飞秒激光微细加工电介质材料与微光器件制备研究

摘要
本论文对于飞秒激光烧蚀电介质材料特性以及基于飞秒激光微细加工技术的微光器件制备及应用进行了理论和实验研究。

主要内容包括：
(1)基于固体的能带理论建立了一个描述飞秒激光脉冲与电介质材料相互作用时载流子随时间、空间变化的简化理论模型。

讨论了材料的烧蚀阈值与激光脉宽、光子能量之间的关系；讨论了多光子电离、隧道电离和雪崩电离机制在飞秒激光对材料烧蚀过程中的不同地位。

(2)实验研究了飞秒激光对两种具有代表性的无机硅材料的烧蚀机理和损伤规律，结果表明，硅片是由缺陷中的导带电子作为种子电子引发雪崩电离导致材料烧蚀，而熔石英玻璃是由多光子电离激发出导带电子进而引发雪崩电离导致材料烧蚀。

在烧蚀实验的基础上，进行了飞秒激光微细加工硅片的系统工艺研究，制作了应用于微机电系统（MEMS）的高质量微型硅模具。

(3)实验研究了飞秒激光与非线性光学晶体KTP（KTiOPO4）的相互作用。

在烧蚀区域周围观测到了尺寸约为30nm的周期性微结构，并且发现当能量较高时，结构的改变伴随有材料的熔融过程。

从理论上分析了烧蚀“弹坑”的形状特征以及纳米尺寸周期性结构现象的原因。

最后在非线性晶体内部实现了多层阵列光波导的刻写。

(4)首次采用飞秒激光直写技术在非线性光学晶体BBO（β-BaB2O4）表面成功制备了高衍射效率的一维、二维和圆形光栅。

对于光栅的形貌特征和衍射特性进行了详细的研究。

通过对材料表面的空间周期调制导致晶体中基频波的非共线传播，通过改变入射光条件，可以在衍射级次之间达到共线和非共线相位匹配，从而可以获得多重的、非共线的、高强度的二次谐波（相干）光束，并且可以对二次谐波光束的空间分布进行控制。

