飞秒激光微纳加工技术与应用研究

江苏大学硕士学位论文飞秒激光微纳加工技术与应用研究姓名：杨海峰申请学位级别：硕士专业：机械制造及自动化指导教师：蔡兰20070401飞秒激光微纳加工技术与应用研究作者：杨海峰学位授予单位：江苏大学相似文献(10条)1.期刊论文马竞.朱煜.杨开明.MAJing.ZHUYu.YANGKai-ming应用飞秒激光双光子吸收还原金属离子-激光技术2010,34(3)为了探讨利用有机高分子材料的飞秒激光双光子吸收来引发金属离子还原的可行性,在自行研制的双光子微细加工系统中,采用物质的量的比为1:1的硝酸银/聚乙烯吡咯烷酮混和凝胶进行还原试验,加工出宽25μm的线条以及4mm×0.4mm的测试导线.由X射线光电子能谱分析可知,加工生成物主要元素是银,通过测试导线电阻,测算其电阻率范围在10-3Ω·m～10-5Ω·m之间.结果表明,用双光子吸收还原金属离子,可以控制反应区域,这对加工导电金属微结构是有帮助的.2.学位论文刘立鹏飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术的研究2005飞秒激光具备独特的超强与超快特性，其超强特性使我们能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强，诱发的双光子吸收区局限在焦点核心很小的体积内，控制焦点的运动可实现高精度三维加工；利用其超快特性，可以在飞秒级时间分辨下研究各类超快动力学过程。飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术是飞秒激光研究领域的热点。根据双光子光聚合原理，从自由基的角度建立了双光子光聚合模型，结合高斯光束的强度分布函数，推导了横向与轴向分辨率的表达式。建立了包括光源、显微镜和精密移动轴在内的飞秒激光三维微细加工系统，开发了数控加工软件。在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合，最高加工精度达到0.7μm，突破了衍射极限。研究了加工分辨率对加工参数的依赖关系，采用油镜能达到最高分辨率，线宽随功率增加而增加，随加工速度增加而减小，确定了微细加工系统的最佳加工参数。对实验结果进行了拟合，确定了波束腰为0.413μm，双光子吸收截面为2×10-54cm4s。波束腰展宽和成像精度等因素影响加工分辨率。采用双光子光聚合技术，制备了线宽0.72μm的CHINA模型；加工了微米级的光束分裂器、光波导、光栅和微透镜阵列等光学微器件。研究表明覆盖率为50％左右，薄板的加工质量较高，在此基础上制备了齿宽为5μm实体微型齿轮。对光子晶体进行了初步研究，加工了间距为5μm、高度为10μm的光子晶体光纤；制备了四层的三维木堆型光子晶体结构，杆间距和层间距均为5μm，分辨率为1.1μm，在国内首次实现了用飞秒双光子光聚合技术制备光子晶体结构。自行设计的飞秒激光三维微细加工系统不仅实现了微米级的加工分辨率，甚至可以突破衍射极限的限制，而且实现了真正意义上的三维加工。建立飞秒激光泵浦探测实验装置，开发了泵浦探测应用软件，实验的时间分辨率达67fs。实验表明，GaAs的载流子弛豫曲线由100fs的初始散射，2ps的晶格热平衡和500ps的回复过程组成。分析了自由载流子和晶格温度效应等对弛豫曲线的贡献，定量计算出它们诱发的折射率变化分别为-7.33×10-4、0.85×10-4。3.期刊论文刘立鹏.周明.戴起勋.潘传鹏.蔡兰.LIULi-peng.ZHOUMing.DAIQi-xun.PANChuan-peng.CAILan飞秒激光三维微细加工技术-光电工程2005,32(4)双光子吸收几率与光强度的平方成正比,因此,双光子吸收引发光致聚合局限在紧密聚焦的焦点区域,通过控制焦点的扫描运动可实现高精度三维加工.基于该原理,提出了一种利用飞秒激光进行微细加工的技术.根据此技术,建立了飞秒激光三维微细加工系统,该系统包括光源系统、显微镜系统、实时监测系统和精密移动系统等.研究发现,该系统加工的直线线宽最小可达500nm;加工线宽与加工速度成反比;激光功率为2mW时,最大和最小临界加工速度分别为80μm/s和1μm/s;制备出线宽1μm,宽度5μm的CHINA复杂结构,以及杆间距、层间距均为5μm的三维木堆型光子晶体结构.