基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，該方法克服了飛秒激光加工寬禁帶材料時加工效率有限，傳統(tǒng)的材料改性方法不能精確調(diào)節(jié)激光加工中的電子狀態(tài)，并且會改變材料整體物理性質(zhì)的問題，使用高能聚焦離子注入技術(shù)和精確設(shè)計的掩模板或光刻膠掩模，完成對目標區(qū)域的局部離子注入，并通過精確調(diào)節(jié)離子的種類、濃度和分布，控制目標區(qū)域形成的納米團簇的形態(tài)，從而調(diào)控其在與激光相互作用時的電子狀態(tài)，實現(xiàn)對材料高效率、選擇性加工的目的。本發(fā)明方法若大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)，將會大幅度提高飛秒激光對材料的加工效率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
【專利說明】基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種飛秒激光加工方法，特別涉及一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，屬于飛秒激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微型化是國防、生物、醫(yī)療、環(huán)境、信息等領(lǐng)域的普遍發(fā)展方向。許多微結(jié)構(gòu)都是跨越納米、微米尺度的跨尺度。飛秒激光因靈活、無污染、無接觸、非線性吸收等特點成為理想的微/納米制造工具之一，但存在跨尺度加工時質(zhì)量和效率難以兼顧的瓶頸問題。目前人們通過調(diào)節(jié)飛秒激光的空間及時間能量分布，調(diào)控激光光子與材料電子的瞬時局部作用，有效地提高了飛秒激光加工質(zhì)量與效率，但這些手段都僅考慮了作為加工工具的激光光場的調(diào)節(jié)。
[0003]除了作為加工工具的激光光場，通過改變加工對象的物性也能極大影響光子的吸收及材料的相變，從而影響加工質(zhì)量與效率。通過改變玻璃、晶體、陶瓷、聚合物等寬禁帶的材料的物理性質(zhì)，其對光子可以產(chǎn)生吸收增強的效果，并提高燒蝕效率。但是目前主要的材料改性方法一方面難以精確地調(diào)節(jié)被加工區(qū)域的物理性質(zhì)和其與激光相互作用時的電子狀態(tài)，另一方面不能夠控制材料改性區(qū)域的空間位置，所以在應(yīng)用上存在限制。
[0004]而離子注入作為材料改性方法的一種，近年來在光學(xué)領(lǐng)域逐步得到了應(yīng)用。在文獻 Y.Takeda, J.P.Zhao, C.G.Lee, V.T.Gritsyna, and N.Kishimoto:Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research Section B:Beam Interactions with Materials andAtoms.166,877-881(2000)中，作者對熔融石英和α-石英進行了 Cu_離子注入，并觀測到了注入后樣片對某些波長段光吸收的增強，但是目前并沒有研究將這種光吸收增強的性質(zhì)應(yīng)用于飛秒激光加工效率的提高當中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決克服飛秒激光加工寬禁帶材料時加工效率有限，傳統(tǒng)的材料改性方法不能精確調(diào)節(jié)激光加工中的電子狀態(tài)，并且會改變材料整體物理性質(zhì)的問題，提出了一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法。該方法使用高能聚焦離子注入技術(shù)和精確設(shè)計的掩模板或光刻膠掩模，完成對目標區(qū)域的局部離子注入，并通過精確調(diào)節(jié)離子的種類、濃度和分布，控制目標區(qū)域形成的納米團簇的形態(tài)，從而調(diào)控其在與激光相互作用時的電子狀態(tài)，實現(xiàn)對材料高效率、選擇性加工的目的。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]—種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，該方法包括以下步驟:
[0008](I)覆蓋待加工材料，只暴露出待加工區(qū)域；
[0009]所述覆蓋待加工材料可以使用掩模板或光刻膠掩模覆蓋；
[0010](2)對待加工區(qū)域進行離子注入；[0011]所述離子注入的離子種類根據(jù)飛秒激光波長及注入后納米顆粒的表面等離子體共振吸收峰選定；
[0012]所述離子注入的其他參數(shù)根據(jù)需要的納米形態(tài)進行精確控制；
[0013]所述離子注入的其他參數(shù)包括注入能量，注入電流和注入劑量；
[0014]所述離子注入需要在真空環(huán)境中進行；
[0015]所述離子注入在注入離子前需要先將待加工材料用夾具固定在底座上；
[0016]較優(yōu)的夾具和底座要用金屬導(dǎo)熱材料制成；
[0017](3)去除掩模；
[0018](4)將待加工材料固定于平臺上；
[0019]所述平臺應(yīng)滿足固定于其上的物品可以沿橫向、縱向和垂直方向自由移動；
[0020](5)調(diào)整光路，移動平臺，使激光精確對焦到需加工位置；
[0021](6)將飛秒激光器發(fā)出的飛秒脈沖波長精確調(diào)節(jié)到與注入后形成的納米顆粒的表面等離子體共振吸收峰相同；