关键词：飞秒激光微细加工电介质材料光波导非共线相位匹配光栅
ABSTRACT
In this dissertation, theoretical and experimental studies on the femtosecond laser ablation of dielectrics and fabrication of micro-optics devices based on femtosecond laser micromachining are presented. The main contents are classified as follows.
(1) A theoretical model based on solid state energy band theory and energy conservation is developed which can describe temporal and spatial distribution of carriers in dielectric materials during laser-induced damage. The relation between damage threshold and laser pulse duration, photon energy is studied by this model. The respective roles of multi-photon ionization, tunnel ionization, and avalanche ionization in laser-induced damage are examined.
(2)Femtosecond laser ablation of Si wafer and fused silica are studied by experiments. It was found that avalanche ionization is seeded by electrons due to defects, which is the main process during laser-induced damage in Si wafer and that avalanche ionization is seeded by electrons excited by multi-photon ionization, which is the main process during laser-induced damage in fused silica. It was found that the energy deposition is initiated by multiphoton ionization rather than having to rely on impurities or defects to start an electron avalanche in transparent materials. Based on the ablation and cutting of Si wafer, a micro-mould for MEMS application is fabricated with an accuracy of ~1 µm.
(3)The morphology of structural changes in KTP crystal induced by single femtosecond laser pulse has been investigated. The structurally changed region is depressed at energies close to the threshold for producing a structural change and melting ablation morphologies are observed as pulse energy is increased. Furthermore, periodic nanostructures are formed around the edge of the laser-induced craters. The crater shape and the periodic nanostructures of femtosecond laser ablation of dielectrics are analyzed. And the femtosecond laser ablation technique was then employed for micromachining of mutilayer optical waveguides.
(4)Surface relief diffraction gratings were written at the entrance surface of BBO crystal under irradiation with femtosecond laser pulses. Probe-beam diffraction and atomic force microscopy (AFM) were employed to characterize the diffraction properties and the microstructures of gratings. This periodic spatial modulation of the material surface induces
noncollinear propagation of the input fundamental signal in the crystal. By slightly changing the angle of the incident beam, collinear and noncollinear phase matching can be achieved between different diffraction orders, in this way allowing the efficient generation of several second-harmonic beams.
Key words: femtosecond laser micromachining dielectrics
optical waveguide noncollinear phasematching grating
目录
摘要 (I)
ABSTRACT....................................................................................................... I I 1 绪论
1.1 飞秒激光技术 (2)
1.2 飞秒激光微细加工及其研究进展 (8)
1.3 论文的结构安排 (17)
2 超短脉冲激光烧蚀电介质材料机理研究
2.1 飞秒激光与电介质材料相互作用的一般物理过程 (19)
2.2 超短脉冲激光烧蚀电介质材料理论模拟 (25)
2.3 本章小结 (29)
3 飞秒激光微细加工实验平台
3.1 飞秒激光系统 (30)
3.2 微细加工光路及其对重要加工参数的影响 (32)
3.3 三维数控精密微加工工作台与控制系统 (36)
3.4 微细加工系统工作原理 (36)
4 飞秒激光微细加工无机硅材料及微型硅模具制备实验研究
4.1 飞秒激光烧蚀无机硅材料阈值的测定 (38)
4.2 飞秒激光烧蚀无机硅材料的形貌特征 (40)
4.3 飞秒激光微加工硅片直接制备微型硅模具 (41)
4.4 本章小结 (47)
5 飞秒激光与磷酸钛氢钾（KTP）晶体相互作用的实验研究
5.1 磷酸钛氢钾（KTP）材料的物理特性 (49)
5.2 飞秒激光烧蚀KTP晶体阈值的测定 (49)
5.3 烧蚀区域的形貌测试结果及分析 (51)
5.4 飞秒激光烧蚀KTP晶体重要现象及其分析 (53)
5.5 烧蚀区域的光谱测试结果与分析 (56)
5.6 飞秒激光在KTP晶体内部制备波导阵列 (57)
5.7 本章小结 (59)
6 飞秒激光在偏硼酸钡（BBO）晶体中直接刻写衍射光栅及特性研究6.1 非共线相位匹配技术 (61)
6.2 飞秒激光在BBO晶体表面刻写衍射光栅的实验研究 (64)
6.3 光栅形貌与结构检测分析 (66)
6.4 光栅衍射特性测试结果及分析 (69)
6.5 倍频晶体表面光栅对二次谐波产生的控制实验研究 (71)
6.6 本章小结 (75)
7 总结与展望 (76)
致谢 (79)
参考文献 (81)
附录1 攻读博士学位期间发表论文目录 (93)
附录2 攻读博士学位期间申请专利目录 (95)
1 绪论
科学技术的突飞猛进，极大的推动了世界生产力和人类经济社会的发展。

现在世界已经进入了一个所谓信息技术的时代，光电子技术是信息技术发展的关键技术，也可以说二十一世纪将是光的世纪，光电子产业有可能在二十一世纪成为最有前途的支柱产业。

目前倍受重视的信息业、先进制造业、材料科学与生物技术的发展都有向极端方向发展的趋势，研究的尺度与器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，响应速度越来越快，这就要求有极端的技术来支撑，如超微细加工技术，超快超微探测技术等，光电子技术及其发展将在这些技术领域大有作为。

飞秒激光技术的飞速发展与应用研究，是二十世纪末期光电科学与激光技术及其应用研究领域最激动人心的重大突破。

飞秒激光可以产生极短的时间尺度和极强的光场，正在对当今世界的科学和技术产生前所未有的巨大影响，成为世界各科技大国重点支持的科学前沿研究领域。

特别是台式飞秒激光器的商用化，产生和发展了基于超快激光与物质相互作用的极端技术，如超快X射线技术及时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术、飞秒激光超微细加工技术等。

这些极端技术的研究与发展，必将推动信息产业、先进制造业、材料科学与生命科学等领域与行业的快速发展，也必将给整个国民经济与国防安全带来重大影响。

飞秒激光在超微细加工领域具有独特的优势，其超快速时间和超高峰值特性将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对几乎所有材料的非热熔性冷处理，获得传统激光加工无法比拟的高精度、低损伤等独特优势。

目前应用飞秒激光这一独特优势在材料的超微细加工和结构处理、新型光子器件制作、高密度数据全新存储以及医疗和生物工程等方面均取得了研究进展，显示出飞秒激光在精密加工、微电子、光通讯、光信息和生命科学等高技术领域有着非常广泛的应用前景。

