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光學(xué)元件

飛秒激光在微納加工領(lǐng)域的應(yīng)用

星之球激光 來(lái)源:機(jī)械專家網(wǎng)2012-03-24 我要評(píng)論(0 )   

飛秒激光開(kāi)始應(yīng)用到微納加工領(lǐng)域始于20世紀(jì)90年代初。正是由于飛秒激光具有持續(xù)時(shí)間短及高脈沖功率密度的特性,使得其與物質(zhì)相互作用時(shí)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):確定的燒蝕...

       飛秒激光開(kāi)始應(yīng)用到微納加工領(lǐng)域始于20世紀(jì)90年代初。正是由于飛秒激光具有持續(xù)時(shí)間短及高脈沖功率密度的特性,使得其與物質(zhì)相互作用時(shí)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):確定的燒蝕閾值,規(guī)則的加工邊緣,層層微加工以及可加工任何材料等。最近研究結(jié)果表明:飛秒激光微細(xì)加工在微光學(xué)、微電子、微機(jī)械、微生物、微醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。不同學(xué)科、不同實(shí)驗(yàn)具有不同的具體要求,這就需要采取相應(yīng)的加工手段來(lái)實(shí)現(xiàn)特定加工目的,囚此飛秒激光深孔加工技術(shù)等加工工藝開(kāi)始引起越來(lái)越多研究者的重視。
        激光整形技術(shù)是指在激光腔內(nèi)或腔外采用光學(xué)元件改變光束形態(tài)實(shí)現(xiàn)光束整形。飛秒激光脈沖整形有別于傳統(tǒng)整形概念,主要是在保留原有高峰值功率特性基礎(chǔ)上,在光路中引人擴(kuò)束器、濾波器以及衍射模板等光學(xué)器件,達(dá)到縮小聚焦尺寸、去除高斯光束周圍熒光成分、減少脈沖形變及多種形狀加工等目的。常用的是空間濾波和掩??刂萍夹g(shù)。空間濾波是實(shí)現(xiàn)對(duì)光束邊緣熒光的屏蔽效用,實(shí)現(xiàn)聚集點(diǎn)光學(xué)質(zhì)量的改善,掩??刂剖峭ㄟ^(guò)掩模形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的調(diào)制,以達(dá)到確定的加工目的。
        本文采用聚焦物鏡與接收材料同步運(yùn)動(dòng)的方法,可以很容易地將焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)在材料表面以二維平面圖形式表示出來(lái)。在聚焦物鏡前加小孔掩模板,通過(guò)小孔直徑及小孔前后脈沖能量的變化,可直觀觀察到光束空間形態(tài)的改變。最后,實(shí)驗(yàn)選取合適參數(shù),成功刻劃出邊緣光滑的透射型金屬光柵。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

       實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是Clark公司飛秒激光加工工作臺(tái)(UMW-2110i,Clark-MXR Inc.)。激光具體參數(shù)為:中心波長(zhǎng)775nm,脈寬148 Fs,重復(fù)頻率1kHz,最大單脈沖能量1mJ,在光路上加衰減片可以調(diào)整脈沖能量,聚焦前光斑直徑5mm;掩模小孔直徑可調(diào)范圍為0.5~10mm;接收材料為噴濺法鍍?cè)谌苁⒒系慕鹉ぃê穸燃s為300nm)。飛秒激光經(jīng)掩模小孔后由5×顯微物鏡(有效焦距為40 mm)聚焦金膜表面。采用物鏡與接收平臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)的方法,將焦點(diǎn)前后脈沖的空間形態(tài)以二維平面圖形式在金膜表面顯示出來(lái);加工結(jié)果采用透射式光學(xué)顯微鏡和SEM進(jìn)行分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

       物鏡由平臺(tái)承載做向(Z軸)移動(dòng),材料由X-Y軸承載,同步運(yùn)行Z軸和X軸就能夠?qū)⒔裹c(diǎn)附近軸向范圍內(nèi)達(dá)到材料閾值的長(zhǎng)度在金膜上記錄下來(lái),焦點(diǎn)位置是從材料表面之上移到材料內(nèi)部,與此相對(duì)應(yīng),圖像中是由右到左。結(jié)果可以和瑞利長(zhǎng)度相比較進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

       通常的,如果知道激光中心波長(zhǎng),透鏡的焦距f和入射光在透鏡前表面處的束腰半徑ω,就可以得到瑞利長(zhǎng)度ZR,瑞利長(zhǎng)度的表達(dá)式為:

       式中:ω00f/πω,為焦點(diǎn)處束腰半徑。由于實(shí)驗(yàn)采用的是物鏡,從有效工作距離較難推出真正的束腰半徑,實(shí)驗(yàn)中ω0采用刀口法測(cè)量了焦點(diǎn)處束腰半徑值為11.5μm,所以5×顯微物鏡瑞利長(zhǎng)度約為0.54mm。
而焦點(diǎn)附近軸向范圍內(nèi)光束半徑ω(z)的變化是與瑞利長(zhǎng)度和焦點(diǎn)處束腰半徑有關(guān)的函數(shù),如圖2所示,其表達(dá)式為:

