双光子微加工技术与应用研究

随着科学技术的不断发展 , 世界正在向光子时代 迈进. 目前 , 各种电子元器件正在逐步为全光学元件所 取代 , 并被逐步微小化和集成化于一个紧凑的功能系 统内. 光子产业的这种演化趋势 , 将更多地依赖于发展 一种能够对光学材料进行亚微米甚至纳米级操作的精
密加工技术. 早在 1931年 , M aye r就从理论上预言了双光子吸 收的存在 , 然而直到 20世纪 60年代初激光器问世以 后 , 才由 Kaise r等首先从实验上证实了双光子吸收过 程 [ 1] 的存在. 在随后的几十 年里 , 高峰 值功率的调 Q 和锁模脉冲激光器的应用 , 进一步促进了双光子吸收 特性 和 吸 收 动 力 学 的 实 验 研 究. 最 终 于 1992 年 , W ebb[ 2] 小组将双光子吸收技术成功地引入至微加工 领域 , 从而为光子产业提供了巨大的发展动力. 飞秒激 光双光子微加工是一项集超快激光技术 、显微镜技术 、
2 双光子微加工过程
当一束飞秒激光照射于材料之上 , 若将材料的热
扩散系数设为 D , 激光的脉宽设为 τ, 则激光照射时 的热扩散距离 L 可用公式 L =(D τ)1 /2表示 , 式中 D = k /(ρc) , k、 ρ、c分别表示热传导率 、密度及热容量. 因 此 , 即使是热扩散系 数大的金属 , 热扩散距离 L 在 1 ps时间内也只有 10 nm 左右. 故一般脉宽为 100 fs的 激光束照射介质材料时 , 其向周边区域所发生的热扩 散可忽略 , 即激光能量只在照射区聚集 , 从而可在焦 点区域内部形成超强光场. 因此 , 若将一紧密聚焦的激 光束照射于固体透明材料之上 , 适当调节激光能量 , 可 使激光在到达位于焦点处中心区域的材料时主要进行 的是双光子吸收 , 而其线形吸收则 可忽略 [ 6] . 在超短 飞秒激光脉冲的持续时间内 , 焦点处的超强光场可通 过由双光子吸收而引发的碰撞电离和雪崩电离迅速在 局部区域产生极高密度 、高温及高压的等离子体. 这些 等离子体又能在极短的时间内将能量传递至一空间体 积很小的受辐射区 , 使得该区迅速升温至一极高数值 , 从而引发微爆炸 [ 7] , 产生出一个近似球体的空腔 (具 有一些粗糙的边棱 , 如图 2所示 ). 对于液态高分子聚 合材料 , 该技术则是通过双光子吸收来使材料发生激 光诱导键断裂以产生自由基 , 而自由基又会促使光聚 反应的发生 , 从而在液体内部发生双光子光聚化 , 即产 生出近似球体的固体颗粒 [ 4] . 此时未暴露于光照之下 的树脂将仍为液态 , 并可用丙酮清洗来去除.
Abstract:The tw o-photon m icro fab rication technology em p loys the two-photon ab sorp tion locally induced betw een the m ateria l and th e fem tosecond laser to ach ieve 3D shap ing th rough poin t to poin t scan. Th is paper review s the p rincip le, characterization and p rocess o f two-photon m icrofab rication technology, and describes its ex-
图 2 双光子微加工示意
在上述两种情况下 , 通过适当的计算机程序来对 整个制造过程进行控制 , 可使微爆炸或光固化过程发 生在所需位置 , 同时再辅助一些后续处理过程 , 即完成 了元器件的双光子微加工过程 , 双光子微加工示意如 图 2所示. 激光束通过一面具有高数值孔径 (NA)的油 镜聚焦于透明材料内部 , 光束最窄处的光子能量密度 最高 , 此处即为发生双光子吸收的区域所在 , 该区域体 积约为入射光波长的三次方.
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纳 米 技 术 与 精 密 工 程 第 2卷 第 4期
3 双光子微加工实验系统
4 双光子微加工材料的研究现状
本实验系统采用钛宝石飞秒激光脉冲发生器 , 激 光中心波长为 796 nm , 脉宽约为 30 fs, 重复频率为 82 MH z, 稳定输出功率为 560MW , 经过倍频过程 , 波长变 为 398 nm , 输出功率变为 100 MW. 实验中所用物镜有 ×40、 ×50和 ×100三种类型 , 数值孔径 (NA )分别为 0. 66、0. 8和 1. 25. 实验中用于微加工的飞秒激光束通 过激光功率计实测物镜输出端的功率值 , 用能量衰减 器实现对激发功率的调节 , 并配备光闸控制加工激光 束的通断 ;使用 CAD 平台设计的微器件模型经控制软 件处理后生成相应的驱动命令 , 根据计算机发出的驱 动信号 , 由 D230控制器 (日本骏河公司生产 )驱动三 维扫描平台来实现激光焦斑与被加工材料的 相对运 动 , 其精度可达 20 nm ;同时 , 系统的控制软件还要协 调平台的扫描动作和光闸的开关动作 , 以使加工材料 在正确的位置上发生双光子吸收. 整个制造过程可采 用 CCD 进行实时监控 , 以确保在加工开始时激光聚焦 斑位于光聚合材料内部 , 以及在加工过程中实时观察 加工情况 , 及时进行调解控制等. 通过双光子微加工技 术制得的微结构图片如图 3和图 4 所示 , 其中 U JS 3 个字母的字宽为 10 μm , 高为 20 μm ;六边形结构的边 长为 10 μm .
