激光蚀刻原理

E2
入射光子
E2
E1
E1
受激吸收跃迁
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。
E2 E1
E2 E1
自发辐射光子
自发辐射跃迁 安徽锐富光电科技有限公司
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原子结构模型
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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。
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。
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自发辐射光子不断产生，同时射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子（受激 辐射）。光子在传播中一部分射到反射镜上，另一部分则通过侧面的透明物质跑掉。 光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒子向低能级跃迁，而产 生新的光子。在这些光子中，不在沿谐振腔轴方向运动的光子。就不与腔内的物质作 用。沿轴方向运动的光子，经过谐振腔中的两个反射镜多次反射，使受激辐射的强度 越来越强。促使高能级上的粒子不断地发出光来。如果光放大到超过光损耗时（衍射、 吸收、散射等损失）产生光的振荡，使积累在沿轴方向的光，从部分反射镜中射出这 就形成激光。 在谐振腔的反馈过程中，我们了解到光只能沿谐振腔的轴向传播，因此激光具有很高 的方向性。又由于谐振腔中两个反射镜之间距离不同，光在腔内不断地反射，得到加 强。而其它波长的光在腔内很快被衰减掉，谐振腔就可以选择一固定波长，说明激光 具有单色性。而激光的亮度高是由光放大产生的。
激 光 产 生
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工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质
• • • 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
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激光刻蚀的原理是:
当激光光束聚焦于几十个微米的目标物上时, 光电或者光热作用引发一系列的化学 键断裂, 发生的时间顺序随着材料的不同而不同。吸收性能较小的材料需要更多的幅照时 间, 在这段时间内材料接收了所传导的热能, 材料受压、熔化, 材料重新固化或者表面材料 蒸发, 或者在碳化之前燃烧。对于吸收性能较好的材料, 材料的蒸发或者粒子的烧蚀会在很 短的时间内发生。在极端的情形下, 发生了爆炸性的相位改变和形成了蒸发材料的冲击波 。激光刻蚀薄膜就是选择一个激光波长, 在这个波长上使被刻蚀的薄膜材料有最大的吸收 率, 而薄膜衬底有较大的透过率和反射率。在薄膜厚度一定的情况下, 激光器的工作功率与 刻蚀速度是刻蚀薄膜过程中的关键控制参数。
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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。
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目录
一：激光产生原理
二：激光刻蚀原理
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激光产生原理
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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 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”。
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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。
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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。
E2
入射光子
E2 E1
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工作物质
全反射镜 激励能源
部分反射镜
激光的产生过程可归纳为 ： 粒 工 子 外界激励 作 数 物 反 质 转
偶 然 的 自 发 辐 射
其 它 光 粒 子 子 放 光学谐振腔 的 大 受 及 激 振 辐 荡 射
受激辐射光子 入射光子
E1
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。
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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。
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全反光镜
反光镜： （越75% ）
Shutter
激光器外形
接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
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激光器内部分解图（P4）
Q-Switch
晶体腔
半反镜
光纤耦合器 安徽锐富光电科技有限公司
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电源 光源泵
•Biblioteka Baidu
工作介质（YAG晶体）
激光束
全反射镜
半反射镜
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处于粒子数反转状态的粒子体系（工作物质）。具有特定频率的 光进行放大。激光振荡器中工作物质发出的光不是外来的，而是 工作物质本身自发跃迁而产生的，即自发辐射（非受激辐射）。 由于自发辐射没有确定的频率及传播方向，且杂乱无章。为使自 发辐射频率单一性，就需要有一装置来实现，即光学谐振腔。 要解决自发辐射，使其呈单一性的方法是只有在工作物质的两侧 放置两块反射镜。而且两块反射镜必须彼此平行，并与工作物质 的光轴垂直（见图24）。两个反射镜中，一个是全反射镜，反射 有效率为99.8％，一个是半反射镜。反射率为40％～60％。谐 振腔即指两块反射镜构成的空间。在谐振腔中，初始的光辐射是 来自自发辐射，即处于高能级上粒子自发辐射光子跃迁到低能级。 由于这类辐射出来的光子初相位无规律地向四面八方射出。这种 光不是激光。而是像点烯的一个火种——尤如生炉子点火一样。
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激光刻蚀原理——以P1为例
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通过对激光器在不同功率和速度下所达 到的刻蚀效果开展研究, 探索激光刻蚀最 佳工艺, 并通过测试刻蚀前后玻璃的外观 、力学、光学特性变化确定激光刻蚀对 玻璃的影响, 进而探讨激光刻蚀技术在IT O 薄膜玻璃中的应用。