一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，所述方法包括：选取实验用材料，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料；材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；材料吸收光谱的测量；波长调节系统调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应；比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；利用表征方法，优化掺杂条件。本发明的有益效果为：本发明通过在宽禁带材料中进行掺杂特定杂质，产生对光子的共振吸收效果，与传统的激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率及选择性加工。
【专利说明】一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法。
【背景技术】
[0002]为提高掺杂的激光在宽禁带材料(例如玻璃、晶体、陶瓷、聚合物等)上应用的加工效率，传统的激光加工方法，均是从调节加工工具——脉冲激光光场的角度来改善加工质量与效率。事实上，在激光加工中，加工的对象——材料本身的物性，如透明材料的禁带宽度、晶体的晶格缺陷、聚合物分子的化学键等，影响对光子的吸收及相变过程，从而对加工质量与效率也会有很大影响。掺杂方法能改变材料的光吸收特性等物理特性，本发明将掺杂的方法应用到提高激光微/纳加工的加工效率和选择性加工之中。
[0003]掺杂方法能改变材料的光吸收特性等物理特性。出版于2001年10月的文献M.Quirk, J.Serda !Semiconductor Manufacturing Technology.Prentice-Hall, UpperSaddle River,NJ(2001)中，作者在半导体工艺中采用热扩散或离子注入的方式，向半导体材料的晶体结构中掺杂选定的杂质粒子，改变空穴与电子的分布，调节PN结结构，改变其电学性能。文献 T.Lippert, A.Yabe, A.Wokaun:A.Adv.Mat.9, 2 (1997)中，作者在连续的紫外激光刻蚀聚合物材料的研究中，通过掺杂杂质可以降低激光的曝光强度，提高刻蚀效率，很好的应用于紫外曝光刻蚀中。然而掺杂的方法至今还没有应用到提高激光微/纳加工的加工效率和选择性加工之中。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
[0006]一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，所述方法包括以下步骤:
[0007](I)选取实验用材料，实验材料分为宽禁带材料与掺杂杂质两部分，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料；
[0008](2)材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；
[0009](3)材料吸收光谱的测量:找出掺杂后的材料在吸收谱中共振吸收峰对应的波长，定为中心波长；
[0010](4)波长调节系统调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应；
[0011](5)比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；以及
[0012](6)利用表征方法，优化掺杂条件。
[0013]进一步的，步骤(I)中，所述宽禁带材料包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物。
[0014]进一步的，步骤(I)中，所述掺杂杂质包括稀土元素、氧化物和高分子。
[0015]进一步的，步骤￠)中，所述表征方法包括激光加工阈值、不同脉冲数下的加工深度或孔径面积、单位能量下的去除体积和泵浦探测。
[0016]本发明的有益效果为:本发明通过在宽禁带材料中进行掺杂特定杂质，产生对光子的共振吸收效果，与传统的激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率及选择性加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
[0018]图1是本发明实施例所述的掺钕硅酸盐玻璃吸收光谱和电子跃迁能级图。
【具体实施方式】
[0019]本发明实施例所述的一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，所述方法包括以下步骤:
[0020](I)选取实验用材料，实验材料分为宽禁带材料与掺杂杂质两部分，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料，所述宽禁带材料包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物，所述掺杂杂质包括稀土元素、氧化物和高分子；
[0021](2)材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；利用光谱仪分析宽禁带材料掺杂杂质后的吸收光谱，挑选出吸收谱线明显的稀土元素或高分子等掺杂杂质，定制或制作出掺杂有不同浓度该掺杂物的选择性吸收材料；
[0022](3)材料吸收光谱的测量:找出掺杂后的材料在吸收谱中共振吸收峰对应的波长，定为中心波长；材料对该波长光子的吸收最大(中心波长下光子能量对应为材料中原子或分子的激发共振跃迁能量)；
[0023](4)波长调节系统调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应，使单个或多个光子能量与材料的跃迁能级相等或近似相等；
[0024](5)比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；以及
[0025](6)利用激光加工阈值，不同脉冲数下的加工深度或孔径面积，单位能量下的去除体积，泵浦探测等表征方法，优化掺杂杂质、浓度、深度、范围等掺杂条件，提高共振加工效率。
[0026]如图1所示,激光系统采用美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率ΙΚΗζ，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。
[0027]光学参量放大器为立陶宛Light Convert1n公司生产的T0PAS-C，可以把波长800nm激光脉冲在波长290_2600nm范围内连续可调。
[0028]加工对象是硅酸盐玻璃。测量普通硅酸盐玻璃的吸收光谱，其近红外到近紫外波段的吸收特性为基本不吸收。通过在普通玻璃中掺杂稀土元素钕，其近红外到近紫外波段的吸收光谱变为如图1所示高低起伏，光吸收特性大大改变，其中最高的吸收峰在586.78nm,该波长光子能量对应钕原子从基态3S23p21/23p33/23cr4f5/2到某一中间激发态3s23p1/23p43/23d104d3/2的能级跃迁，于是在激光加工过程中当激光波长是或接近586.78nm时，材料对激光光子会进行高效率的共振吸收，从而实现高效率的共振加工。研究发现:
[0029](I)飞秒激光脉冲数为I?1000时测量激光加工阈值，共振加工情况比非共振加工情况减少了 3% -40%。
[0030](2)当激光功率密度< 2.28X 1014W/cm2时，共振加工的深孔体积比非共振加工的体积增加了 1.4-4.4倍。
[0031 ] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)选取实验用材料，实验材料分为宽禁带材料与掺杂杂质两部分，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料； (2)材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收； (3)材料吸收光谱的测量:找出掺杂后的材料在吸收谱中共振吸收峰对应的波长，定为中心波长； (4)波长调节系统调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应； (5)比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；以及 (6)利用表征方法，优化掺杂条件。
2.根据权利要求1所述的基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于:步骤(I)中，所述宽禁带材料包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物。
3.根据权利要求1所述的基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于:步骤(I)中，所述掺杂杂质包括稀土元素、氧化物和高分子。
4.根据权利要求1所述的基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于:步骤￠)中，所述表征方法包括激光加工阈值、不同脉冲数下的加工深度或孔径面积、单位能量下的去除体积和泵浦探测。
【文档编号】B23K26/00GK104209649SQ201310209634
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】姜澜, 曹强, 房巨强 申请人:中自高科（苏州）光电有限公司