第2 0204卷年第1
4期 2月
纳 米 技 术 与 精 密 工 程 N anotechnology and P rec ision Eng ineer ing
V o .l 2 N o. 4 D ec. 2004
双光子微加工技术与应用研究*
潘传鹏 , 周 明 , 刘立鹏 , 蔡 兰 , 刘会霞 , 任乃飞 , 高传玉 , 王亚伟
1 双光子吸收原理及特点
双光子吸收是指在强光激发下 , 介质分子同时吸 收两个光子 , 从基态跃迁到两倍光子能量的激发态的 过程. 例如 在单光 子吸 收情 况下 , NADH 酶可 在 350
* 收稿日期 :2004-09-30. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50275029). 作者简介 :潘传鹏 (1982— ), 男 , 研究方向为飞秒激光双光子微加工技术.
图 1 单 、双光子吸收过程示意
由于双光子吸收采用具有超短和超强特性的飞秒 激光作为光源以及自身的非线性效应 , 其主要具有两 方面的新颖特性 :① 双光子吸收是长波吸收短波发射 的过程 , 激发光对介质穿透率高 , 可有效地减少介质对 激发光吸收等过程的耗散和破坏 , 并能用可见光或近 红外光来激励那些原本需要远紫外光才能激 发的体 系 [ 3] ;② 由于材料的双光子吸收与激发光强的平方密 切相关 , 因而在紧密聚焦的条件下 , 双光子吸收仅局限 在物镜焦点处空间体积约为 λ3 (λ为入射光波长 )的 小范围空间内[ 4] . 因此 , 将双光子吸收应用于微加工领域可显现出 许多较传统激光加工所不可比拟的独特优势 :双光子 微加工可以突破光束衍射极限的限制 , 实现尺寸小于 波长的亚微米甚至纳米级操作 ;能实现在材料内部三 维空间上任意部位的超精细加工 , 使得双光子微加工 具有严格的空间定位选择能力 ;可一次性直接写入成 型 , 且整个加工过程中不需要牺牲层 ;柔性好 , 加工模 型可以通过 CAD软件直接生成 ;实现了真正的三维立 体加工等[ 5] .
由于普通材料的双光子吸收截面很小 , 使得双光 子微加工的实际应用受到限制. 因此 , 寻求和研制大截 面双光子吸收有机或高分子聚合物材料就成了飞秒激
光双光子微加工应用的前提. 近年来 , 人们一直致力于有机分子结构特性和双 光子吸收特性之间关系的研究. 研究结果表明 , 有机分 子共轭链的长度 、π中心的特性 、分子的维度 、供电基 (D)和吸电基 (A) 是对称还是不对称地排列于分子 主干两侧以及它们推拉电子的能力等因素决定了分子 的双光子吸收特性[ 8] . 加州理工学院的 Cum pston B H[ 9] 等人于 1999年 在 《Na ture》杂志上报道了一类有着 D-π-D、D-π-A-π-D 和 A-π-D-π-A结构的 π共轭化合物 , 其双光子吸收截 面 σ2高达 1 250 ×10- 50 cm4 s /光子. 同时还发现 , 增 加共轭长度以及供电基和吸电基强度能提高化合物的
超高精度定位技术 、CAD /CAM 技术以及光化学材料 技术于一体的新型微细加工技术. 该技术利用超短脉 冲激光与材料发生的非线性过程 , 即双光子吸收 , 使加 工材料所发生的光化学过程被局限在焦点附近的狭小 区域内 , 通过光点的三维扫描实现任意三维形状的加 工成型 , 且可达到纳米级的加工精度. 本文阐述了双光 子吸收的原理及特性 , 介绍了笔者所在实验室的双光 子微加工系统装置的原理及部分实验成果 , 并简述了 该技术的一些实际应用.
(江苏大学材料学院超快和纳尺度科学与工程技术研究中心 , 镇江 212013)
摘 要 :双光子微加工技术是利用材料对飞秒激光束在焦点局部区域发生的双 光子吸收现 象 , 并 通过逐点扫 描来 实现微器件三维成型的加工技术. 介绍了 双光子微加工 技术的原 理 、特点和 过程 , 描述了 该加工 技术的实 验系统 , 并给出了部分利用该系统获得的初步实验结果 , 最后简单介绍了双光子微加工技术的一些实际应用. 关键词 :双光子吸收 ;微加工 ;飞秒激光 中图分类号 :TN25 文献 标识码 :A 文章编号 :1672-6030(2004)04-0278-06
perim en tal system simp ly. Som e prelim inary experimen tal resu lts ob tained w ith the system are p resen ted as wel.l F inally, some app lications of the technology are reported. K eywords: tw o-photon absorp tion;m icro-fab rication;fem tosecond laser
2004年 12月 潘传鹏等 :双光子微加工技术与应用研究
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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nm 的光激发下产生 450 nm 的荧光 , 而在双光子吸收 情况下 , NADH 酶则需同时吸收两个 700 nm 的光子才 能产生 450 nm 的荧光[ 1] . 单光子和双光子吸收过程的 比对情况如图 1所示. 双光子吸收过程一般是两个光子同时被一个分子 吸收 , 或者在极短的时间内两个光子被一个分子相继 吸收 , 一 般 两 个 光 子 被 吸 收 的 时 间 差 小 于 0. 1 fs (1 fs =10-15 s). 一般认为该吸 收先经过一个 假想态 (virtual state), 然后再到达一个分子激发态.
Tw o-Photon M icrofabrication Technology and Its Application
PAN Chuan-peng, ZHOU M ing, LIU L i-peng, CA I L an, L IU H u i-x ia, REN N ai-fei, GAO Chuan-yu, WANG Ya-w ei
(Center fo r U ltrafast and N anosca le Science and Enginee ring, Schoo l o fM a te rials Science and Enginee ring, Jiang su U niversity, Zhen jiang 212013, China)