实验证实,该技术是一种非常灵活的微细加工技术.4.学位论文孙晓慧飞秒激光加工微光学元件2004本论文主要对飞秒激光加工微光学元件进行了研究.建立了两套飞秒激光直写系统并利用所建系统加工微光学元件.两套系统分别是飞秒倍频激光直写系统和飞秒激光直写系统.本研究主要取得以下方面的进展:1.首次在实验上设计和建成了一套飞秒激光倍频光直写系统.我们首次利用低功率飞秒激光倍频光与光刻胶发生作用进行微光学元件加工.以Ti:sapphire飞秒激光振荡器作光源,倍频光的获得通过相位匹配角为29.6°的BBO倍频晶体;采用倒装望远会聚系统与聚焦系统相结合的光学系统;利用LabVIEW语言编写了各种光栅程序控制二维移动平台.利用所建的飞秒激光倍频光直写系统,在实验上获得了周期为62μm,线宽为4μm的光栅.同时,我们采用重叠写入的方式加工得到周期为248μm,线宽为95μm的光栅.对于实验结果的分析,采用了光学显微镜、台阶仪等实验手段进行检测和测量.从实验结果看出,飞秒激光倍频光直写系统提供了一种加工微光学元件的新方法,而且加工得到了很好的加工质量,实现了锐利清晰的光刻图案的边界,便于提高微光学器件的加工精度.2.建立了一套飞秒激光直写系统.利用低功率飞秒激光直接烧蚀加工光刻胶掩模板,再通过光刻技术制作微光学元件.光敏材料光刻胶的感光范围在紫外区域,而飞秒激光之所以能对光刻胶产生作用,除了飞秒激光的热效应导致的烧蚀作用外,还可能包括飞秒激光诱导光刻胶发生的双光子吸收机制.实验上得到了线宽5.5微米,周期为23μm的光栅.以重叠写入的方式获得线宽为18μm光栅周期为36μm的光栅.此外,实验比较了采用数值孔径分别为0.1、0.25、0.65的显微物镜对飞秒激光束进行聚焦,比较分析加工得到的光刻胶表面浮雕的差异,发现飞秒激光与光刻胶的相互作用符合阈值模型,并且在激光功率密度较低的情况下诱发双光子吸收现象.5.学位论文赵俊芳有机材料双光子吸收截面测试方法的研究2006强双光子吸收有机材料由于在光限幅和光稳幅，频率上转换激光，三维光信息存储，三维微加工，荧光显微术以及光动力学医疗等高科技领域中具有诱人的应用前景，引起国内外学者的高度重视，九十年代中后期，己成为材料物理学、材料化学以及量子化学领域内关注的热点。有关强双光子吸收材料的制备、结构与性能关系以及双光子吸收效应的研究是当前国内外光电子领域内的前沿课题之一。双光子吸收是指分子及分子的各种凝集态通过虚中间态(Virtualstates)直接吸收两个光子，达到较高能态的过程。它是一种三阶非线性过程，只有具备了很强的激发功率才能诱导材料发生显著的双光子吸收。双光子吸收截面是双光子材料的重要特性，它标志了分子吸收双光子能力的强弱，决定了双光子材料的应用前景。性能是材料的眼睛。材料设计与合成的结果全靠测试研究来表征。因此，双光子吸收截面测试方法的研究对于促进强双光子吸收材料的研究及其应用具有非常重要的意义。一般情况下，双光子吸收截面要比单光子吸收截面小十几个数量级，因此其发生的几率较单光子吸收低的多，要求的光强比单光子吸收高很多。有关双光子吸收截面的测试和双光子吸收材料的应用研究长期以来受到了光源的限制。随着超快激光技术的发展，双光子吸收截面的测量方法也逐渐发展起来。目前，国际上比较常用的有双光子诱导荧光法、非线性透过率法、Z-扫描法等。近年来，美国加州大学Irvine分校的Oulianov等又提出了一种新的测量方法：双光子瞬态吸收光谱法。双光子诱导荧光法特别适合于吸收截面大荧光较强的材料，通过测量样品的荧光强度，根据荧光强度对入射光强的依赖关系，可以求得双光子吸收截面。非线性透过率法适合于溶解度较高抗激光损伤阈值较高荧光较弱或没有荧光的材料。通过测量材料对激光的透过率随光强的变化关系，拟合曲线求得双光子吸收系数以及截面。Z-扫描法适合各种溶解度高的材料，是测量材料的非线性折射率和非线性吸收系数的常用方法。测试双光子吸收系数采用的是开孔Z-扫描法，将待测薄样品沿着通光方向在焦点附近移动，通过测试并记录透过率与样品位置的关系，通过拟合求得材料的双光子吸收系数及截面。