飞秒激光微细加工技术是随着飞秒激光技术的发展而发展的，首先简要回顾超快飞秒激光技术的发展历程。

1.1 飞秒激光技术
1.1.1 飞秒激光技术发展历程
自从实现红宝石激光器的脉冲激光振荡以来，激光短脉冲化作为基础物理的一个研究领域得到稳步的发展，先后经历了三个阶段。

从六十年代中后期10-9——l 0-10秒到七十年代中后期的10-11——l0-12秒为第一阶段（纳秒阶段），从七十年代中后期的10-11——l0-12秒到八十年代的10-15秒为第二阶段（皮秒阶段），从八十年代的10-15秒至今为
第三阶段（即飞秒阶段）。

其中，第一阶段的特征是各种锁模理论的建立和各种锁模方法的实验探索；第二阶段的特征是各种锁模理论和方法的逐步成熟，及在物理和化学等领域开展的皮秒级脉冲的初步应用；第三阶段的特征是以碰撞锁模染料激光器和全固态激光器为代表，超短脉冲宽度已经进入飞秒量级。

近十年来，由于超短脉冲技术的飞速发展，脉冲宽度的记录更是不断地被刷新。

目前脉冲的最短记录已达2.8fs [1]。

飞秒脉冲激光技术的发展主要经历了以下几个阶段（图1.1[2]）。

图1-1 激光短脉冲的演化 (1) 染料激光器
在引入调Q 和锁模技术后，超快短脉冲得到了迅速发展，其中具有宽增益带宽的染料激光器锁模振荡是开发飞秒超快光学技术的基础。

但是由于染料激光器维护复年份
脉冲宽度
杂，其应用范围受到了一定限制，而且调Q和锁模的重复频率比较低，不能产生规则的脉冲，这个问题一直困扰着固体激光器20多年，直到出现了半导体可饱和吸收镜（SESAM）后才得以解决。

(2) 钛宝石飞秒激光器
80年代末发现的新型固体激光材料掺钛蓝宝石具备宽的增益带宽，可支持飞秒脉冲的产生[3]。

1990年Spence等人采用掺钛蓝宝石结合克尔透镜被动锁模（KLM）成功获得了60fs的脉冲[4]。

由于克尔透镜产生的“非共振”可饱和吸收体的内在带宽比目前任何其他的可饱和吸收体都更宽，使得脉宽能够缩短到几个飞秒，并且首次使得少于100fs 脉冲的宽带可调谐成为可能。

当然KLM存在自启动的困难，需要加入一个外界的微扰，一般是通过机械“摇晃”激光腔镜实现。

限制性腔设计[5, 6]允许局部的自启动，而这通常需要腔镜的排列有亚毫米精度，对工作环境也有很高的要求，以尽量减少内腔损耗和激光腔运行接近稳定极限。

因此需要寻求替代办法实现紧凑超快脉冲。

半导体可饱和吸收镜的出现使得超快激光取得突破性的发展。

相对于KLM锁模激光器，可饱和吸收镜可独立优化腔体设计，对广泛的固态激光器和腔型都可成功锁模。

早在1974年，在二氧化碳激光器中[7]，以及1980年和1984年，在半导体激光器[8]及色心激光器[9]中均通过半导体可饱和吸收镜实现了被动锁模。

此时锁模过程的基本物理机制明显不同于锁模离子掺杂固态激光器，如Ti:Sapphire，Nd:YAG，Yb:YAG 等等，主要的差别是这些激光器的发射截面通常超过后者1000倍，上能级寿命也超过1000倍，而发射截面越小，自调Q开关倾向就越强。

这意味着可饱和吸收器件的参数都要精密设计以防止Q开关的不稳定。

可饱和吸收器件的参数，如调制深度、饱和通量和不饱和损耗，需要针对某一特定腔型以及激光泵浦功率来设计。

不同的半导体材料提供了从可见光到远红外光谱的饱和吸收带宽，因此结合能带工程可以提供更广阔的调谐。

典型的SESAM可工作在入射脉冲功率为饱和功率的约3至5倍，这种饱和程度提供了接近最大值的调制深度而不损伤器件[10]。

高饱和度也可降低Q开关的不稳定，这是因为在飞秒脉冲下，热效应和双光子吸收更为重要，SESAM的恢复时间相对最后的脉宽可长达10至30倍[10]。

半导体可饱和吸收被动锁模固态激光器的成功是由于其小饱和通量以及腔镜装置一体化的综合优势，精密带隙和缺陷工程和外延
waferscale制造，从而大大降低了生产成本。

