1為例第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四通過(guò)對(duì)激光器在不同功

11、率和速度下所達(dá)到的刻蝕效果開展研究, 探索激光刻蝕最佳工藝, 并通過(guò)測(cè)試刻蝕前后玻璃的外觀、力學(xué)、光學(xué)特性變化確定激光刻蝕對(duì)玻璃的影響, 進(jìn)而探討激光刻蝕技術(shù)在IT O 薄膜玻璃中的應(yīng)用。第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)44分，星期四激光刻蝕的原理是: 當(dāng)激光光束聚焦于幾十個(gè)微米的目標(biāo)物上時(shí), 光電或者光熱作用引發(fā)一系列的化學(xué)鍵斷裂, 發(fā)生的時(shí)間順序隨著材料的不同而不同。吸收性能較小的材料需要更多的幅照時(shí)間, 在這段時(shí)間內(nèi)材料接收了所傳導(dǎo)的熱能, 材料受壓、熔化, 材料重新固化或者表面材料蒸發(fā), 或者在碳化之前燃燒。對(duì)于吸收性能較好的材料, 材料的蒸發(fā)或者粒子的燒蝕會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。在極端的情形下, 發(fā)生了爆炸性的相位改變和形成了蒸發(fā)材料的沖擊波。激光刻蝕薄膜就是選擇一個(gè)激光波長(zhǎng), 在這個(gè)波