本文对双光子吸收过程进行了理论和实验的研究，着重研究双光子诱导荧光法、非线性透过率法和Z-扫描法在有机双光子吸收材料的测试应用。利用美国光谱物理公司生产的飞秒激光系统进行了大量的新材料的双光子吸收系数和截面测定，对于各种测量方法和实验结果进行比较和分析。本论文主要包含以下内容：1.双光子吸收过程研究的历史及发展回顾。简要介绍了双光子吸收的基本原理，介绍双光子技术的应用前景。2.双光子过程及双光子吸收截面的理论研究。介绍了本论文所应用的飞秒激光系统。3.用双光子诱导荧光法进行双光子吸收截面测试的理论和实验研究。4.用非线性透过法进行双光子吸收截面测试的理论和实验研究。5.用Z-扫描法进行双光子吸收截面测试的理论研究，和部分实验设计。6.期刊论文李成斌.贾天卿.孙海轶.李晓溪.徐世珍.冯东海.王晓峰.葛晓春.徐至展.LiCheng-Bin.JiaTian-Qing.SunHai-Yi.LiXiao-Xi.XuShi-Zhen.FengDong-Hai.WangXiao-Feng.GeXiao-Chun.XuZhi-Zhan飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究-物理学报2006,55(1)用扫描电镜(SEM)研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌.根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系,测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线(55-750fs).计算了导带电子的双光子吸收,改进了多速率方程模型,很好地解释了实验结果.7.学位论文陈恩果基于双光子共振的生物组织的非线性效应2009近年来，许多应用于生物医学领域的显微技术广泛地运用了双光子激发荧光和光学二次谐波作为信号源。但至今为止，仍然有许多飞秒激光与生物组织体相互作用的非线性效应有待探索。利用钛宝石飞秒激光器作为光源的ZeissLSM510META共焦扫描显微镜，我们对两种不同的生物样品进行非线性复合成像，并得到不同波长下双光子荧光和二次谐波信号强度随激发功率变化的关系曲线。基于实验结果，发现双光子荧光和二次谐波强度随飞秒激光激发功率的增长并不符合简单的平方关系。为了研究这种非线性现象的起因，提出二次谐波产生机制的一种新观点，并建立了生物组织瞬态双光子吸收的方程组，通过求解和数值计算，最终得到的理论曲线与实验结果基本一致，证明了该理论用来解释生物组织中的非线性效应确实具有其合理性。这项工作对研究光与生物组织相互作用的非线性理论提供了有价值的结果。8.期刊论文周明.刘立鹏.戴起勋.潘传鹏.ZHOUMing.LIULi-peng.DAIQi-xun.PANChuan-peng飞秒激光双光子微细结构的制备-中国激光2005,32(10)基于双光子吸收引发的光聚合局限在紧密聚焦的焦点区域的原理,建立了飞秒激光三维微细加工系统;结合高斯光束的强度分布函数,推导了横向与轴向分辨率的表达式.在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合,最高加工精度达到0.7μm.研究表明,加工线宽随功率增加而增加,随加工速度增加而减小;确定了波束腰为0.425μm,双光子吸收截面为2×10-54cm4·s.采用双光子光聚合技术,加工了齿宽5μm的实体微型齿轮,制备三维木堆型光子晶体结构,分辨率为1.1μm,杆间距和层间距均为5μm,实现了飞秒双光子光子晶体结构的制备.9.学位论文潘传鹏三维光子晶体的计算与制备及飞秒激光微加工系统开发研究2007近年来，飞秒激光双光子微细加工技术和光子晶体的相关研究得到了世界范围内越来越多科研工作者的重视。本文也在上述领域作了大量的研究工作。首先，本文自行开发了飞秒激光双光子微加工系统，并详细介绍了该系统的光源和光路组成部分；理论分析了光学聚焦系统对微加工区域尺寸的影响；之后针对该微加工系统的控制部分，本文自行开发了一套用于控制扫描振镜的软件程序；同时对微加工过程中的失真和补偿问题进行