在KLM与SESAM的基础上，脉冲全固态激光器得到迅速发展。

(3) 更短脉冲
目前只有KLM钛宝石激光器能够产生小于6fs的脉冲[11, 12]。

当中心波长为800nm 时，光周期只有短短2.7fs，因此脉冲宽度5.4fs只有两个光学周期，并且通过在充气空心光纤中进行脉冲压缩[13]与同步泵浦光参量振荡[14]能够产生更短的脉冲。

色散控制在几个光周期（few-cycle）量级是一个越来越艰巨的任务。

色散导致的脉冲展宽是线性的，因此可以通过在腔内不同位置放置不同的时间光谱元件。

非吸收材料一般是正色散，重组不同光谱成分要求补偿相移（即产生负色散），通常用几何效应来获得，如插入一对棱镜[15]，不同波长成分将通过不同的光学路径传输，这样所获得的负色散与棱镜的分离成正比，并且由于在棱镜中的传输获得了正色散，但这很容易通过改变插入光路中的棱镜的数量来调节。

然而采用熔石英棱镜对的剩余高阶色散限制了钛宝石激光器脉宽约为10fs[16-18]。

介质布拉格反射镜同高、低折射率材料规则交替的1/4波片堆当运行在其反射带宽以内时具有微弱色散，但增加了带宽边缘的色散。

通过对此改良设计，获得了在大范围都能获得良好色散控制的啁啾镜[19]，具备比其他任何反射镜更宽的带宽。

采用啁啾镜可产生低于10fs的脉冲，并且所产生的脉冲具有良好的光束质量[20]。

进一步改善啁啾镜的设计，如双啁啾镜[21, 22]和后端镀膜的啁啾镜[23]，获得了新的脉宽纪录[24]。

Few-cycle量级的超短脉冲在非线性光学领域可开辟新的应用，对于不同的载波包络偏移（CEO）相位，电场强度的变化变得显得很重要。

飞秒激光振荡器中不存在载波和包络的传播速度之间的耦合机理，因此载波和包络的相对延迟会呈现不规则波动，除非这个抖动被有效的抑制。

目前在时间域[25]和频率域[26]有不同的技术用以稳定CEO的频率。

频域技术较为灵敏，并且已被采用[26, 27]。

已经实现了长期稳定的CEO，仅剩余10as的抖动，相当于0.025 rad rms 的相位噪声[28]。

CEO非线性光学在光电子发射[29]，高次谐波产生[30]和阿秒脉冲产生都获得了非常有意义的结果。

(4) 啁啾脉冲放大
啁啾脉冲放大技术（CPA）是先将脉冲宽度展宽到纳秒之后对其进行放大，然后
再将放大后的脉冲进行压缩，CPA技术可以克服固体激光工作物质放大飞秒激光的困难。

