激光原理及应用共20页文档

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全反光镜
反光镜: Shutter (越75%)
激光器外形
接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图(P4)
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping (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Top Hat,通过透镜组改变光束质量和形状产生。
目录
一:激光产生原理 二:激光刻划原理 三:激光扫边原理
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”。
电源
光源泵
全反射镜
工作介质(YAG晶体)
激光束 半反射镜
工作物质
全反射镜
部分反射镜
激励能源
激光的产生过程可归纳为:








工 作
外界激励
子 数
Baidu Nhomakorabea
的 自
子 的
光学谐振腔
放 大
激 光
物 质














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
• 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。
激光扫边原理——激光控制系统
声光电源
计算机系统
反Q 射开 镜关
激光腔
输扩 出束 镜镜
冷却系统
激光电源
扫描振镜 聚焦系统 运动工作台
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
扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。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
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
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。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
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(galvanomet ric scanner) 。
• 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。
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Gaussian Beam
Top Hat
3.激光束截面和能量密度分布
Beam size profile and energy density distribution
• 光束截面:圆形 或者 长方形 Beam size profile : round or rectangle
• 能量分布:高斯 或者 多元高斯(平顶) Energy distribution : Gaussian or multi-Gaussian
激光器 扫描镜
• 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=f tgθ ,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=f θ ,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
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间,高的峰值能量,更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
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)
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);
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。
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。
• 加装Beam Shaping 的镜组,激光的Beam Profile由高斯光(Gaussian)改为Top Hat,制程速度可提高2-4倍以上。
2.Laser Attenuator(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(Beam Profile),会影响打出来的线宽和焦点。 • 调节频率Repetition Rate (Hz) :会影响激光能量和刻划线宽。
• 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。
• 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;
• 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;
0%
50%
微观计算:重叠率Overlap =d/r
d
宏观计算:重叠率= 1—
速度 频率*光斑直径
高重叠率High overlap 1.低速度Low speed (tact time) 2.高能量High energy (maybe result in damage)
低重叠率Low overlap 1.高速度High speed (tact time) 2.低能量Low energy (maybe film isn’t deleted clearly)
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。
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。
E2
E2
入射光子
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。
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