圖2 光束束腰半徑(ω(z))在焦點(diǎn)附近隨傳輸方向變化示意圖

       實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變圖1中針孔直徑大小,觀察焦點(diǎn)附近光軸方向所能實(shí)現(xiàn)燒蝕區(qū)域的變化情況,分別采用保持針孔前和針孔后脈沖能量不變的兩種情形,在金膜表面記錄下焦點(diǎn)附近光束傳輸形態(tài)。圖3為上述兩種情形下顯微圖像。其中,Z軸和X軸運(yùn)行速度均為0.3mm/s,單脈沖能量在小孔前后分別為91.7μJ,Z軸和X軸行程均為600μm,圖中由上至下針孔直徑依次為∞、4mm、3mm、2 mm。

       從圖3(a)可以看出,不加針孔(開(kāi)孔)時(shí),燒蝕區(qū)域在焦點(diǎn)附近基本為對(duì)稱分布,且偏離焦點(diǎn)位置時(shí),燒蝕線寬迅速增加,成紡錐型分布。隨著小孔加入,通光尺寸變小,燒蝕區(qū)域線性尺度逐漸降低,聚焦點(diǎn)位置與兩翼燒蝕線寬差異明顯減少,甚至有遠(yuǎn)離透鏡跡象(見(jiàn)針孔直徑為2mm的情況)。改變脈沖能量而保證小孔后的能量一致,燒蝕現(xiàn)象沒(méi)有明硅差異(見(jiàn)圖3(b)),只是燒蝕線寬有所加大。上述現(xiàn)象通過(guò)式(1)和(2)可以很好的解釋:加入小孔后,由于孔徑的限制,使得照射到透鏡表面束腰半徑ω減小,造成焦點(diǎn)處的束腰半徑ω0有所增加,瑞利長(zhǎng)度ZR變大,因而在式(2)中,焦點(diǎn)附近束腰半徑ω(z)隨z的變化比不加小孔時(shí)減弱,宏觀上就得到了圖3中比較平緩的加工結(jié)果。

圖3 光束刻痕與針孔直徑變化關(guān)系圖

       圖4和圖5分別給出了開(kāi)孔以及小孔直徑分別為4mm、3mm、2mm時(shí)不同脈沖能量下(小孔前測(cè)得)焦點(diǎn)附近燒蝕形態(tài)的變化,Z、X軸行程仍為600μm。隨著小孔直徑的減小,透過(guò)小孔后的脈沖能量將會(huì)低于材料燒蝕閾值。因此,在圖5(a)和圖5(b)中只有4條燒蝕痕跡,甚至圖5(c)中只存在3條燒蝕線。
從圖4和圖5中可以看出,單脈沖能鼉較低時(shí),不管是開(kāi)孔還是一定針孔作用下焦點(diǎn)附近脈沖形狀不存在明顯紡錐型分布,但加針孔后焦點(diǎn)附近光束半徑變化還是舒緩了很多,較利于進(jìn)一步做深加工與切割方面的研究;隨著針孔直徑的降低,能夠?qū)崿F(xiàn)燒蝕的區(qū)域在明顯減?。ㄐ∮谌鹄L(zhǎng)度),這主要是針孔限制了大部分能量到達(dá)材料表面;小孔直徑為4mm時(shí),脈沖傳輸形狀受激光能量的影響相對(duì)較??;與圖3類似,實(shí)驗(yàn)另一個(gè)現(xiàn)象就是隨著針孔孔徑的減小,聚焦區(qū)域的最小束腰半徑處向靠近透鏡方向移動(dòng),這一點(diǎn)可以用聚焦束腰半徑與聚焦前束腰與透鏡前表面距離的變化關(guān)系來(lái)很好解釋。

圖4 開(kāi)孔時(shí)光束刻痕隨脈沖能量變化關(guān)系圖

圖5 光束刻痕隨脈沖能量變化關(guān)系圖#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

       利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)孔與針孔直徑為4mm(單脈沖能量為90μJ)兩種情況分別對(duì)金膜和不銹鋼板進(jìn)行打孔加工,得到的圖像如圖6~10所示。

圖6 金膜表面加針孔(D=4mm)時(shí)在表面刻劃的環(huán)形圖案

3 結(jié)束語(yǔ)

       本文從飛秒激光加工工藝研究出發(fā),分析了針孔掩模加工技術(shù)對(duì)聚焦點(diǎn)處飛秒激光空間傳輸特性的影響。發(fā)現(xiàn)聚焦物鏡前加小孔時(shí),激光刻痕或焦點(diǎn)附近束腰變化趨緩;脈沖能量大小只影響刻痕線寬大小。本研究得到了飛秒激光深孔加工的優(yōu)化參數(shù),利用該方法可實(shí)現(xiàn)在銅箔表面進(jìn)行透射型金屬光柵器件的刻劃。

 

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