[0022]所述飛秒脈沖波長如果不能精確調(diào)節(jié)到所需要的波長，可以使用光學(xué)參量放大器調(diào)節(jié)；
[0023](7)通過光開關(guān)控制激光曝光時間和脈沖個數(shù)，并通過移動平臺完成目標區(qū)域加工；
[0024]所述光開關(guān)可以使用光學(xué)快門；
[0025]所述加工，在加工過程中可以借助電荷耦合元件圖像傳感器(CCD)設(shè)備實時觀測加工表面的狀況；
[0026]有益效果:
[0027]該發(fā)明方法將會在飛秒激光微納制造領(lǐng)域中得到很好的應(yīng)用，若技術(shù)成熟且應(yīng)用于生產(chǎn)，將會大幅度提高飛秒激光對材料的加工效率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為實施例中飛秒激光加工光路意圖。其中，局部放大圖表不了樣片在六自由度精密移動平臺上的安裝方式及其與加工激光的位置關(guān)系。圖中粗實線代表光路，點劃線代表各設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。圖1中分光鏡的反射波長應(yīng)選擇與加工激光波長一致。
[0029]圖2為離子注入過程中樣片固定方法及其與離子注入機，離子束的位置關(guān)系示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明方法加工流程示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法的實施方式作詳細說明。
[0032]本發(fā)明提出的一種基于電子狀態(tài)調(diào)控原理，通過離子注入的方法對材料進行局部改性，并利用飛秒激光對材料進行高效率選擇性加工的方法，具體加工流程如下:
[0033](I)為了局部改變目標區(qū)域的物理性質(zhì)，而對材料整體產(chǎn)生影響，需要對加工對象的表面覆蓋掩模，只暴露出待加工區(qū)域。掩模使用精確設(shè)計，并加工有目標區(qū)域圖案的掩模板，或用光刻膠覆蓋材料表面，并根據(jù)需要用光刻方法加工出目標區(qū)域的圖案。掩模板覆蓋完成后與加工對象即樣片連接關(guān)系如圖2樣片處所示。
[0034](2)在離子注入的過程中，注入?yún)?shù)如離子種類，注入能量，注入電流和注入劑量都是精確可控的。在離子注入前，首先對離子注入各項參數(shù)進行調(diào)節(jié)并使用束流密度掃描儀檢測束流密度，比如注入離子的吸收峰應(yīng)與加工激光頻率的吸收峰匹配，以得到最高的激光吸收和加工效率。而通過精確地調(diào)節(jié)其他注入?yún)?shù)如加速電壓，束流密度，注入時間等可以控制目標區(qū)域中所形成的納米團簇的形態(tài)。納米團簇不同的形態(tài)對加工中的電子狀態(tài)有著顯著影響，通過對納米團簇的形態(tài)進行控制，可以進一步調(diào)控飛秒激光與被加工區(qū)域作用時電子的狀態(tài)，達到高效，選擇性加工的目的。
[0035](3)使用夾具將加工對象即樣片固定于底座上，該底座及夾具均由導(dǎo)熱金屬制成，材料為不銹鋼，也可使用銅等金屬。其目的在于固定加工對象的同時對樣片起到散熱效果。具體安裝位置關(guān)系如圖2所示。
[0036](4)進行離子注入，注入過程在高真空度的環(huán)境中進行，以確保加工對象不受到其他粒子的污染。
[0037](5)去除掩模。
[0038](6)將加工對象固定在6維精密移動平臺即六自由度平臺上，該平臺可以沿Z軸移動對焦，沿X，Y軸移動控制加工區(qū)域；調(diào)整光路，移動六自由度平臺，使激光對焦至加工對象表面。六自由度平臺的移動由計算機控制系統(tǒng)進行控制。樣片的安裝方法如圖1中局部放大圖所示。
[0039](7)在飛秒激光加工中使用飛秒激光光學(xué)參量放大器(OPA)，把波長為800nm，脈沖寬度為50fs，重復(fù)頻率為ΙΚΗζ，光強分布為高斯分布的線偏振飛秒激光的波長精確調(diào)節(jié)至與注入離子的吸收峰相同。飛秒激光器與OPA的參數(shù)設(shè)置由計算機控制系統(tǒng)完成，如圖1所示。上述飛秒激光系統(tǒng)采用的是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率ΙΚΗζ，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。OPA可以使用美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。本實施例中飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光波長與所需的激光波長不一致，因而需要OPA調(diào)節(jié)，其它應(yīng)用中，如果飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光波長與所需的激光波長一致，就可以直接使用。
[0040](8)利用連續(xù)衰減片調(diào)節(jié)入射激光的能量；光學(xué)快門shutter(光開關(guān))控制激光曝光時間，改變照射到加工對象表面的激光脈沖個數(shù)；利用10倍顯微物鏡將飛秒激光垂直照射到加工對象上；實現(xiàn)對加工對象特定區(qū)域的材料去除，同時借助CCD成像實時觀測加工對象表面的加工狀況。加工光路示意圖由圖1所示。
[0041]實驗驗證及理論解釋