CPA技术使得飞秒激光器不断的向着高重复频率、高峰值功率发展，目前已获得峰值功率达到PW量级的激光装置[31]。

(5) 高平均功率，高重复频率
二极管泵浦锁模激光器直到近年才获得了60瓦的飞秒脉冲[32]。

在皮秒和飞秒激光脉冲量级，通过外部脉冲压缩已获得高达12MW的峰值功率。

此外，同步泵浦光纤反馈光参量振荡器OPO中[33]，产生了15W、700fs的脉冲。

OPO是可调谐超短脉冲最具吸引力的光源，可用于显示器的RGB系统等。

最初试图从锁模激光器获得更高平均功率是有难度的，比如高功率的尺度受到了维持基本高斯光束质量、抑制Q开关不稳定性的限制[34]。

许多高功率激光头都要求激光增益介质中具有大的模体积，这是以牺牲光束质量为代价的。

虽然对连续激光器不存在这个问题，它导致被动锁模激光器中excessive Q开关的不稳定。

因此SESAM设计需要更严格的要求。

到目前为止，被动锁模二极管泵浦全固态激光器最高功率的获得是在薄盘（disk）激光器中[35]，如Yb:YAG直接附于水冷装置上。

采用厚度为100－250mm的薄片作为工作物质大大减小了热效应，此外通过多路泵浦可实现对泵浦光的高吸收。

SESAM和锁模薄盘激光器的组合是可升级的，并且功率的提高对于光束质量，Q开关不稳定和SESAM损伤影响不大。

因此60瓦的平均功率将会取得突破。

Q开关的不稳定性在很长时间内都限制了被动锁模全固态激光器的重复频率提高到1GHz。

首次实现高于10GHz的脉冲重复频率是在Nd:YVO4被动锁模离子掺杂固态激光器，不久便增加到77GHz[36]和160GHz[37]。

二极管泵浦Er:Yb:glass非常适合电信应用，其增益带宽覆盖整个C波段，但其发射截面较小阻止了实现高重复频率（无Q开关锁模）。

用SESAM优化设计能够克服这一限制，可调谐10GHz[38]，25GHz[39]以及40GHz[40]超短脉冲已经产生。

主动锁模光纤激光器可产生高达200GHz[41]的脉冲重复频率。

此外，锁模边发射半导体激光器可产生超过1THz的重复频率[42]，但其平均输出功率相当有限。

光泵浦垂直外腔表面发射激光器（VECSELs）采用腔内可饱和吸收实现了被动锁模[43]，并且平均功率不受限制，已经获得平均功率950mw、15ps脉冲、6 GHz的重复频率[44]，并且有希望产生更高功率的multigigahertz脉冲。

1.1.2 飞秒激光特点及应用
飞秒激光在过去十几年中得到了快速的发展，我们可以从其所具有的以下四个特点分析其在各领域的重要应用。

(1) 超短脉宽
超短脉宽提供了快速时间分辨率，采用锁模激光器可以“冻结”快速移动的粒子，如分子或电子等，因此可以测量半导体中载流子的弛豫过程[45]、化学反应的动力学过程[46, 47]以及实现对高速运动电子的电光采样。

利用锁模激光器，分子裂解的动力学过程甚至更复杂的化学反应动力学过程都可以进行测量，A. H. Zewail教授因其在该领域的杰出工作而获得1999年年度诺贝尔化学奖。

(2) 高重复频率
重复频率在GHz量级的激光器是许多应用的关键。

在高容量电讯系统[48, 49]中已经广泛采用了光子开关器件[50]。

光互连和时钟分配，以及面向未来应用的如超大规模集成电路（VLSI）微处理器的时钟[51]，电子加速器和高速电光采样技术[52, 53]所需的偏振电子束[54]都将依赖于低抖动、低噪声的GHz短脉冲。

由于数据传输速率的增加，1.55微米波长附近可调谐的锁模激光将成为在电信方面重要的应用技术。

传输系统在10GHz或以上的经常使用归零码（RZ）脉冲格式和孤子色散管理技术[49, 55]，这些技术将受益于简单、紧凑、变换极限的光脉冲产生器[38, 40]。

举例来说，他们不再需要一个调制器产生脉冲，从而简化了系统结构，提高效率和降低成本。

另外，光脉冲质量通常比连续波调制光源好。

这样提高了系统的信噪比，并可通过光时分复用来产生更高重复频率。

高平均功率、10-100GHz、更短波长（例如1毫米及以下）的光源是大有希望的为集成电路提供光学时钟的器件。

目前PC机微处理器的时钟运行在超过3GHz，并且以每年15%至30%的速度增加。

由一台锁模激光器产生的光学时钟可以精确地注入超大规模集成电路微处理器的一个特定电路内，并有可能降低芯片的电力需求, 以及减小歪斜、抖动，并可支持超过40GHz的时钟速度。

(3) 宽带光谱
宽带光谱在光学相干层析（OCT）中能够提供良好的空间分辨率。

OCT利用低相干干涉产生一个内部组织结构光散射的二维图象，这个过程与超声波脉冲回波成像十
分相似，所以OCT不一定需要短脉冲。

但是锁模飞秒激光器或锁模飞秒激光器与其他外部光谱展宽器件结合，能够提供比任何其他宽带光源更高的平均功率，并且其产生的纵向和横向空间分辨率仅为几个微米。

脉冲序列不仅提供了宽带光谱，并且当纵模间隔刚好等于脉冲重复频率时，也是一个稳定的光学频率梳。

因此，这类激光器是稳定的多波长光源[56, 57]。

光学梳可以锁定于国际电讯联盟网，成为一种新颖的适合密集波分复用( DWDM )需要的多波长光源[58]。

最近宽带频率梳已用于高精密光学频率度量[59-61]。

频率梳在频域产生的“ruler”可以测量未知的光学频率，还可以用于稳定脉冲包络下的电场[28, 62]，在高非线性过程中尤为重要，例如光致电离[29]和高次谐波产生[30]，这种稳定的宽光谱脉冲也能够支持软X射线光谱范围的单阿秒脉冲产生[30, 63]。

