激光原理及应用

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。
E2 E1
E2 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
入射光子
E2 E1 受激辐射跃迁
受激辐射光子 入射光子
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”。
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 Hz 1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
4.重叠率计算——Overlap
0% 50% d
微观计算： 重叠率Overlap =d/r 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)
E1
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。
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。
• • • 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
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。
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）； 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； • 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。
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。
Gaussian Beam
Top Hat
3.激光束截面和能量密度分布
电源 光源泵
•
工作介质（YAG晶体）
激光束
全反射镜
半反射镜
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
激 光 产 生
工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质
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
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。
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。
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
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch
晶体腔
半反镜
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。 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。
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 (Top flat)
2.振镜扫描聚焦系统
• •
扫描镜 振镜 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) 。 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 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。
激光扫边原理——激光控制系统
声光电源ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算机系统
反 射 镜
Q 开 关
激光腔
输 出 镜
扩 束 镜
扫描振镜
聚焦系统 冷却系统 激光电源 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 外光路可配置4倍扩束系统，保证光束的准直性。 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； 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。 激光器