双光子吸收在微纳加工中的应用

及其在微纳加工中的应用培养单位：中科院理化所主讲人：赵圆圆姜兴兴双光子吸收非线性光学讨论课(第二组)主要内容双光子吸收飞秒激光微纳加工双光子聚合加工及应用总结双光子吸收KaiserW,GarrettCGB.Two-photonexcitationinCaF2:Eu2+.PhysRevLett,1961,7:229—231双光子吸收双光子吸收：同时吸收两个光子——三阶非线性()1E2E123(3)假定介质中频率为和的光电场表达式为：1211111()(,)()ikzEEzae22222()(,)()ikzEEzae相应的三阶非线性极化强度的复振幅为：12(3)(3)1022122121()6(,,)()()()(,)(,)ikzPaaaEzEze22(3)(3)2011211212()6(,,)()()()(,)(,)ikzPaaaEzEze耦合波方程为：22(3)1122112212121(,)3(,,)()()()()(,)(,)dEziaaaaEzEzdzkc22(3)2211221121222(,)3(,,)()()()()(,)(,)dEziaaaaEzEzdzkc非参量过程曼利-罗关系式为：1212(,)(,)(,0)(,0)NzNzNN常数这表明频率为和的辐射场必须同时被放大或衰减，这正是双光子吸收的规律性表现。00.51(,)Nz1(,)Nz2(,)Nz12(,)(,)NzNz/TAzl12/1222/12(,0)(,0)(,)=(,0)(,0)(,0)TATAzlzlNNNzNeNNe讨论的情况：是一个小量，上式指数展开为：12(,0)(,0)NN12[(,0)(,0)]121[(,0)(,0)]TATAzlNNzTAeeNNz121(,0)(,)=1(,0)TANNzNz1211(,0)1(,0)TANNz这表明，在处吸收的光子数与成正比，即与入射光强的平方成正比。z21(,0)N飞秒激光具有脉冲宽度窄(几个到上百个飞秒)、峰值功率高(最高可达到拍瓦量级)的特性.。飞秒激光微纳加工可以加工几乎所有材料，甚至透明介质破坏区域小高阶非线性三维微加工突破光学衍射极限（纳米精度）深入材料内部（体内三维制备）极短作用时间超高光强无线性吸收飞秒激光微纳加工样品飞秒激光计算机反射镜滤光器物镜辅助气体微位移平台飞秒激光微纳加工的类型激光烧蚀(ablation)微加工双光子聚合(twophotopoly2merization)加工激光烧蚀利用了飞秒激光高强度和短脉冲的特点,它具有比长脉冲激光(如调Q的Nd:YAG激光)优秀得多的加工效果双光子聚合制备三维微纳结构是飞秒激光微纳加工中最独特也是最具有应用前景的一种方法,它的原理是利用光与物质相互作用的非线性双光子聚合作用获得远小于衍射极限的加工尺寸照明光源压电微位移台滤色片CCD监视器快门衰减器光束整形放大飞秒激光器二维振镜双光子聚合加工双光子吸收几率可表示为：优点：飞秒激光双光子聚合是利用双光子聚合几率与光强的平方成正比，因而聚合区域可以小于光束衍射极限，得到比激光波长还小的微米与亚微米结构双光子聚合加工原理2IPh入射光经透镜聚焦后作用区域示意图加工系统：锁模钛宝石飞秒振荡器,脉宽150fs,中心波长780nm,重复频率76MHz..实验所用的树脂(型号为SCR500,由日本的JSR公司生产),该树脂对近红外波长是透明的,允许钛宝石激光入射到树脂深处纳米牛尺度：长10μm,高7μm，最细微部分的尺寸为120nm，是目前世界上人工制作的最小动物模型。它的大小和人体红血球差不多KawataS,SunHB,TanakaT,etal.Finerfeaturesforfunctionalmicrodevices—Micromachinescanbecreatedwithhigherresolutionusingtwo-photonabsorption.Nature,2001,412(6848):697—698世界上最小的动物模型：纳米牛董贤子,段宣明.双光子三维微结构快速制备技术.光学精密工程,2007,15(4):441—446（d）DongXZ,ZhaoZS,DuanXM.Micronanofabricationofassembledthree-dimensionalmicrostructuresbydesignablemultiplebeamsmultiphotonprocessing.ApplPhysLett,2007,91(12):124103（b）TanDF,LiY,QiFJ,etal.Reductioninfeaturesizeoftwo-photonpolymerizationusingSCR500.ApplPhysLett,2007,90(7):71106加工分辨率DongXZ,ZhaoZS,DuanXM.Micronanofabricationofassembledthree-dimensionalmicrostructuresbydesignablemultiplebeamsmultiphotonprocessing.ApplPhysLett,2007,91(12):124103（c）（d）多焦点阵列加工技术SEMimagesofaflyfabricatedwithalaserpowerof7.70mWandascanspeedof66μm/sonthephotoresistR6.Scalebarsis5μm.Theflyis6.47μminhieght,20.90μminlongand17.61μminwidewasfullysupportedbysixlegswiththediameterofabout650nm.Citethis:J.Mater.Chem.,2011,21,5650世界上最小的微纳机械10-6N/S光镊10r/SGalajdaP,OrmosP.Complexmicromachinesproducedanddrivenbylight.ApplPhysLett,2001,78(2):249—251(b)(a)Scanningelectronand(b)opticalmicrographsofamicroinductorcreatedwithSunZB,DongXZ,NakanishiS,etal.Log-pilephotoniccrystalofCdS-polymernanocompositesfabricatedbycombinationoftwo-photonpolymerizationandinsitusynthesis.ApplPhysA-MaterSciProcess,2007,86(4):427—431高分子纳米复合材料制备的光子晶体金属材料微结构总结双光子吸收起因于介质三阶非线性效应吸收的光子数与成正比，即与入射光强的平方成正比利用非线性双光子聚合作用可获得远小于衍射极限的加工分辨率21(,0)NThanks