（4）高峰值强度
高峰值强度的脉冲可以通过“冷”消融（材料直接从固态转变为气态）加工材料或通过非线性频率变换产生其他波长。

高强度超短脉冲激光在固体材料的显微制造方面是非常有前景的，采用飞秒或皮秒脉冲烧蚀的孔和结构要比纳秒激光好得多[64-66]。

飞秒激光与半导体材料的相互作用中已经观测到了超快“非热”熔化，这里固液相变的速度比载流子－晶格的平衡速度更快[39, 67]。

研究这种快速材料表面改性非常重要，因为它能够降低由于热传导和脉冲与材料之间的相互作用所带来的影响。

在医疗用途上，这种短脉冲激光能够获取更高的外科切割精度，特别是在角膜外科[68]和脑肿瘤切除[69]方面；能够减少二次损伤效应，如在组织上的冲击波和空泡[70]。

外部脉冲压缩技术结合新型高功率固态激光器可以获得峰值高达12MW，脉宽33fs的激光振荡器[71]。

这种脉冲通过聚焦可获得1014W/cm2的峰值功率，这已属于强场物理领域，如高次谐波产生[72, 73]和激光等离子体产生X射线[74]。

重复频率的增加会使信噪比相对于标准的千赫兹光源提高四个量级，这在低功率方面是很重要的应用，如X光成像和显微[75]、飞秒极端紫外和软X射线光电子光谱[76]和超快X射线衍射[67, 68]。

飞秒激光的超快时间与高峰值强度特性而形成的“冷”消融材料加工特点使得其在微电子、微光学、微光机电系统等高技术领域的应用越来越受到关注。

随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光微细加工技术从烧蚀机理到加工工艺等方面也在飞速的发展。

1.2 飞秒激光微细加工及其研究进展
激光作为一种非常特殊的光源实现了将能量在时间和空间上相对高度集中的传播。

随着激光技术的不断发展，激光器的性能也得到不断的改善，波长实现了从远红外到X射线的全波段调谐，输出功率已升至数千瓦，脉冲持续时间获得了从纳秒、皮秒到飞秒，甚至阿秒的压缩。

随着新型激光装置的不断开发和光束性能的不断提高，激光与物质相互作用的研究引起人们的高度重视，激光加工技术也取得了巨大进展。

1.2.1 激光加工技术的发展历程
激光加工发展的第一阶段始于二十世纪六七十年代，主要采用红外和近红外波段输出的高功率激光系统。

其中CO2和Nd:YAG激光器占据这一领域内市场的主导地位。

目前它们的平均输出功率可以达千瓦量级，光能量的输出方式局限在纳秒的时间范围内。

在这一阶段激光加工的主要材料是金属，加工过程包括打孔、切割、焊接、淬火和雕刻等多种形式。

激光加工的原理是基于材料中的电子通过对光子共振线性吸收获得的热能将材料逐步熔化、蒸发和去除。

因此本质上依赖于材料的热学特性，属于热熔性过程和“粗”加工方式。

在这一技术中，由于激光脉冲持续时间较长，远大于材料的热扩散时间，造成吸收的光束能量不可避免地扩散到周围的区域，对于材料的微加工来说，这一条件绝非理想。

激光加工发展至二十世纪八十年代，开始出现紫外波段输出的准分子激光系列。

利用它的短波长特性实现对聚合物、陶瓷等非金属材料进行的钻孔、光刻、表面处理等多种微细加工，并且在激光医疗等方面得到了一定程度的应用。

在这一技术中，材料通过线性吸收高能量的单个光子即可直接切断其中的分子或原子结合键，在表面生成等离子体。

因此实质上属于光化学反应，而非热熔化过程，其中的热扩散影响较小。

另外，由于波长很短，光束容易获得聚焦，因此加工精确度也得到了相应的提高，但它仍然要受到光学系统衍射极限的限制。

事实上，紫外激光的微加工也存在着固有的局限性和缺点。

一方面，由于紫外激光与物质的作用根本上仍基于共振吸收的原理，使得加工处理的材料种类和范围受到严格限制，例如对于多数光学玻璃和石英材料，其主要成份是SiO2，吸收带能量大，相当于133nm的吸收波长，紫外激光正好位于吸。