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激光蚀刻原理激光蚀刻原理第1页，本讲稿共21页目录目录一：激光产生原理二：激光刻蚀原理第2页，本讲稿共21页激光产生原理激光产生原理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”。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。第3页，本讲稿共21页原子结构模型原子结构模型第4页，本讲稿共21页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。受激吸收跃迁E2E1E2E1入射光子 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。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射跃迁第5页，本讲稿共21页c.受激辐射（激光）:当频率为=（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。E2E1E2E1入射光子受激辐射光子入射光子受激辐射跃迁 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。第6页，本讲稿共21页第7页，本讲稿共21页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。工作介质（YAG晶体）光源泵电源全反射镜半反射镜激光束第8页，本讲稿共21页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。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）。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，一个是半反射镜。反射率为反射镜。反射率为4060。谐振腔即指两块反射镜构成的空间。在谐。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。尤如生炉子点火一样。第9页，本讲稿共21页n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，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。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）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。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。n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。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。第10页，本讲稿共21页激励能源工作物质全反射镜部分反射镜激光的产生过程可归纳为：激光的产生过程可归纳为：激激光光产产生生工工作作物物质质光光子子放放大大及及振振荡荡其其它它粒粒子子的的受受激激辐辐射射偶偶然然的的自自发发辐辐射射粒粒子子数数反反转转外界激励光学谐振腔第11页，本讲稿共21页固体工作物质：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 工作物质工作物质被激励后能发生粒子数反转的被激励后能发生粒子数反转的活性活性物质物质激励装置激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源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。第12页，本讲稿共21页激光器内部机构（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%）Q-Switch晶体腔功率计Shutter接光纤激光器外形第13页，本讲稿共21页激光器内部分解图（P4）Q-Switch晶体腔半反镜光纤耦合器第14页，本讲稿共21页第15页，本讲稿共21页激光刻蚀原理以P1为例第16页，本讲稿共21页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。第17页，本讲稿共21页第18页，本讲稿共21页激光刻蚀的原理是: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。第19页，本讲稿共21页第20页，本讲稿共21页第21页，本讲稿共21页