激光原理及应用

目录一：激光产生原理二：激光刻划原理三：激光扫边原理1.激光定义：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。2.激光发展史：1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。激光产生原理3.激光产生理论介绍3-1激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：a.受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射跃迁b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。受激吸收跃迁E2E1E2E1入射光子c.受激辐射（激光）:当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。受激辐射跃迁3-2粒子数反转要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数，这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。E2E1E2E1入射光子受激辐射光子入射光子4.晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源•工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶体。•谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。•激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式，化学式。工作介质（YAG晶体）光源泵电源全反射镜半反射镜激光束激光的产生过程可归纳为：激励能源工作物质全反射镜部分反射镜激光产生工作物质光子放大及振荡其它粒子的受激辐射偶然的自发辐射粒子数反转外界激励光学谐振腔•固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃；•气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体；•半导体工作物质：砷化镓工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源•光激励：用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）；•电激励：用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子；•化学激励：应用化学反应方法；•热激励：超音速绝热膨胀法；•注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。激光器内部机构（P4）•晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）；•全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度；•半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%；•Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束；•功率计：量测输出的激光能量大小；•Shutter：控制激光输出的一个开关。全反光镜反光镜：（越75%）Q-Switch晶体腔功率计Shutter接光纤激光器外形激光器内部分解图（P4）Q-Switch晶体腔半反镜光纤耦合器镜头聚焦原理——凸透镜激光刻划原理——以P1为例GaussianBeamTopHat光斑1.BeamShaping（激光束形状）•一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变成为扁平式波形的平顶光束，即TopHat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。•加装BeamShaping的镜组，激光的BeamProfile由高斯光（Gaussian）改为TopHat，制程速度可提高2-4倍以上。2.LaserAttenuator（激光衰减）现有调节激光功率的方法：•调节电流：会改变激光的光束截面（BeamProfile），会影响打出来的线宽和焦点。•调节频率RepetitionRate(Hz)：会影响激光能量和刻划线宽。•光束截面：圆形或者长方形Beamsizeprofile:roundorrectangle•能量分布：高斯或者多元高斯（平顶）Energydistribution:Gaussianormulti-Gaussian(Topflat)pulseHz•减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度Lesspulsetime,highpeakpowermoreenergydensity3.激光束截面和能量密度分布Beamsizeprofileandenergydensitydistribution能量密度=功率/频率/光斑面积1.1uW/um=220W/20KHz/900um2高斯多元高斯高重叠率Highoverlap1.低速度Lowspeed(tacttime)2.高能量Highenergy(mayberesultindamage)低重叠率Lowoverlap1.高速度Highspeed(tacttime)2.低能量Lowenergy(maybefilmisn’tdeletedclearly)0%50%d4.重叠率计算——Overlap速度频率*光斑直径1—重叠率=宏观计算：微观计算：重叠率Overlap=d/r激光扫边原理——激光控制系统冷却系统激光电源激光腔反射镜扩束镜Q开关输出镜声光电源计算机系统扫描振镜运动工作台聚焦系统1.扩束系统•扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件，也称准直镜，通常由共焦的两个透镜:一个负（凹）透镜和正（凸）透镜组成；•光束直径增大，远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外，小的发散能够使高斯光束聚焦得更好•外光路可配置4倍扩束系统，保证光束的准直性。2.振镜扫描聚焦系统•其工作原理是将激光束入射到扫描镜上，用计算机控制扫描镜的反射角度来达到激光束的偏转，从而使激光聚焦点沿与玻璃边沿平行方向扫描输出激光，将表面膜层清除；•扫描器的直线扫描速度最大可达7000mm/s。通过调节振镜头的上下位置调节激光光斑直径大小；•场镜：聚焦系统为F-θ平场透镜，选用焦距f=254mm。普通聚焦透镜像高y与入射角度θ的关系符合y=ftgθ，当入射光偏转时其在焦平面上的扫描速度不断变化；对普通透镜作改进后使像高y=fθ，以等角速度偏转的入射光实现线性扫描，这种线性成像物镜称为F-θ镜。振镜激光器扫描镜场镜振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时,电磁力矩与回复力矩大小相等,故不能象普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角与电流成正比,与电流计一样,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanometricscanner)。扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvoscanningsystem。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V或-10V－+10V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。3.声光调制系统•声光调制系统由声光电源和声光调制器（Q开关）两部分组成；•声光调Q技术是指在谐振腔中放入声光介质，通过电声转换形成超声波，使声光介质的折射率发生周期性变化，从而使激光能量以巨脉冲形式输出（Q值是谐振电路中的参数，Q值越高，谐振曲线越尖锐）；•声光调Q是一种广泛使用的Q开关方式，其有重复频率高、性能可靠的优点。激光调制前激光调制后4.机械运动系统•基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；•激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；•在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度和需要重复的次数；•振镜就能在微机的控制下，沿与玻璃边缘平行方向扫描输出激光，清除边缘表面膜层。清边宽度为10mm。