[0042]下面基于以上發(fā)明的具體實施步驟介紹針對該方法進行的加工實驗的具體實驗參數(shù)，實驗操作步驟以及實驗加工的效果和理論解釋:
[0043](I)實驗材料為經(jīng)掩模板覆蓋熔融石英樣片，利用離子注入機對熔融石英樣片進行局部離子注入，注入離子為銅離子，其吸收峰在569nm左右，控制注入能量為60KeV，注入電流I μ A/cm2。注入環(huán)境為室溫，真空。最后注入劑量達到3X106ionS/cm2。注入后去除掩模。
[0044](2)在1.14X1014ff/cm2的能量密度下，使用脈沖數(shù)為500，波長分別為500nm和569nm的激光對樣片的不同注入?yún)^(qū)域進行加工，使波長為569nm的激光所造成的燒蝕區(qū)域體積為500nm激光的2.0倍。
[0045](3)在1.14X 1014W/cm2的能量密度下，使用波長為569nm單脈沖激光對樣片注入?yún)^(qū)域與非注入?yún)^(qū)域進行加工，發(fā)現(xiàn)樣片的非注入?yún)^(qū)域無法被燒蝕，而注入?yún)^(qū)域產(chǎn)生了燒蝕效果。
[0046]對該實驗結(jié)果的理論解釋:
[0047]飛秒激光加工材料的燒蝕過程主要分為三個階段，第一個階段為被加工材料的電子通過非線性吸收效應(yīng)吸收光子能量，第二個階段為受激發(fā)的電子發(fā)生電離并達到臨界自由電子密度，第三個階段為材料被加工區(qū)域發(fā)生庫倫爆炸等過程并導(dǎo)致材料去除，其中激光與材料作用最初的能量吸收階段非常關(guān)鍵，直接影響了接下來的電離階段及加工效果。對于經(jīng)過離子注入后的材料，其注入?yún)^(qū)域會形成大量納米粒子。當納米粒子受到一定波長光的照射時，會產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，并出現(xiàn)對該波長段光吸收的增強，這種吸收增強會對接下來加工過程中被加工區(qū)域的電子狀態(tài)產(chǎn)生影響，提高被加工區(qū)域的電離率及自由電子密度，使其更容易達到臨界自由電子密度。由此可以預(yù)測，在飛秒激光燒蝕加工對象經(jīng)過離子注入的區(qū)域時，由于第一階段的電子能量吸收得到增強，其加工效率會得到改善，并出現(xiàn)選擇性加工效果，而實驗結(jié)果與上述預(yù)期相符。
[0048]為了說明本發(fā)明的內(nèi)容及實施方法，本說明書給出了具體實施例。在實施例中引入細節(jié)的目的不是限制權(quán)利要求書的范圍，而是幫助理解本發(fā)明所述方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解:在不脫離本發(fā)明及其所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，對最佳實施例步驟的各種修改、變化或替換都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例及附圖所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)使用掩模板或光刻膠掩模覆蓋待加工材料，只暴露出待加工區(qū)域； (2)對待加工區(qū)域進行離子注入； (3)去除掩模； (4)將待加工材料固定于平臺上； (5)調(diào)整光路，移動平臺，使激光精確對焦到需加工位置； (6)將飛秒激光器發(fā)出的飛秒脈沖波長精確調(diào)節(jié)到與注入后形成的納米顆粒的表面等離子體共振吸收峰相同； (7)通過光開關(guān)控制激光曝光時間和脈沖個數(shù)，并通過移動平臺完成目標區(qū)域加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，所述離子注入的離子種類根據(jù)飛秒激光波長及注入后納米顆粒的表面等離子體共振吸收峰選定，其他參數(shù)根據(jù)需要的納米形態(tài)進行精確控制，注入離子前需要先將待加工材料用夾具固定在底座上，注入過程需要在真空環(huán)境中進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，所述離子注入的其他參數(shù)包括注入能量，注入電流和注入劑量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，夾具和底座要用金屬導(dǎo)熱材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，所述平臺應(yīng)滿足固定于其上的物品可以沿橫向、縱向和垂直方向自由移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，所述飛秒脈沖波長如果不能精確調(diào)節(jié)到所需要的波長，可以使用光學(xué)參量放大器調(diào)節(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，所述光開關(guān)可以使用光學(xué)快門。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的一種基于局部離子注入實現(xiàn)電子狀態(tài)調(diào)控的飛秒激光加工方法，其特征在于，所述加工，在加工過程中可以借助CCD設(shè)備實時觀測加工表面的狀況。
【文檔編號】B23K26/36GK103909352SQ201410171600
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】姜瀾, 曹強, 張家駿 申請人:北京理工大學(xué)